水性減阻耐磨環(huán)氧涂料的制備及性能研究

石家烽，鮮 俊，王 磊，崔燦燦，韓忠智，丁 超，郭曉軍

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300451；2.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

長距離輸氣管道是國家能源“大動脈”，建設(shè)長輸管道可以優(yōu)化國內(nèi)能源供需格局、滿足能源使用需求、提升清潔能源供應(yīng)、治理空氣霧霾。在輸氣管道的內(nèi)部涂覆一層薄薄的涂層，可以降低管道內(nèi)部的粗糙度，達到減少阻力的效果，降低氣體輸送磨阻系數(shù)，大大提高了輸送效率［1］。

目前溶劑型和無溶劑型減阻耐磨涂料已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用。溶劑型減阻涂料VOC（揮發(fā)性有機化合物）含量高，在施工過程中揮發(fā)大量的有機溶劑，不利于安全環(huán)保，同時其施工適應(yīng)性較差［2］。無溶劑型減阻涂料VOC含量低，但是其黏度較高，通常需要將涂料加熱到50 ℃以上才能夠正常施工作業(yè)，噴涂厚度較厚，增加了生產(chǎn)成本，同時也浪費了資源。因此，開發(fā)綠色環(huán)保并在常溫條件下能夠施工作業(yè)的水性減阻耐磨涂料具有十分重要的意義。

樹脂一般通過乳化劑或接枝親水基團來實現(xiàn)水性化，乳化劑、親水基團會影響涂層的防腐蝕性能和附著力［3］。本研究通過對樹脂體系、顏填料體系以及助劑體系的研究，研制出具有良好抗彎曲性能、耐沖擊性能、耐磨性以及耐鹽霧性能的水性減阻耐磨涂料。

1 試驗部分

1.1 主要原材料和設(shè)備

水性環(huán)氧樹脂乳液1#~9#、水性環(huán)氧固化劑（改性脂肪胺加成物），某樹脂公司；乙二醇丁醚、氧化鐵紅、硅灰石，江天化工；磷酸鋅、三聚磷酸鋁，諾誠化學(xué)有限公司；水性助劑，德國畢克化學(xué)。

電子天平、高速分散機、錐型磨、鹽霧試驗箱等。

1.2 涂料的制備

水性減阻耐磨涂料的配方見表1。

表1 水性減阻耐磨涂料的配方Table 1 The formula of waterborne drag reduction and wear resistant coatings

將去離子水以及除增稠劑外的其他助劑加入到料缸中，高速攪拌分散，隨后依次加入粉料，分散后研磨。隨后加入樹脂乳液進行低速分散，待分散均勻后，加入增稠劑，得到水性減阻耐磨涂料的A組分。

1.3 樣板的制備

將水性減阻耐磨涂料的A、B組分按比例混合均勻后，制板。用于測試耐沖擊性能的涂層厚度為25 μm，用于測試抗彎曲性能的涂層厚度為150 μm，用于測試耐鹽霧性能的涂層厚度為80 μm（1道）。將樣板放置在室溫下養(yǎng)護7 d后進行性能測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 成膜物體系的選擇

2.1.1 成膜樹脂的選擇

通過調(diào)研，采用市面上常見的9種不同廠家、不同環(huán)氧當(dāng)量的水性環(huán)氧樹脂乳液進行性能對比研究，試驗結(jié)果見表2。

表2 清漆的綜合性能對比Table 2 Comprehensive performance comparison of varnish

從表2結(jié)果中可以看出，9#水性環(huán)氧樹脂乳液的相對分子質(zhì)量較大、同時在鏈段中含有大量的甲基，能賦予涂層良好的抗彎曲性能［4］，但相對分子質(zhì)量過大，交聯(lián)密度較小，導(dǎo)致其耐腐蝕性能和附著力差［5］。3#水性環(huán)氧樹脂乳液的相對分子質(zhì)量小于9#樹脂乳液，柔韌性相對較差，但是涂層具有良好的附著力以及耐腐蝕性能。因此，選擇將3#和9#水性環(huán)氧樹脂乳液進行物理共混改性，綜合提高涂層的抗彎曲性能、耐沖擊性能以及耐腐蝕性能?；炱礃渲橐簩ν繉有阅艿挠绊懸姳?。

表3 混拼樹脂乳液對涂層性能的影響Table 3 Effect of mixing resin emulsion on coating properties

從表3結(jié)果中可以看出，隨著9#樹脂乳液用量的增加，涂層的附著力逐漸減小，而抗彎曲性能和耐沖擊性能提高了。當(dāng)兩者質(zhì)量之比為0.7∶0.3時，涂層具有良好的綜合性能，因此本研究選擇將3#樹脂乳液和9#樹脂乳液進行物理共混改性，混拼質(zhì)量比為0.7∶0.3。

水性環(huán)氧樹脂乳液和固化劑的配比［n（環(huán)氧基）∶n（活潑氫）］對涂層性能的影響見表4。

表4 n（環(huán)氧基）/n（活潑氫）對涂層性能的影響Table 4 Effect of n（epoxy group）/n（active hydrogen）on coating properties

從表4結(jié)果中可以看出，當(dāng)n（環(huán)氧基）∶n（活潑氫）為（0.8~0.9）∶1時，涂層的抗彎曲性能、耐沖擊性能以及防腐蝕性能均較差，這是因為固化劑過量，固化劑中多余的氨基沒有相應(yīng)的環(huán)氧基反應(yīng)，從而導(dǎo)致了涂層的綜合性能較差［6］。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n（環(huán)氧基）/n（活潑氫）為（1~1.1）∶1時，涂層具有良好的抗彎曲性能、耐沖擊性能以及耐腐蝕性能，最終選擇n（環(huán)氧基）/n（活潑氫）為1.1∶1。

2.1.2 成膜助劑的選擇

本研究從涂層性能以及環(huán)保的角度考慮，選擇丙二醇甲醚（PM）、二丙二醇甲醚（DPM）以及丙二醇苯醚（PPH）作為成膜助劑，按照3 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的添加量進行性能測試。試驗結(jié)果見表5。

表5 成膜助劑對清漆性能的影響Table 5 Influence of coalescing agents on properties of varnishes

從表5的試驗結(jié)果可以看出，以丙二醇甲醚作為成膜助劑，雖然涂料表干時間短，但是涂層外觀差、機械性能和附著力較差。這是因為丙二醇甲醚沸點低，揮發(fā)速度較快，涂層表面很快干燥，涂層內(nèi)部的溶劑揮發(fā)不出去，因而形成涂層表觀不光滑的缺陷。同時，溶劑殘留在涂層內(nèi)部，對涂層的附著力、抗彎曲性能等有一定的影響［7］。綜合考慮，本研究通過混拼丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚來調(diào)整水性減阻耐磨涂料的表干時間。

2.2 顏填料體系的選擇

涂料中加入顏填料的目的：有效提高涂層的抗?jié)B透、耐腐蝕性能、耐候性與物理機械性能，填充成膜樹脂中的空隙，降低涂料成本［8］。

顏填料的主要選擇依據(jù)：1）在涂層中所發(fā)揮的功能；2）礦物的物理性狀；3）與樹脂的相容性；4）吸油量；5）價格適中。

硅灰石具有硬度大和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可以提高涂層的耐磨性、耐沖擊性能。氧化鐵紅具有防銹功能，可以作為防銹顏料及著色顏料［9］。磷酸鋅和三聚磷酸鋁是常見的防銹填料，可以很好地提高涂層的耐鹽霧性能［10］。

首先研究了硅灰石的粒徑以及添加量對涂層性能的影響，重點考察對耐磨性、硬度、附著力以及抗彎曲性能等的影響。試驗結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，不同粒徑硅灰石的加入均提高了涂層的耐磨性能。其中粒徑為10 μm的硅灰石添加量在3 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，涂層具有良好的外觀、耐磨性、硬度、附著力、抗彎曲性能以及耐沖擊性能。隨著其添加量的進一步增加，涂層外觀開始變得粗糙，抗彎曲性能以及耐沖擊性能也受到影響，這是因為硅灰石的添加量過大，導(dǎo)致其在涂層中分散不均勻而發(fā)生團聚。因此確定水性減阻耐磨涂料中硅灰石的添加量為3 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

表6 硅灰石的粒徑以及添加量對涂層性能的影響Table 6 Effects of wollastonite mesh and addition amount on coating properties

氧化鐵紅、磷酸鋅和三聚磷酸鋁均能提高涂層的耐鹽霧性能。下面通過正交試驗，研究不同的氧化鐵紅、磷酸鋅和三聚磷酸鋁添加量組合對涂層性能的影響，篩選出最優(yōu)的添加量組合。試驗結(jié)果見表7。

表7 氧化鐵紅、三聚磷酸鋁以及磷酸鋅的添加量對涂層性能的影響Table 7 Effect of addition amount of iron oxide red，aluminum tripolyphosphate and zinc phosphate on coating properties

從表7中的試驗結(jié)果可以看出，隨著氧化鐵紅、三聚磷酸鋁以及磷酸鋅添加量的增加，水性減阻耐磨涂料的耐鹽霧性能得到提高。研究發(fā)現(xiàn)，編號為11的組合條件下，涂層抗彎曲性能和耐沖擊性能良好，且耐鹽霧性能達到了1 000 h。因此，確定水性減阻耐磨涂料中氧化鐵紅的添加量為12 %、三聚磷酸鋁的添加量為7 %、磷酸鋅的添加量為5 %，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)語

本研究通過對成膜樹脂體系、成膜助劑以及顏填料體系進行研究，得到水性減阻耐磨環(huán)氧涂料的基本配方。通過將中等相對分子質(zhì)量和高相對分子質(zhì)量的水性環(huán)氧樹脂乳液進行物理共混改性、優(yōu)化樹脂與固化劑用量配比、復(fù)配丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚作為成膜助劑，使涂層具有合適的表干時間、良好的抗彎曲性能和耐沖擊性能。搭配不同類型的防銹填料，通過正交試驗篩選出最佳的防銹填料添加量組合，涂層耐鹽霧試驗達到1 000 h，不起泡、不開裂、不脫落、不生銹。