無溶劑環(huán)氧涂料的設(shè)計和施工

毛 周 （中遠(yuǎn)關(guān)西涂料化工（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

裝備制造業(yè)是我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。因此，每年用于海工設(shè)施、工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)、各種儲罐和管道等用途的防腐涂料需求甚多。隨著我國經(jīng)濟(jì)體量的逐年增大，防腐涂料用量連年攀高。隨之帶來的問題就是VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放量逐年增加。隨著工業(yè)污染的加重，我國對減少和控制涂料的VOC排放日益重視。2015年，政府頒布了VOC消費稅法規(guī)，開始對高排放的涂料企業(yè)征稅，同時還指導(dǎo)和敦促地方環(huán)保部門制定嚴(yán)格的涂料施工排放法規(guī)，限制高VOC涂料的施工。這些措施都旨在推動環(huán)保涂料的發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境［1-4］。

環(huán)氧涂料作為工業(yè)防腐涂料的核心產(chǎn)品，尤其是在重防腐領(lǐng)域有著不可替代的作用。該類型產(chǎn)品的環(huán)?；l(fā)展必然是防腐涂料進(jìn)步的重頭戲。長期以來，環(huán)保型環(huán)氧涂料的設(shè)計主要有2條思路，其一是水性化，其二是無溶劑化。

在ISO12944—2018標(biāo)準(zhǔn)中，水性環(huán)氧防腐涂料在腐蝕環(huán)境 C3及以下的防腐領(lǐng)域和生產(chǎn)集中度很強(qiáng)的集裝箱涂料領(lǐng)域已有應(yīng)用。但是存在著冬季施工難、廢水處理貴、體積固體分低、冬季貯存要求高等缺點，而且在性能上要達(dá)到重防腐領(lǐng)域的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)還有較長的路要走。而無溶劑產(chǎn)品則不然，無溶劑環(huán)氧產(chǎn)品有溶劑型環(huán)氧涂料30多年的技術(shù)經(jīng)驗作為依托，可以很容易地應(yīng)用于施工條件簡易、防腐要求高的工業(yè)防腐涂裝場合。而且具有冬季易施工、工業(yè)危廢產(chǎn)生少、體積固體分接近100%、貯存環(huán)境要求不高等優(yōu)點。

本研究根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和涂料用戶的實際需求，研究和設(shè)計了無溶劑環(huán)氧涂料產(chǎn)品，并應(yīng)用于實際工程項目中，性能優(yōu)異，完全可以替代傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧涂料和水性環(huán)氧涂料。

1 涂料設(shè)計

1.1 產(chǎn)品的性能要求

環(huán)氧防腐涂料因具有漆膜致密、附著力強(qiáng)、原料廉價易得、堅韌耐磨、耐化學(xué)腐蝕等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)防腐用途［5］。溶劑型環(huán)氧涂料含有芳烴、酯類、酮類等溶劑，這些溶劑大多有毒，揮發(fā)后對環(huán)境造成較大污染。無溶劑環(huán)氧防腐涂料除了需要具有上述性能特點外，還要達(dá)到無揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放的要求。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 5177—2017用 《無溶劑防腐涂料》 的要求，無溶劑環(huán)氧涂料應(yīng)具有的性能指標(biāo)見表1。

表1 無溶劑環(huán)氧涂料的性能指標(biāo)Table 1 Performance index of solvent-free epoxy coatings

1.2 涂料的配方設(shè)計

以HG/T 5177—2017標(biāo)準(zhǔn)為功能目標(biāo)，通過調(diào)整原料，選出最佳配方。

1.2.1 主要原料的選擇

大部分涂料均都由成膜物質(zhì)、顏填料、助劑和稀釋劑四大部分組成，而無溶劑環(huán)氧涂料，不再含傳統(tǒng)意義上的二甲苯、丁醇、酮類等揮發(fā)性有機(jī)溶劑。在成膜樹脂方面，一般選用相對分子質(zhì)量較小的雙酚A樹脂和雙酚F樹脂（圖1）。這是因為在相對分子質(zhì)量較小的情況下，雙酚A和雙酚F樹脂有較好的流動性。其中雙酚F環(huán)氧樹脂因分子結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元減少了2個甲基，分子間運動阻礙更小，所以黏度更低、流動性更好。將兩者進(jìn)行復(fù)配，雙酚F環(huán)氧樹脂能起到增加流動性的作用，雙酚A環(huán)氧樹脂提供較高的性價比。同時為了獲得良好的施工性，還需要使用單官能團(tuán)的環(huán)氧活性稀釋劑作為黏度調(diào)節(jié)劑，因其反應(yīng)性和不揮發(fā)性，可保持產(chǎn)品的無溶劑特性。

圖1 成膜樹指Figure 1 Film-forming resin

在固化劑方面，一般環(huán)氧涂料用固化劑產(chǎn)品有聚酰胺、酚醛胺、聚醚胺、脂環(huán)胺等。其中，聚酰胺產(chǎn)品黏度較高，多為溶劑稀釋后使用，難以達(dá)到無溶劑產(chǎn)品的要求。脂環(huán)胺活化性低，反應(yīng)需要預(yù)混活化，施工性不佳。比較理想的是酚醛胺和聚醚胺固化劑，而且這兩類固化劑原料市場較成熟，供貨商較多，便于產(chǎn)品穩(wěn)定性和性價比的提升。

在顏填料的選取方面，本研究選用低吸油值的滑石粉配合云母粉。滑石粉是一種良好的惰性填料，主要成分為Mg3［Si4O10］（OH）2，晶體呈假六方或菱形的片狀，相對密度只有2.6，這些特性相對于硫酸鋇等微觀呈球狀的填料可有效降低小分子樹脂固化后的內(nèi)應(yīng)力，增加漆膜強(qiáng)度。云母粉為片狀結(jié)構(gòu)，在漆膜里形成迷宮效應(yīng)，可延長水汽滲入的路徑，增加防腐性［6］。

主要原材料的規(guī)格指標(biāo)見表2。

表2 主要原材料的規(guī)格指標(biāo)Table 2 Specification index of main raw materials

1.2.2 配方結(jié)構(gòu)和填料的搭配

對填料的搭配進(jìn)行試驗的目的：1）調(diào)整出合適的施工性能，使漆液有較好的流動性，適合于重防腐施工的無空氣噴涂工藝；2）同時調(diào)整合適的顏基比，并利用云母粉的片狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到較好的防腐性和經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)計配方的固定要素：根據(jù)溶劑型重防腐涂料的一般性數(shù)據(jù)，本研究將涂料配方的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加以固定，PVC（顏料體積濃度）設(shè)置為30 %～40 %，固化劑的活潑氫當(dāng)量與環(huán)氧當(dāng)量之比設(shè)置為1.0。

設(shè)計配方的變動要素：配方主體結(jié)構(gòu)確定后，通過調(diào)整云母粉和滑石粉的質(zhì)量配比（表3），調(diào)節(jié)配方的施工黏度。

表3 填料配比對施工性的影響Table 3 Influence of filler ratio on workability

表3結(jié)果表明，當(dāng)云母粉和滑石粉的質(zhì)量比在1∶5及以下時，漆漿黏度較大、流動性差，不適合噴涂施工。當(dāng)其質(zhì)量比為1∶7和1∶6時，涂料的流動性較為理想。其中1∶6的配比，云母粉用量稍多，理論上防腐性更好，因此選擇云母粉和滑石粉的質(zhì)量之比為1∶6。

1.2.3 關(guān)于固化劑的選擇

本研究選擇了酚醛胺和聚醚胺兩種原料作為固化劑部分。理論固體分均為100%。在確定配方前，單獨對環(huán)氧樹脂和固化劑之間的配合性進(jìn)行清漆的性能考察（表4）。

表4 固化劑的選擇Table 4 Selection of curing agent

表4結(jié)果表明，用環(huán)氧樹脂分別和兩種固化劑配合，均能夠獲得物理性能較好的致密漆膜，活化期基本可以滿足應(yīng)用需要。

1.2.4 基本配方的形成

經(jīng)過以上試驗，設(shè)計出表5配方，其涂料性能檢測結(jié)果見表6。

表5 無溶劑環(huán)氧涂料的配方Table 5 Formula of solvent-free epoxy coatings

表6 無溶劑環(huán)氧涂料的性能Table 6 Performance of solvent-free epoxy coatings

經(jīng)綜合考量，在顏填料和樹脂保持一定的情況下，使用酚醛胺的配方綜合性能較好。使用聚醚胺的配方在同等條件下機(jī)械性能和耐酸性較差，干性稍慢且影響厚涂性。

1.3 產(chǎn)品設(shè)計總結(jié)

經(jīng)過以上試驗，當(dāng)滑石粉和云母粉質(zhì)量配比適當(dāng)，配合使用高固體分酚醛胺固化劑，可以獲得較好的施工性和防腐性，性能上可以滿足HG/T 5177—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 涂料施工應(yīng)用情況

因國家對各施工單位的VOC排放控制越來越嚴(yán)格，故客戶對無溶劑產(chǎn)品非常重視，因此產(chǎn)品很快在華東某海工項目的水艙內(nèi)進(jìn)行了涂裝。

2.1 表面處理

在相對濕度為75%的室內(nèi)廠房進(jìn)行表面處理。采用噴砂除銹與機(jī)械除銹相結(jié)合的方式打掉構(gòu)件表面的浮銹、氧化皮，除銹等級達(dá)到ISO 8501—2007要求的Sa 2.5級以上。除銹之后在1 h內(nèi)完成清潔吹掃，隨后立即進(jìn)行涂裝施工。

2.2 涂料的噴涂

2.2.1 涂裝工具

根據(jù)現(xiàn)場條件和用戶對施工效率的要求，采用無氣噴涂的工藝對該涂料進(jìn)行施工。設(shè)備為長江GPQ6C型無氣噴涂機(jī)，其參數(shù)：壓力比65∶1；涂料排量25 L/min；進(jìn)氣壓力0.3～0.6 MPa。

2.2.2 涂裝要求

環(huán)境條件：濕度75%；溫度28 ℃；露點溫度23.15 ℃。環(huán)境溫度高出露點溫度4.85 ℃，可正常施工，無結(jié)露的風(fēng)險。

2.2.3 配漆

使用電動工具攪拌涂料主劑，無明顯沉淀物，加入固化劑后很容易攪拌均勻，工人反映氣味很小。涂料施工過程耗時約1 h，涂料在桶內(nèi)無明顯增黏現(xiàn)象，整個過程溫度升高約1.5 ℃。

2.2.4 噴涂

待艙室表面處理好后，先用無溶劑環(huán)氧漆預(yù)涂死角部位，而后進(jìn)行大面積噴涂。噴涂效果較好，膜厚均勻，無明顯流掛（圖2）。在噴涂過程中，工人反映氣味較小，在封閉空間內(nèi)飛逸的漆霧很少，易于施工，上膜厚較容易。

圖2 噴涂后的艙室Figure 2 Cabin after spraying

2.3 驗收

涂膜在24 h后實干。經(jīng)檢驗人員驗收，數(shù)據(jù)比較理想。平均干膜厚度550 μm。干燥徹底，漆膜表面光滑平整。

3 結(jié)語

從配方設(shè)計和施工兩方面介紹了無溶劑環(huán)氧涂料的研發(fā)過程。所研制的無溶劑環(huán)氧涂料固體分高、固化速度快、涂膜性能優(yōu)異，滿足環(huán)保要求，性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時施工性能好，涂裝效率高，一次施工可以達(dá)到550 μm的干膜厚度，綜合成本低。在工業(yè)重防腐領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。