聚氨酯面漆低溫固化性能分析

王長軍，曲春釗，劉繼霞，程晉宜，吳棟

（海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520）

通常情況下，國內(nèi)外海洋環(huán)境屬于ISO 12944:2017標(biāo)準(zhǔn)中的C5-M級別。在LNG(液化天然氣)工廠周邊，高溫、高濕、高鹽和化學(xué)環(huán)境會加劇腐蝕的發(fā)生。對處在這種環(huán)境中的設(shè)備而言，腐蝕防護工作顯得尤為重要。涂層的防護機理主要有3種：一是作為阻擋層，減緩腐蝕性粒子向涂層/金屬界面的擴散；二是涂層中的緩蝕型顏料可以在腐蝕性粒子到達涂層/金屬界面時，起到抑制基體腐蝕的作用；三是涂層與金屬之間一般具有良好的粘結(jié)性，可以防止腐蝕剝離的發(fā)生[1]。C5-M 環(huán)境中的涂層通常采用環(huán)氧底漆+聚氨酯面漆或者富鋅底漆+環(huán)氧中間漆+聚氨酯面漆的配套，一旦在低溫環(huán)境下施工或固化，往往出現(xiàn)固化緩慢或固化不良的現(xiàn)象。本文針對青島冬季的特點，對聚氨酯面漆室外低溫下的固化性能進行實驗分析。事情的起因是這樣的：在某LNG項目中，某甲板片部分區(qū)域出現(xiàn)聚氨酯面漆涂層剝落現(xiàn)象(如圖1所示)，油漆配套為：富鋅底漆60 μm，環(huán)氧云鐵中間漆200 μm，聚氨酯面漆60 μm。2021年1月甲板片安裝后，現(xiàn)場沿破損位置出現(xiàn)面漆呈鋸齒狀剝離的現(xiàn)象，部分位置可用鏟刀剝離面漆，剝離形式為中間漆與面漆層之間剝落，剝離后的面漆較軟，露出的中間漆固化良好，無污染物。

圖1 面漆打磨邊緣鋸齒狀剝離照片F(xiàn)igure 1 Photos showing the peel-off of topcoat with jagged edge during power tool cleaning

1 初步原因分析

首先從原材料入手，對相同批號的中間漆、面漆取樣進行實驗，結(jié)果均固化良好。查找已施工的含該批次中間漆和面漆的涂層，也未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。

施工工藝分析：面漆施工前中間漆已固化36 h，涂層表面無可見油污及污染物，滿足涂裝要求。面漆施工后室內(nèi)固化2 h，再運至室外，室外溫度最低?16 °C，故初步分析是低溫固化導(dǎo)致面漆性能發(fā)生變化。

2 低溫面漆固化實驗

2.1 干燥性能測試

選擇某國際品牌(GJ)和國內(nèi)品牌(GN)的環(huán)氧云鐵中間漆及丙烯酸聚氨酯面漆，準(zhǔn)備若干150 mm ×70 mm × 5 mm的碳鋼試板，施工2種不同的聚氨酯面漆60 μm，分別在5 °C和15 °C的低溫培養(yǎng)箱中進行固化，用吹棉球法測試表干時間[2]。同時在玻璃板上分別施工2種不同的面漆，放置在干燥時間記錄儀上，分別在5 °C和15 °C下測試面漆的硬干時間。

2.2 涂層系統(tǒng)固化及附著力測試

(1) 取若干150 mm × 70 mm × 5 mm規(guī)格的碳鋼試板進行噴砂處理，清理等級達到ISO 8501-1:2007標(biāo)準(zhǔn)的Sa 2.5級，灰塵度等級達到ISO 8502-3:2017標(biāo)準(zhǔn)的1級，粗糙度達到60 ~ 80 μm，表面處理后分別噴涂2種類型中間漆，在25 °C下固化48 h以上。

(2) 低溫固化及附著力測試：取某國際品牌油漆(白色)于室內(nèi)溫度15 °C、相對濕度65%的環(huán)境下施工12塊試板，完成后每隔2 h將編號1?10的試板按順序每次將2塊轉(zhuǎn)移至?5 °C的培養(yǎng)箱中，11號和12號試板保存在15 °C的環(huán)境中固化。4 d后將培養(yǎng)箱中編號為2、4、6、8和10的試板轉(zhuǎn)移至15 °C的環(huán)境中固化。每隔24 h用劃叉法進行附著力測試和觀察外觀，施工14 d后采用液壓拉拔儀按照ASTM D4541標(biāo)準(zhǔn)進行附著力測試。

(3) 室溫固化及附著力測試：在25 °C下取上述試板分別施工2種品牌的聚氨酯面漆。施工1 h后將1號試板(2種品牌各1塊，后同)轉(zhuǎn)移到5 °C培養(yǎng)箱中，2號試板一直處于25 °C的環(huán)境中；4 h后將3、4號試板分別移至5 °C和15 °C的環(huán)境中；6 h后將5、6號試板分別移至5 °C和15 °C的環(huán)境中；24 h后將7、8號試板分別移至5 °C和15 °C的環(huán)境中。

2.3 面漆彎曲試驗及耐沖擊性測試

在12塊馬口鐵上施工厚度為60 μm的聚氨酯面漆，平均分成2組分別放置在?5 ℃和?10 ℃的培養(yǎng)箱中。每隔2 h將1?5號和6?10號的試板中按順序各取一塊分別轉(zhuǎn)移至?5 ℃和?10 ℃的培養(yǎng)箱中，11號和12號試板保存在15 ℃環(huán)境中固化。4 d后將培養(yǎng)箱中的試板轉(zhuǎn)移至15 ℃的環(huán)境中固化。20 d后按照GB/T 6742–2007《色漆和清漆 彎曲試驗(圓柱軸)》進行彎曲試驗，按照GB/T 1732–2020《漆膜耐沖擊測定法》進行耐沖擊性測試。

3 試驗結(jié)果

3.1 干燥時間的對比

從表 1可以看出，2種不同面漆的表干時間與產(chǎn)品數(shù)據(jù)表基本相符合，但國內(nèi)品牌的硬干時間存在較大差異。此外，國內(nèi)品牌涂料的表干時間明顯短于國外品牌，硬干時間也略短。

表1 2種品牌面漆的干燥測試結(jié)果Table 1 Drying test results of two brands’ topcoats

3.2 低溫固化及附著力測試結(jié)果

第2天，1?4號油漆成膜不佳，整體性不良，但分層剝離現(xiàn)象不可見；7?10號樣板基本成膜；11、12號試板已經(jīng)硬干，未見分層現(xiàn)象。

第3天，1號試板已基本成膜，分層剝離現(xiàn)象輕微可見，如圖2a所示。

第4天，1號試板未見分層剝離現(xiàn)象，轉(zhuǎn)移至15 °C環(huán)境中的2號試板表面變硬，未見分層剝離現(xiàn)象，如圖2b所示。

第5天，1號試板劃開后可見分層，劃痕邊緣呈鋸齒狀破損，漆膜在破損邊緣翹起。

第7天，1號試板開始硬干，漆膜稍軟，分層可見，而2號試板漆膜偏硬，也有分層現(xiàn)象，如圖2c所示。

圖2 低溫下GJ品牌面漆的固化情況Figure 2 Photos of brand GJ’s topcoat during curing at low temperature

14 d后進行的附著力測試結(jié)果見表2。

表2 ?5 °C下GJ品牌面漆固化后的附著力測試結(jié)果Table 2 Adhesion test results of brand GJ’s topcoat after being cured at ?5 °C

3.3 室溫下固化及附著力測試結(jié)果

施工后第3天，5 °C環(huán)境中的油漆基本成膜，整體性較好，分層剝離現(xiàn)象不可見，而15 °C環(huán)境中的對比板固化良好，硬度較高。15 d后進行的附著力測試結(jié)果列于表3，均滿足規(guī)格書的要求。

表3 5 °C和15 °C下2種品牌面漆固化后的附著力測試結(jié)果Table 3 Adhesion test results of two brands’ topcoat after being cured at 5 ℃ and 15 °C

3.4 面漆彎曲試驗及耐沖擊測試結(jié)果

從低溫培養(yǎng)箱取出前，?5 ℃馬口鐵樣板已表干(指壓無痕)，6、7、8號馬口鐵樣板仍存在未表干現(xiàn)象，說明在?10 ℃的情況下，聚氨酯面漆幾乎停止固化。固化后按照GB/T 6742–2007采用2 mm和3 mm軸徑開展面漆彎曲試驗，結(jié)果表明：3 mm軸徑上，?10 ℃固化的面漆出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象(見圖3)，?5 ℃和15 ℃固化的面漆未出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象；2 mm軸徑上，?5 ℃固化面漆出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，15 ℃固化的面漆未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖3 ?10 °C固化的7號(a)和10號(b)樣板的彎曲試驗照片F(xiàn)igure 3 Photos of No.7 (a) and No.10 (b) specimens cured at ?10 °C after bending test

按照GB/T 1732–2020在25 cm的高度開展耐沖擊性試驗，結(jié)果(見圖4)表明?10 ℃和?5 ℃環(huán)境下固化的面漆內(nèi)圈沖擊位置出現(xiàn)細微開裂，外圈未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，15 ℃固化的面漆未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖4 ?5 °C固化的1號樣板和?10 °C固化的6號樣板的耐沖擊性試驗照片F(xiàn)igure 4 Photos of No.1 specimen cured at ?5 °C and No.6 specimen cured at ?10 °C after impact resistance test

3.5 光澤測量結(jié)果

按照GB/T 9754–2007標(biāo)準(zhǔn)，使用三恩馳NHG268型三角度光澤度計對?5、?10和15 ℃條件下固化的1、6、11號樣板面漆的光澤進行測量，結(jié)果如圖5所示。它們的60 ℃光澤均達到75以上的高光要求，說明低溫固化對面漆的光澤影響不大。

圖5 面漆光澤測量照片F(xiàn)igure 5 Photos of gloss measurement for topcoats

4 試驗結(jié)果分析

由低溫下固化附著力試驗結(jié)果可知，1、3、5、7、9號樣板雖然轉(zhuǎn)入低溫前在15 °C環(huán)境下維持的時間不一樣，但漆膜附著力差別不大；2、4、6、8號試板的漆膜附著力比1、3、5、7號試板均有所提升，說明影響附著力的主要原因在于后期的固化溫度。11號和12號樣板的附著力明顯高于低溫固化樣板(1?10號)，說明低溫固化對附著力影響較大。通過劃叉法觀察可見，低溫固化邊緣呈鋸齒狀破壞，說明低溫固化對油膜的柔韌性產(chǎn)生了一定的影響，彎曲試驗結(jié)果印證了這一點。

由5 °C和15 °C條件下固化樣板的附著力測試結(jié)果可知，只要在5 °C以上固化，漆膜附著力無明顯差別，與?5 ℃條件下固化相比提升了60%。

通過面漆彎曲試驗可知，隨著固化溫度降低，固化時間需成倍延長。當(dāng)固化溫度為?10 ℃時，固化反應(yīng)幾乎停止，即使恢復(fù)到高溫固化，面漆的柔韌性和耐沖擊性也會顯著降低。

5 結(jié)語

低溫環(huán)境對聚氨酯面漆固化的影響很明顯。在溫度降到?5 ℃以下的情況下，固化過程成倍地拉長，且得到的漆膜柔韌性較差，層間結(jié)合力弱。

在固化初期，溫度較低的環(huán)境會影響漆膜性能，即使在一定時間后放回較高溫度的環(huán)境中，涂層的柔韌性和附著力也存在降低的情況。

在5 ℃以上固化的時間越長，漆膜的附著力越高，而提高溫度能夠縮短固化時間。

以上結(jié)論對冬季施工具有指導(dǎo)意義。

至于現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的打磨位置面漆鋸齒狀剝離和附著力不良，主要是低溫固化所致。為保證后期漆膜品質(zhì)，固化溫度應(yīng)保持在5 ℃以上。

另外值得一提的是，油漆商應(yīng)注意說明書中固化時間的準(zhǔn)確性。施工單位在施工前，尤其是在低溫環(huán)境下，應(yīng)嚴格驗證產(chǎn)品說明書中的固化時間，以保證產(chǎn)品的固化性能。