熔结环氧粉末涂料

熔结环氧粉末涂料
Fusion Bonding Epoxy Powder Coatings
天津瑞远粉末涂料有限公司
毕学振
摘要：FBE是指热固性重防腐环氧粉末涂料。

文章详细介绍了FBE的防腐机理、类型、施工工艺、涂层结构和应用领域，阐述了熔结环氧粉末在各种管道防腐涂装中的重要作用。

1 前言
热固性重防腐环氧粉末涂料又称熔融结合环氧粉末涂料，简称熔结环氧粉末，是一种以空气为载体进行输送和分散的固体涂料，将其施涂于经预热的钢铁制品表面，熔化、流平、固化形成一道均匀的涂层，故得此名，英文名称Fusion Bonding Epoxy Powder Coatings，
简称FBE。

熔结环氧粉末的每个颗粒都均匀地包含所有组成成分，使涂敷的操作过程以及形成的涂层都具有连续稳定的均匀性。

熔结环氧粉末涂装过程无三废污染，是一种环保型涂料，国外最早开发于上世纪50年代，在60年代实现了工业化生产。

由于FBE具有优良的机械性能、抗腐蚀性能和耐久性能，所以被广泛应用于陆上、水下、海底等管线的防腐涂装，为处于各种环境中的管线长期低维护运行提供了可靠的保证。

40多年来，经过不断的发展完善，这项技术已经走向成熟。

迄今为止，全球已有20余万公里以上的管道使用了熔结环氧粉末，铺设于世界各地——从陆地到海洋，从城市到乡村，从赤道到极地，从平原到山地、河流、湖泊，从西伯利亚草原到非洲沙漠，从美洲大陆到中东海湾，都有熔结环氧粉末的应用实例。

熔结环氧粉末涂层能够在各种极端的气候条件和苛刻的机械应力作用、化学介质侵蚀的环境中得到广泛应用，足以证明熔结环氧粉末涂层是一种可靠的保护涂层，经得起实践和时间的考验。

我国熔结环氧粉末技术起步较晚，上世纪80年代才开始引进国外先进的环氧粉末及工艺、设备。

天津瑞远粉末涂料有限公司在国内率先推出了重防腐系列环氧粉末涂料，打破国外产品的垄断，在国家许多重点工程上得到应用，取得了明显的经济效益和社会效益，特别是在一些国家重点工程中，瑞远公司占据了重要地位，产品应用现场反应良好，不仅保证了工程顺利进行，而且为国家节约了大量工程投资。

2 FBE的优良特性
1）涂层具有良好的抗化学品性、抗溶剂性，能够抵御被传输介质中的H2S、CO2、O2、酸、碱、盐、有机物等物质的化学腐蚀，并能长期接触含盐地下水、海水、土壤中微生物产生的各种有机酸等腐蚀物质；
2）涂层坚韧耐磨，抗冲击性及抗弯曲性优良，与钢管之间有极佳的附着力，能有效防止施工中的机械损坏及使用过程中的植物根系和土壤环境应力的损坏；
3）涂层具有良好的绝缘性，能在阴极保护作用下抵抗化学腐蚀，达到长期保护的目的；
4）涂层具有很高的玻璃化温度，应用温度范围宽，能在–30～100℃之间保持最佳性能；
5）FBE施工方便、无需底漆、固化迅速，可流水线作业，涂装效率高；
6）管道检测和修补简便，涂层质量容易控制。

3 FBE的分类
1）按使用方法可分为：管道内喷涂用粉、管道外喷涂用粉、管道内外通用粉。

管道外喷涂用粉又分为：单层粉、双层粉、三层结构防腐用粉；
2）按用途可分为：石油天然气管道用粉、饮用水管道用粉、消防管道用粉、煤矿通风管
道用粉、化工管道用粉、石油钻杆用粉、管件用粉、船舶管道用粉。

3）按固化条件可分为：快速固化、普通固化两种类型。

快速固化粉末的固化条件一般为230℃/0.5~2min，主要用于管道外喷涂或三层防腐结构，由于固化时间短，生产效率高，适合流水线作业；普通固化粉末的固化条件一般为230℃/5min以上，由于固化时间长，涂层流平好，适用于管道内喷涂。

4 FBE的防腐机理
重防腐改性环氧粉末涂料之所以有上述优良特征，与原材料的正确选用和加工工艺是分不开的。

1）重防腐粉末涂料的基料是改性环氧树脂，它的结构中含有高极性和活性的环氧基，能与金属表面形成化学键且有很强的附着力，固化剂采用胺类和酚类物质，属于加成固化反应，没有小分子挥发物放出，不会形成针孔而影响涂膜防腐性，这对防腐涂料是非常重要的。

2）普通环氧树脂结构中，环氧基只在端基上，因此涂膜交联密度低，具有很好的柔韧性，但防腐性、耐高温性很差。

FBE粉末使用的环氧树脂是酚醛改性环氧，即在双酚A环氧树脂的基础上引入部分苯酚甲醛或甲酚甲醛环氧树脂，这两种树脂是多官能度热塑性酚醛环氧树脂，反应性很强，涂膜具有优异的耐热性、耐化学品性及很高的玻璃化温度和硬度，但交联密度大，屈挠性较差，须与双酚A环氧树脂掺混，以生产出既有屈挠性又兼顾防腐性的粉末涂料。

酚类固化剂是带有酚羟基的线性酚醛树脂或多官能邻–甲酚甲醛树脂，线性酚醛固化剂的结构和玻璃化温度与双酚A环氧树脂相似，能与环氧树脂很好溶合，并有很好的颜填料润湿性。

此固化剂高温下与环氧树脂反应性极强，形成的涂层柔韧致密，具有良好的物理及化学性能，适合长输管线的防腐。

邻–甲酚甲醛树脂是一种多官能度的固化剂，与酚醛改性环氧树脂结合将得到非常好的抗高温、抗化学品性，适合石油钻管、消防管道的防腐。

3）重防腐环氧粉末涂层固化后不会生成酯键，所以不会产生逆反应而降低防腐效果。

4）FEB粉末一般选择经表面处理的钛白粉、铬绿、铁红等无机颜料。

这些颜料除具有很好的防腐性能外，对涂膜与钢管之间的气泡有很好的消除作用，考虑到阴极保护，颜料的选用应尽量避免磁性及导电性物质的引入。

填料主要有超细石英粉、云母、硅灰石等惰性功能填料，适当加入有利于降低涂膜的收缩和膨胀系数，并使涂层防腐性能大大提高。

填料一般要用偶联剂处理，偶联剂分子一端与无机填料连成一个整体，提高了涂层的致密性及附着力，降低了吸水性，增强了耐盐雾、耐海水及耐阴极剥离的能力。

5）重防腐粉末涂料一般应加入不同种类的助剂，以调整加热融化时的流变学性能、胶化时间，消除膜内及界面气泡，并提供良好的耐水、耐热、导静电、抗流挂等性能。

6）重防腐粉末涂料与普通装饰型粉末涂料相比加工工艺复杂，生产条件要求严格，而且粉末涂料要经过表面处理，这样可以防止粉末堵枪、拉丝、结块、老化等现象而不致影响粉末的施工性和贮存性。

5 FBE粉末的施工工艺
FBE粉末的涂敷方法主要有：静电喷涂法、热喷涂法、抽吸法、流化床法、滚涂法等。

管道内涂敷一般采用摩擦静电喷涂法、抽吸法或热喷涂法；管道外涂敷一般采取静电喷涂法；异型件采用流化床法或静电喷涂法。

这几种喷涂方法都有一个共同特点，即喷涂之前需要将工件预热到某一温度，使粉末一接触即熔化，余热应该能使涂膜继续流动，进一步流平覆盖整个钢管表面，特别是在钢管表面的凹陷处，以及焊缝两侧，熔融的涂料流入填平，使涂层与钢管紧密结合，最大限度减少孔隙，并在规定时间内固化，最后用水冷却终止固化过程。

5.1 外涂单层熔结环氧粉末的施工工艺
1）预热钢管，去除表面杂物，疏松氧化皮；
2）进行喷砂或抛丸处理，使钢管达到金属白色，一般锚纹深度控制在50～100μm，然后清除表面灰尘；
3）经过表面处理的钢管采用无污染的热源均匀加热。

一般利用中频线圈加热钢管（即电感应加热，钢管通过载有交变大电流的线圈所形成的交变磁场产生涡流加热），加热温度可根据生产速度、管壁的厚薄以及希望的涂层胶化、固化时间进行调整，一般控制在180～250℃之间，以230℃为宜；
4）环氧粉末先在流化床内充分流化，然后通过静电喷枪使粉末颗粒带负电，均匀地粘附在经预热的接地钢管表面。

粘附在预热钢管表面的环氧粉末受热熔化并流动，进一步流平覆盖整个钢管表面，特别是覆盖在钢管表面的凹陷处，以及焊道两侧，熔融的涂料流入填平，使涂层与钢管紧密结合，最大限度减少孔隙。

流平后的涂层进一步胶化、固化。

根据不同的生产速度，以及对胶化、固化温度、时间的要求，有不同类型的粉末与之相对应。

固化时间一般为1～1.5min。

涂膜厚度普通级300～500μm，加强级可达到700μm；
5）浇水冷却，终止反应；
6）当温度降到90℃以下时，进行涂膜性能检测（如图1所示）。

图1 单层外涂熔结环氧粉末的施工工艺
5.2内涂熔结环氧粉末的施工工艺
内涂工艺与外涂工艺类似，前处理工艺基本一致，只是内抛丸工艺不能实现，一般采用内喷砂工艺，加热方式有电炉加热、燃气炉加热、中频加热等，涂覆方法有代表性的有喷涂法和真空吸涂法两种：
1）、内喷涂
图2 内喷涂示意图
2）、真空吸涂
真空吸涂法一般用于小口径管道和弯管的内壁涂装。

内壁吸涂工艺流程如下（如图3所示：
真空吸涂属于热涂敷技术。

粉末与空气混合后进入管道内，它与高温管壁接触时熔融粘附于管壁表面。

抽吸过程中气流带走管壁部分热量使其温度下降，粉末粘附量也随之减少，甚至粘附不上。

因此管道预热温度的高低对涂膜厚度影响很大。

吸涂时涂膜厚度随供粉量增大仅略有增加。

由于真空吸涂时粉末涂料总是过量供给，多余粉末被抽入回收装置，因而粉末过量多与少对厚度影响不大。

涂膜厚度对供粉时间十分敏感。

在同等条件下供粉时间越长涂膜越厚。

吸涂施工过程中，管道温度因散热、粉末吸热和抽吸气流带走的热量使其不断下降。

当管壁温度下降到难以熔粘粉末时，即使供粉时间再长涂膜厚度也不可能增加。

在生产施工中，随着管径大小、批量大小、生产节拍等因素的变化，应该相应调整有关工艺参数来获取满意的涂膜。

图3 真空吸涂示意图
5.3三层防腐结构及工艺
1）三层防腐结构组成包括：熔结环氧粉末底层、聚合物胶粘剂中间层和聚乙烯面层（如图4所示）。

图4 三层防腐结构示意图
其中环氧底层的作用是形成连续的涂膜，通过与钢管表面粘结、固化而提供良好的附着力，并具有很好的耐化学品性和抗阴极剥离能力。

聚合物胶粘剂的作用是在粉末涂料胶化之
前与之融合，并与外面的聚乙烯层粘结，使三层连成为一个整体，最外层一般选用中高密度聚乙烯（国外也有使用聚丙烯），这样三层防腐结构综合了环氧粉末的附着性、防腐性与聚乙烯层的耐候性、抗机械损伤性，弥补了各自的缺点，从而大大提高了涂层的使用寿命，是目前我国大型管道工程上首选的涂层。

三层PE结构防腐层从1995年在库鄯线、陕京线应用以来，客户反映是国内所用过的最好的覆盖层。

但有一种观点认为：三层PE结构覆盖层破损后，由于聚乙烯具有较好的绝缘性和耐水性，可阻碍阴极保护电流的通过而形成屏蔽，阴极保护作用不能很好发挥。

目前我国应用中对此观点尚未重视。

三层PE结构防腐层造价相对较高，是其缺点之一。

西气东输主管线基本都是选择三层PE作为外防腐层。

2）施工工艺（侧向缠绕法）如下：
—前处理与熔结环氧单涂层相同；
—用静电喷涂法将熔结环氧粉末均匀涂敷在钢管表面，厚度60~150μm；
—在其胶化前将胶粘剂涂于粉末层上；
—将挤出的粘流态聚乙烯带侧向缠绕于胶粘剂之上，并辊压使之与胶层牢固结合，这样三层连接成为一个整体。

5.4双层熔结环氧粉末结构及施工工艺
1）双层熔结环氧粉末的结构
双层熔结环氧粉末体系是由两种不同的熔结环氧粉末在喷涂过程中一次喷涂成膜完成的，底层为普通单层环氧粉末层，提供防腐性及附着力；外层为增强型，提供抗机械损伤性能，两层中间是混合层，因为两层的基料具有相同的分子结构，所以具有较好的相容性，可形成一个有机的整体，不会产生层间分离现象（如图5所示），整个涂层整体厚度在625～1000μm之间，使用温度可达115℃，可适用于各种管径的钢管防腐涂装。

图5 双层熔结环氧粉末涂层结构示意图
双层熔结环氧粉末防腐体系具有以下优点：与基材粘接强度大，抗阴极剥离性能好，吸水率小，使用温度范围大，综合性能与三层PE防腐涂层相当，耐划伤性优异，补口也用双层FBE，相容性好，操作方便，质量控制容易，覆盖层表面光滑，可避免阴极屏蔽问题，与阴极保护体系的匹配性比三层PE结构更好。

这是一种国际上新研制出的覆盖层，最适于穿越地段和腐蚀比较强的地段使用，双层熔结环氧粉末防腐体系的缺点是造价较高。

“西气东输”拟在淮河以南的水网地区和河流、铁路、公路等穿越地段使用。

2）涂敷工艺
双层熔结环氧粉末涂层的涂敷工艺比3PE简单，只在原有的单层熔结环氧粉末喷涂设备
的基础上进行微小改造即可，即把喷枪分成三组，第一组喷涂底层粉末，第二组喷涂外层粉末，第三组喷涂回收粉末，喷涂粉末可单独回收，也可一起回收（如图6所示）。

图6 双层外涂熔结环氧粉末的涂敷工艺示意图
单层外涂FBE耐划伤性能比较差，可施工性受到影响。

为了完善这一体系，克服上述不足，着重在FBE材料改性上做文章，提出了双层FBE涂层防腐体系，即以标准的FBE涂层为底涂层，以改性的FBE涂层为外防腐层。

这种双层FBE涂层防腐体系，进一步提高了机械性能，增强了涂层的抗冲击、耐划伤、耐高温等能力以及高温抗渗透性，同时保持了单层FBE涂层与阴极保护的相容性能，不会产生阴极保护屏障。

整体涂层的厚度在525~1000μm 之间，最高使用温度达115℃，可适用于各种管径的钢管、弯头、异型件及补口的防腐涂装。

5.5大口径管道内FBE外PE涂覆
国内大口径给排水管道防腐一般采用内FBE外PE涂覆，这样防腐的管道内涂层致密、光滑，附着力好，外涂层坚韧，抗磕碰，便于操作。

一般内FBE外PE涂覆，先涂外层PE，采用瀑布滚塑法，处理好的管道加热到250℃左右，以瀑布下泄的方式涂到旋转的管道表面，等管道温度下降到230以下再喷涂或滚涂环氧粉末于管道内壁，然后靠余热固化。

需要注意的是：熔结环氧粉末涂料是热固性涂料，涂装后，不但要流平，而且要完全固化，也就是要发生一系列化学反应，形成立体网状结构的大分子，这需要在一定温度下，保持一段时间，使之完全反应和熟化，如果没有完全反应，固化百分率达不到95%以上，则涂层的物理、化学性能不能实现，涂膜中的树脂还是脆的预聚体，没有强度和耐性，更谈不上对钢管的保护，这一点在熔结环氧粉末的使用中是非常重要的。

6补口
管道连接方式有许多种：法兰连接、焊接、丝扣连接、卡箍连接等，其中焊接管道的接口处需要补口，防腐预制的管道管端要预留5-10公分不涂覆，国外叫做“剪尾”，因为将来焊接时也要受高温而损坏，焊接后接口部分还要防腐，叫做补口。

根据相似相容的原理，补口材料要用与预制管道防腐相同的材料，如果预制管道是用FBE涂覆的，那么补口材料也要用环氧材料，如：环氧粉末或液体双组份环氧漆。

在施工现场用环氧粉末补口有一定难度，补口用的最广泛的是液体双组份环氧漆，这是一种100%固体含量快速固化双组份液体环氧涂料，分A、B两个组分，用于管道防腐涂层漏点和较大面积缺陷区的防腐和修补，也可用于管道补口及内涂减阻涂层的涂装和修补，使用时把A、B组分按一定比例准确称量加入容器中，
充分搅拌均匀后，可立即涂敷，勿需熟化。

视环境温度，湿度，配料量的多少，决定B组分的多少。

如:温度低，湿度大，B配料量大一些，反之B配料量小一些。

双组份环氧漆涂覆方便，固化速度，快适合施工现场使用，而且与环氧粉末涂层性质相似，能够完全融合在一起，不会发生分层、脱落，是目前单层FBE层补口的较好方式。

PE或3PE管道补口，一般用热收缩套，因为化学结构相同，所以补口效果很好。

7 熔结环氧粉末涂料的应用领域
FBE有许多种类，性能指标也有很大差异，由于输送介质和使用条件不同，各种管道要根据实际情况选用不同的粉末涂料，正确选用粉末涂料品种和合理使用同等重要。

FBE主要应用领域有：
1）石油、天然气管道
2）给排水管道、消防管道
3）化工管道
4）架空管道
5）煤矿通风管道
8 结语
静电粉末喷涂作为一种涂敷工艺，以其极高的生产效率(Efficiency)、优异的涂膜性能(Excellency)、良好的生态环保性(Ecology)和突出的经济性（Economy）征服了整个涂料领域，从而享有“4E涂料”的美誉，而熔结环氧粉末作为其中的一支——功能型粉末涂料，在管道领域更是扮演着重要角色。

水、石油、天然气管道工程是百年大计，一切都应从高起点、高规划、高标准出发，这关系到人民群众的生命财产安全，关系到中国未来几十年的发展，所以需要材料生产厂家、研究部门、设计部门、使用部门、监理部门共同努力，根据最终用途合理选择粉末、正确使用粉末，对影响质量的每一个环节都要充分考证、严格把关，并借鉴国外先进的技术和成熟的经验，结合国内的实际情况具体应用，科学规划，周密选材，合理施工，认真检测，严格监理，以确保各项工程的施工和运行万无一失。