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  • 涂料文献:纯环氧型钢筋粉末涂料的研制

    http://www.soutuliao.com  时间:2016/4/27  来源:全球涂料网

       全球涂料网讯:

      【摘要】采用环氧当量在845-900之间的二步法双酚A型环氧树脂同酚类固化剂搭配作为成膜主体研究了固化剂、固化促进剂及填料用量对涂层综合性能的影响,优化了配方,制得了性能优异的纯环氧型钢筋粉末涂料产品,可满足当前国内建筑行业用环氧树脂涂层钢筋的各项性能要求。

        钢筋混凝土结构在现代建筑工程中早已得到了广泛应用,然而在沿海的港口码头、跨海大桥、需要洒盐水防冻解冻的机场及高速公路等设施环境中,由干钢筋混凝土结构自身的特点,不可避免地存在缝隙或空隙,使得具有较强腐蚀能力的海水、酸雨、盐水等慢慢渗入结构中,进一步对钢筋进行锈蚀,降低钢筋的力学性能;更为严重的是,锈蚀所产生的氧化铁皮会产生几十倍的体积膨胀,引起混凝土开裂和保护层剥落,进一步缩短钢筋混凝土建筑的服役寿命,甚至引发严重的灾难性事故。

        对钢筋混凝土结构中的钢筋在使用前进行涂装保护已被证明是目前钢筋混凝土防护的最佳手段,北美地区早在20世纪50年代就开始了该方面的研究。目前一般采用环氧粉末涂料对钢筋进行涂覆,环氧涂层钢筋已被美国、日本、欧洲及远东、中东等国家和地区规定在恶劣环境中的工程必须使用的产品。建筑钢筋的腐蚀间题也引起了国内有关部门和专家的重视,先后出台了JG3042-1997《环氧树脂涂层钢筋》行业标准和GB/T18593-2001(熔融结合环氧粉末涂料的防腐蚀涂装》国家标准。

        国内关于这方面的研究较多,产品也形成了系列化,不同厂家生产的产品具有各自的特点,但大部分都是针对上述2个标准所提出的性能要求而进行的产品设计。

        本研究针对上述标准,结合钢筋涂覆及环氧粉末涂料自身的特点,设计配方及生产工艺,得到了可满足使用要求的纯环氧型钢筋粉末涂料产品配方。

        1、试验部分

        1.1原材料

        环氧树脂GECN704,GESR902,GESR903,GESR904,GESR11907,GESR909,工业级,广州宏昌电子材料股份有限公司;双氰胺,工业级,宁夏贝利特化工有限公司;酚醛固化剂KD-410,工业级,上海国都化工公司;葵二酸二酰肼,工业级,上海卓锐化工有限公司;甲级四氢苯酐,工业级,濮阳环宇化工有限公司;粉末涂料用流平剂、安息香、透气剂、二甲基咪唑(2MI)等,均为工业级,宁波南海化学有限公司;沉淀钡,工业级,上海凤陈粉体材料有限公司;炭黑,涂料级,卡博特公司。

        1.2主要设备

        Φ30型双螺杆挤出机、万能中药粉碎机,ACM磨粉系统、小型静电喷涂设备、冲击试验仪、附着力试验仪等涂料及涂层性能检测设备。

        1.3粉末涂料及涂层制备

        按设计配方称取各组分原料,经万能中药粉碎机充分预混合后通过双螺杆挤出机在设定温度区间内进行熔融挤出,挤出片料经冷却、粉碎、筛分、静电喷涂、热固化成膜,最后对涂膜进行性能侧试。

        2、结果与讨论

        2.1环氧树脂的选择

        传统重防腐涂料的主体树脂大多使用环氧树脂,这是由环氧树脂的分子链结构所决定的,环氧树脂尤其是双酚A型环氧树脂中的羟基具有高极性,可以与金属表面形成化学键,增强了环氧树脂的附着力;分子结构中的醚键提供了优良的抗化学腐蚀性能及弯曲性能;丙烷基和苯环赋予环氧树脂以耐热性和机械刚性。环氧树脂中的环氧基和固化剂中的羟基反应可交联成网状结构;同时环氧固化剂选择范围广、休系的反应活性易于调节。基于上述因素,本文在设计开发环氧涂层钢筋用粉末涂料时也沿用了环氧树脂体系。环氧树脂的合成工艺可以分为一步法和二步法。其中通过二步法得到的环氧树脂具有较窄的相对分子质量分布、较低的氯含量和杂质含量,因而在耐腐蚀、耐化学品性能上更为出色,故本研究主要采用二步法环氧树脂作为研究主体。

        柔韧性能是钢筋粉末涂料的极为重要的性能参数,因此本研究首先对比了由不同环氧当量的环氧树脂制得的涂膜在柔韧性上的区别,以KD410作为环氧固化剂,按环氧基:羟基=1:1的配方比例设计配方;每200g树脂配方中添加20g的沉淀钡作为填料,其余流平剂、安息香、消泡剂等常规助剂按常规粉末涂料配方比例添加,以炭黑作为颜料试验结果如表1所列。

    粉末涂料

        由表1可以看出,环氧当量增加,涂膜的柔韧性增加。这是由于随着环氧当量增加,单位环氧树脂中可参与反应的环氧基数目相对减少,固化反应完成以后所形成的涂膜交联密度也相应降低,韧性增加。以GECN704和GESR903为例,704的环氧当量约为粉末涂料中通用E-12型环氧树脂GESR903的1/4,因此理论上704完全反应后所形成涂膜的交联密度可达到903体系的4倍,表现为涂膜的脆性极强,柔切性很差;随着环氧当量的提高成膜后的涂层交联密度也相应下降,韧性增强;但配方中环氧树脂的环氧当量不宜过高否则涂层的致密程度过低,防腐耐蚀性能不足,由表1还可以看出,环氧当量过高或者过低,涂膜的外观均不好,这是因为环氧当量过低,环氧树脂的黏度和软化点也低,但环氧树脂的反应活性很高,固化反应期间整个体系的黏度短时间内急剧变化而来不及充分流平,导致涂膜外观差,表面出现很多麻点和缩孔;环氧树脂的环氧当量过高,树脂本身的软化点就已经很高,因此在熔融流平过程中体系的黏度一直比较高,在固化过程中很难充分流平,最终导致涂膜的外观橘皮严重;此外,树脂的软化点过高,会给生产带来诸多不便,造成设备损耗严重。基干以上分析,本研究选择GESR904H作为钢筋粉末涂料的配方树脂。

        2.2固化体系的选择

        本研究在此基础上,选择GESR904H作为主体树脂,按环氧基:羟基=1:1的比例添加固化剂,每200g树脂配方中添加20g的沉淀钡作为填料。其余流平剂、安息香、消泡剂等常规助剂按常规粉末涂料配方比例添加,以炭黑作为颜料,对比了不同类型固化剂对涂层性能的影响,结果见表2。

    粉末涂料

        试验结果表明,酸酐体系活性偏低,得到的涂膜外现不佳,同时在挤出和烘烤过程中有小分子放出,一方面导致涂膜产生针孔,另一方面会对人体和环境产生影响,因此不适合作为钢筋粉末涂料的配方组分。而双氰胺、酚类固化剂和酰肼作为固化组分所得的涂层,外观和柔韧性能均能满足要求,理论上均可以作为钢筋粉末涂料配方的固化组分。但是钢筋粉末涂料通常要求涂料具有高温下快速固化的特点,这样有利于提高生产效率和节约涂装成本,因此对于双氰胺类固化剂,虽然微粉化后可以在不添加固化促进剂的情况下实现180-200℃完全固化,但通常其固化时间较长一般在5min以上,因此,如果要满足施工要求,需要添加大量的2-甲基咪唑(2MI)等固化促进剂来提高体系的反应活性,而常见的咪唑类固化促进剂对体系的活性影响很大,一旦分散均匀,会导致产品的反应活性在很大范围内波动、给生产造成不便。酰肼类固化剂具有极高的反应活性,无需添加固化促进剂的条件下都可以实现150℃快速固化,涂膜的耐黄变性和综合性能十分理想,美中不足的是存在一定的毒性,限制了它的广泛应用。而酚类固化剂同环氧树脂的相容性好,反应活性相对较高,添加少量的2MI等固化促进剂就可以大幅度提升休系的反应活性,甚至可以在合成过程中预先添加固化促进剂以便于分散,得到的涂膜综合性能优异,尤其是耐化学品性能极为出色。基于以上因素,本研究拟采用酚类固化剂作为钢筋粉末涂料的配方固化组分。

        2.3固化剂及固化促进剂用量的选择

        不同固化剂用量(羟基/环氧基团物质的量比,下同)对涂层性能的影响见表3。

    粉末涂料

        表3数据表明,固化剂过量较多时,固化后的涂膜交联密度过高,柔韧性能降低,固化剂用量过低,固化后的涂膜交联密度不够,涂层综合性能下降,适宜的固化剂与环氧树脂配比在0.9-1.1之间。从综合成本考虑,固化剂用量为0.9是比较适合的。此外,由表3的试验数据不难发现,固化剂配比在0.7-1.2的范围内,固化剂用量对粉末涂料反应活性(胶化时间)和水平流动的影响几乎可以忽略,此配方条件下,涂膜的反应活性偏小还不能达到环氧树脂涂层钢筋的指标要求,因此必须加入一定量的2MI作为固化促进剂来调节体系的反应性。

        不同促进剂用量对粉末涂料反应活性的影响如图1所示。

    粉末涂料

        由图1可以看出,加人固化促进剂以后,体系的胶化时间开始急剧缩短,随着固化促进剂用量的增加体系的胶化时间不断减小说明活性不断增加,但整体趋于平缓。

        对于钢筋粉末涂料,其喷涂方式一般为:表面处理完毕的钢筋经230-250℃预热30-45min后趁热喷涂,被喷涂的粉末涂料利用钢筋自身的余热完成最后的交联固化,固化完毕的钢筋经冷水浸泡冷却即可送检待用。

        对图1中7个不同促进剂用量的粉末涂料配方按上述涂装方式进行涂装固化。对比了不同固化促进剂用量对涂层性能的影响,结果如表4所列。

    粉末涂料

        表4数据表明,随着固化促进剂用量的增加,粉末涂料的流动逐渐变小;同时涂层的柔韧性能先增加后减小。这是因为在固化促进剂用量较少的情况下,体系的反应活性不够,在标准的钢筋粉末涂料涂装条件下来不及完全固化,因此涂层的综合性能无法达到最佳;随着促进剂用量的增加,体系的活性不断增加,规定时间内基本达到完全固化,当促进剂用量超过2.0g(每200g环氧树脂,下同)后,体系存在过度固化的情况(2MI本身也可以参与交联反应),反而降低了涂层的整体性能。通过表4的系列试验,本研究认为促进剂用量在0.5-1.0g之间是比较适合的。

        2.4填料用量的确定

        在粉末涂料配方中,无机填料虽然一般不参与反应,但对于降低配方成本能起到非常关键的作用。填料含量不能过高,否则容易降低涂层的整体性能,尤其是涂层的柔韧性对于钢筋粉末涂料而言,涂层的柔韧性能是非常关键的因素,因此本研究需要确定配方中的最佳填料用量。不同填料用量对粉末涂料涂层性能的影响见表5。

    粉末涂料

        由表5可知,随着填料含量的增加,涂层的柔韧性能相应下降,填料添加量不超过40g的情况下,得到的涂膜可满足柔韧性能要求,而在填料含量不超过20g的情况下,得到的涂膜柔韧性能更为优异,可以通过更大弯曲角度的柔韧性能测试。

        2.5钢筋粉末涂料主体配方的确定

        综上所述,应用于环氧涂层钢筋的纯环氧型粉末涂料的主体配方如表6所列。

    粉末涂料

        由表6所制得的粉末涂料产品喷涂于钢筋后的效果如图2所示。

    粉末涂料

        本配方产品经中石油管道分公司管道科技研究中心试验技术测试所检测可满足JG3042-1997中关于环氧粉末涂料的相关指标要求。涂层各项技术指标如表7所列。

    粉末涂料

        3、结语

        本文通过采用较高环氧当量的二步法环氧树脂同酚类固化剂搭配,通过2甲基咪唑来调节反应速率,控制无机填料添加量,制得了纯环氧型钢筋粉末涂料产品。可满足当前国内建筑用环氧涂层钢筋的各项性能要求,同时高环氧当量型环氧树脂的引人,在一定程度上能延长具有高反应活性的纯环氧粉末涂料产品的存贮周期,因而具有较大的实用价值和推广意义。(来源:全球涂料网)(更多资讯请登录:全球涂料网 http://www.soutuliao.com/

     

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