納米改性聚硅氧烷重防腐涂料在潮濕環(huán)境中的涂裝技術(shù)創(chuàng)新

薛彥磊

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

選煤廠各類設(shè)備、設(shè)施主體主要為鋼結(jié)構(gòu)。在長期潮濕的環(huán)境中，暴露在外部環(huán)境中，極易受到外部環(huán)境的腐蝕，也可能受到各種工業(yè)氣體的腐蝕，例如硫化物、氮氧化物等物質(zhì)，深層腐蝕鋼結(jié)構(gòu)。在潮濕環(huán)境下的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)外表會有一定厚度的水膜層，此時，鋼結(jié)構(gòu)與外部空氣之間的濕度達(dá)到100%。受到選煤廠自身環(huán)境的影響，外部環(huán)境中含有大量的二氧化硫等具有腐蝕性的氣體，鋼結(jié)構(gòu)外表的水膜便容易破裂，進(jìn)而遭受腐蝕[1-2]。

為了應(yīng)對以上因素對潮濕環(huán)境中選煤廠鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕影響，作出預(yù)防改善，我國科研人員曾應(yīng)用防腐蝕涂裝的方式[3]，結(jié)合選煤廠內(nèi)的環(huán)境特征以及鋼材結(jié)構(gòu)的自身特性，采取了外表面凈化、表面噴砂除銹、涂抹氟碳面漆、涂抹環(huán)氧云鐵中間漆等手段；但是這幾種方式的應(yīng)用沒有形成完整的技術(shù)實(shí)施體系，在沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下容易因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的原因?qū)κ┕と藛T造成不可預(yù)測的病變，環(huán)保健康方面較差。另外，引入了防腐蝕涂裝技術(shù)[4]，利用鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性，向鋼結(jié)構(gòu)中引入微電流，當(dāng)電流在鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)散的過程中向鋼結(jié)構(gòu)外表噴灑少量的干粉，使鋼結(jié)構(gòu)外表面排斥外部水分與污染物，這種方法一般還配合著涂料方案共同進(jìn)行。首先，在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹無機(jī)富鋅底漆和環(huán)氧富鋅底漆；然后再涂上一層中涂漆；最后噴涂上一層丙烯酸聚氨酯面漆，整體起到微電離子和涂料共同防腐蝕的效果。但是這種方案的作用時間較短，需要長期地進(jìn)行維護(hù)，消耗大量的成本。

本文根據(jù)潮濕環(huán)境特點(diǎn)，對選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建一套完整的、效果好、成本低、環(huán)保、工藝簡單為特點(diǎn)的可實(shí)施技術(shù)方案。

1 工程概括

選擇的選煤廠為哈拉溝選煤廠，該選煤廠的主廠房坐落在陜西省神木市，由2個多層鋼框架結(jié)構(gòu)單元和不同的鋼支架木塊構(gòu)成。對多層鋼框架構(gòu)單元進(jìn)行命名，分別命名為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)；對獨(dú)立的鋼支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行命名，分別命名為AB模塊和C模塊。建立多層鋼框架結(jié)構(gòu)，形成獨(dú)立基礎(chǔ)支柱。

對選煤廠的原塊煤車間進(jìn)行分析，Ⅰ區(qū)原塊煤車間建立于2005年，分為6層，內(nèi)部引入了振動篩選設(shè)備。

Ⅱ區(qū)建立于2010年，不僅加入了更大的振動篩設(shè)備，同時也增加了離心機(jī)設(shè)備。

AB模塊主要為4層，內(nèi)部同樣加入了振動篩和離心機(jī)設(shè)備。

對廠房整體都進(jìn)行了加固，但目前仍然存在異常振動的問題，一旦工作，廠房出現(xiàn)振動，工作人員的身心健康都會受到影響；因此，必須重新對廠房振動較大的部位進(jìn)行加固，并且增強(qiáng)廠房的加固和防腐工作。

2 潮濕環(huán)境中的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝體系

潮濕環(huán)境中的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝體系的設(shè)計基本原則是在潮濕容易腐蝕的環(huán)境下，使得選煤廠內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)施涂裝部位能夠長期不受腐蝕，所涂裝的應(yīng)用成本和維護(hù)成本達(dá)到選煤廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。不僅具有較高的防腐蝕效果，同時還具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

對防腐蝕涂裝體系的設(shè)計主要從涂裝層的原料方案選擇和涂裝厚度2方面入手。目前，國內(nèi)的大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)中均有一層長壽命的防腐蝕體系，這套原有的防腐蝕體系可以起到電化學(xué)保護(hù)的作用，能夠針對選煤廠中的空氣污染、化學(xué)污染等因素進(jìn)行有效控制；但是，在潮濕環(huán)境下，這種鋼結(jié)構(gòu)原有防腐蝕體系很容易被外部水分子破壞，為此，需要選用能夠幫助電化學(xué)保護(hù)持久的涂層，同時還要滿足耐久性、防潮濕性能的涂料[7-8]。

本文設(shè)計的防腐蝕涂料基本體系由3層組成：第1層是涂裝底漆，主要原料為納米改性聚硅氧烷重防腐涂料底漆一道和環(huán)氧富鋅底漆一道。遵守《色漆和清漆漆膜厚度的測定》規(guī)定的測量方法，保證底漆的干膜厚度超過80 μm[9]。改性的SiO2的沉降體積要高于未改性的SiO2的沉降體積，具體如圖1所示。

圖1 改性前后SiO2沉降速率Fig.1 SiO2 sedimentation rate before and after modification

由圖1可知，改性后的SiO2的沉降體積維持在25 mL；而未改性后的SiO2的沉降體積維持在13 mL，保證其防腐能力。

第2層是中層涂層，主要原料有高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片，為保證中間涂層的效果，引入了3道中間漆，設(shè)定的干膜厚度超過160 μm。高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片重防腐中間漆的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2所示。

圖2 高氯化聚乙烯重防腐中間漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Mass fraction of high chlorinated polyethylene heavy-duty anticorrosive intermediate paint

由圖2可知，當(dāng)粒徑為85×10-3mm時，高氯化聚乙烯重防腐中間漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；本文在選擇高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片重防腐中間漆時，盡量選擇粒徑在85×10-3 mm左右的中間漆，因此選擇環(huán)氧云鐵涂漿作為中間漆。

第3層是面層，主要原料同樣為高性能的耐候面漆，利用高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片建立防腐面漆2道，設(shè)定的干膜厚度超過60 μm。

在3層涂裝體系建立完整的涂裝順序后，對涂裝厚度和涂裝位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定，對選煤廠的所有鋼結(jié)構(gòu)，涂裝相同厚度的涂層是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到防腐蝕效果的[10-11]。因此，防腐蝕涂裝底漆的厚度一般設(shè)定在70 μm左右，根據(jù)ISO 12944的涂裝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，底漆的涂裝厚度標(biāo)準(zhǔn)為40～80 μm，這個范圍內(nèi)的厚度并不適用于鋼結(jié)構(gòu)的任何一個部位。在潮濕程度不顯著的地方，可以適當(dāng)降低富鋅底漆的厚度，利用中間層的高厚度來補(bǔ)充底層的材料。防腐蝕涂層的其他層更加注重涂抹范圍和施工成本，只要保證涂層的厚度在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計范圍內(nèi)即可，且滿足涂層內(nèi)部的壓力，不會出現(xiàn)鼓包、凹陷等缺陷。為了進(jìn)一步延長防腐蝕涂層的防腐蝕年限，還可以在第1體系涂層膜風(fēng)干后進(jìn)行第2體系涂層的施工，不斷持續(xù)以上操作，保障最終的鋼結(jié)構(gòu)外表層涂層厚度平均可達(dá)320 μm[12-13]。涂裝步驟為第1道底漆干燥5～6 h后進(jìn)行刮涂，刮涂過程中采用低彈環(huán)氧樹脂膠泥找坡平整；然后將防腐蝕漆干燥1 d進(jìn)行第2次刮涂。利用高強(qiáng)柔韌耐腐蝕漆抹涂第1道，在干燥8 h后抹涂第2道，重復(fù)干燥和抹涂至第4道，干燥1 d后最后驗(yàn)收。

3 潮濕環(huán)境中的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝技術(shù)

本設(shè)計的防腐蝕涂料以軟質(zhì)膠粘劑為主要形式，能夠承受選煤廠中鋼結(jié)構(gòu)的大幅度振動和硬材料的刮碰。軟質(zhì)膠粘劑選擇了酚醛膠粘劑。在酚醛膠粘劑的設(shè)計中，采用了熱固性酚醛樹脂為基礎(chǔ)原料，在原料中添加一定量的固化劑；然后再將無機(jī)填料融入其中，形成具有粘合力的膠狀物，該防腐蝕涂料的效果體現(xiàn)在環(huán)氧、有機(jī)硅等化學(xué)反應(yīng)元素中，在酚醛膠粘劑中額外增加一定量的環(huán)氧樹脂能夠顯著提升它的抗耐能力，可以作為底漆涂料涂裝在鋼結(jié)構(gòu)上[16]。

另外，還有一種呋喃系膠粘劑，這種類型的膠粘劑融合了大量的硬化劑和填料，使其內(nèi)部的糠醇、糠醛等具有高熱固性能的原料混容交聯(lián)。此類膠粘劑呈現(xiàn)堿性，有著極強(qiáng)的抗壓能力，同時還可以在高溫的環(huán)境下保持性能的穩(wěn)定，這類膠粘劑的設(shè)計主要是應(yīng)用在選煤廠的內(nèi)部工作流程設(shè)備設(shè)施涂裝上。

環(huán)氧膠粘劑更多應(yīng)用在涂裝體系的最外層，作為面漆使用，具有穩(wěn)定的氣密性和收縮性。但這種材料制造成本較高，且需要與其他的涂層配合使用才能發(fā)揮最大效果，所以將其應(yīng)用在各涂層之間的過渡區(qū)域，節(jié)省成本。

聚氨酯膠粘劑是作為涂裝體系中的中間層設(shè)計的。相比于其他的膠粘劑，聚氨酯膠粘劑具有抗剪切的強(qiáng)度和抗沖擊的特性，柔韌性能十分優(yōu)越，能在基材之間形成軟-硬過渡層，不僅粘接力強(qiáng)，同時還具有優(yōu)異的緩沖、減震功能。該膠粘劑干燥速度較快，低溫度環(huán)境下成膜性良好，十分適合應(yīng)用在潮濕環(huán)境下的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)上。聚氨酯膠粘劑的粘合溫度一般控制在50～90 ℃。涂裝技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 涂裝技術(shù)流程Fig.3 Coating technology process

潮濕環(huán)境下選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝技術(shù)的實(shí)施，首先需要對鋼結(jié)構(gòu)的外表面按照GB 8923—1988進(jìn)行打磨處理，使鋼結(jié)構(gòu)表面的噴砂條件達(dá)到Sa2.5級，粗糙程度可以滿足底漆涂料的噴涂。在打磨噴砂工作結(jié)束后應(yīng)用清潔氣體進(jìn)行吹干，然后在鋼結(jié)構(gòu)外表面氧化6 h內(nèi)完成整體的涂裝技術(shù)[18]。

接著將不同層次的涂料分組開封，在涂料使用前充分?jǐn)噭?，并根?jù)涂裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在不同鋼結(jié)構(gòu)的部位使用相應(yīng)的涂裝膠粘劑。在常規(guī)的涂裝技術(shù)下，還可以在涂料中添加少量的鋅稀釋劑，添加后的涂料可以延長攪拌周期，從而提升工作效率。涂料涂裝的大部分施工最佳環(huán)境溫度在-5～35 ℃，空氣濕度在98%以下，涂層與涂層之間的施工間隔時間為5～6 h。

最后，對外部的其他涂料進(jìn)行裝涂，例如環(huán)氧封閉漆可以作為最外部的雙層面漆，一般會在鋅加涂料涂裝完1 h內(nèi)進(jìn)行，在裝涂的過程中需要實(shí)時保持裝涂環(huán)境。中間層的環(huán)氧云鐵涂料同樣是在底漆涂裝完成后的1 h內(nèi)完成；但是環(huán)氧云鐵涂料的涂裝厚度需要根據(jù)實(shí)時的工作環(huán)境濕度情況確定。其他類型的膠粘劑、面漆等裝涂材料則需要按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)說明書完成施工。

4 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的潮濕環(huán)境中的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝技術(shù)的有效性，選用本文提出的涂裝技術(shù)與傳統(tǒng)的基于外表面凈化的防腐蝕涂裝技術(shù)、基于用鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性的防腐蝕涂裝技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

選用哈拉溝選煤廠Ⅰ區(qū)獨(dú)立鋼結(jié)構(gòu)支架作為實(shí)驗(yàn)對象，在未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，鋼結(jié)構(gòu)都屬于完整結(jié)構(gòu)，不存在腐蝕；同時使用本文防腐蝕涂料和傳統(tǒng)防腐蝕涂料進(jìn)行涂抹，將涂抹后的鋼結(jié)構(gòu)和未涂抹鋼結(jié)構(gòu)放入潮濕環(huán)境，每隔20 d進(jìn)行一次測量，得到的防腐能力測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如下。

4.1 20 d防腐能力測量結(jié)果

第20 d防腐能力測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 第20 d防腐能力測量結(jié)果Fig.4 Measurement results of anti-corrosioncapacity on the 20th day

由圖4可知，未涂抹防腐蝕材料的選煤廠鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較明顯的腐蝕情況，涂抹傳統(tǒng)的防腐材料雖然能夠起到一定的防腐效果；但是防腐能力相對較差。本文提出的防腐技術(shù)具有很強(qiáng)的防腐能力，鋼結(jié)構(gòu)基本沒有出現(xiàn)腐蝕，能夠保持完整。

4.2 40 d防腐能力測量結(jié)果

第40 d防腐能力測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 第40 d防腐能力測量結(jié)果Fig.5 Measurement results of anti-corrosioncapacity on the 40th day

由圖5可知，隨著時間的增加，在潮濕環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)受到的腐蝕越來越嚴(yán)重，基于外表面凈化的防腐蝕涂裝技術(shù)的腐蝕面積越來越大，腐蝕率超過40%?；谟娩摻Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性的防腐蝕涂裝技術(shù)雖然也能夠進(jìn)行抗腐蝕，但也難以控制腐蝕面積的逐漸增大，腐蝕率超過35%。本文提出的防腐蝕技術(shù)仍然能夠保持一個非常好的腐蝕效果，腐蝕率低于1%。

4.3 60 d防腐能力測量結(jié)果

第60 d防腐能力測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 第60 d防腐能力測量結(jié)果Fig.6 Measurement results of corrosionresistance on the 60th day

由圖6可知，在第60 d未涂抹防腐蝕技術(shù)的鋼材料腐蝕率已經(jīng)超過了80%；涂抹傳統(tǒng)的基于外表面凈化的防腐蝕涂裝技術(shù)后，鋼材料腐蝕率已經(jīng)超過了65%；涂抹基于用鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性的防腐蝕涂裝技術(shù)腐蝕率已經(jīng)超過了55%；涂抹本文提出的防腐蝕技術(shù)腐蝕率低于10%，在潮濕環(huán)境下，仍然可以很好地實(shí)現(xiàn)防腐工作。

綜上所述，本文提出的防腐技術(shù)在初期就體現(xiàn)出了極好的防腐性能，且隨著時間的增加，傳統(tǒng)防腐技術(shù)的防腐效果越來越差，面對潮濕環(huán)境，局限性越來越高，被腐蝕的面積也隨之增加。而本文提出的防腐蝕技術(shù)依然具有很強(qiáng)的防腐蝕能力，尤其是在潮濕環(huán)境中，表現(xiàn)出極強(qiáng)的能力，十分適合應(yīng)用在實(shí)際工作中。

5 結(jié)語

防腐蝕涂裝技術(shù)是目前在潮濕環(huán)境下選煤廠鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕措施最有效且成本最低的方式之一，為了適應(yīng)選煤廠的工作環(huán)境，本文設(shè)計的防腐蝕涂裝技術(shù)可以應(yīng)對更復(fù)雜的涂裝環(huán)境，多種類的防腐蝕原料建立了一個完整的涂裝體系，為更多場合的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕工作提供了基礎(chǔ)條件。

但是本文的研究更多是基于材料的選取與配置，在實(shí)際性的施工流程方面還存在一定的缺陷，所以在后續(xù)的研究過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對涂裝技術(shù)的實(shí)際操作流程方面的研究。