抗阴极剥离的重防腐环氧粉末涂料配方研究

抗阴极剥离的重防腐环氧粉末涂料配方研究

梁平辉，胡世红，苏浩

(常熟佳发化学有限责任公司，江苏常熟215533)

摘要：分析了影响环氧粉末涂料阴极剥离行为的因素，从提高涂层耐碱性介质侵蚀能力与对基材附着力入手，研制了具有较高交联密度与适度柔韧性的环氧树脂与固化剂，并进行了粉末涂料配方试验，试验结果表明研制的粉末涂料可满足较高温度条件下长时间阴极剥离要求。

关键词：环氧树脂；粉末涂料；阴极剥离；重防腐

0引言

为了保证埋地金属管道在恶劣环境下的长期可靠运行，除采用防腐效果好的厚涂层环氧粉末涂料、并外加机械强度高的聚乙烯保护层进行保护，尽量减少运输施工过程可能出现的机械损伤外，还采用阴极保护的办法，管道开始腐蚀时，先腐蚀外挂的牺牲金属阳极而使管道免受腐蚀。因此，有机涂层与阴极保护措施相结合是目前埋地管道重防腐所采用的主要方法。但采取阴极保护措施对有机涂料性能带来了新的要求，因为在电化腐蚀环境下，如果涂层的抗阴极剥离能力低，将出现涂层降解开裂，失去防腐作用。阴极保护条件下的电化学腐蚀速率与使用的温度环境有很大关系，温度越高，腐蚀速率越快，一方面埋地管道所使用的环境温度相差很大，如在夏季高温区域，沙漠地带，地表温度本身就很高；另一方面，要考察抗阴极剥离能力的持久性，也需要在较高温度条件下进行加速考察。为了保证阴极保护的可靠性，石油天然气管道设计部门从2007年开始要执行新的涂层抗阴极剥离检验标准，将原有标准1.5V保护电压下，室温28天或65℃48h，修改为1.5V保护电压下60℃，30天。标准的提高，使原有粉末涂料不管是单层还是三层都不能达到要求。所谓涂层的阴极剥离，是指在使用环境中，当水、氧、离子等渗入涂层后，在阴极保护条件下的有机涂层逐渐丧失屏障保护作用，产生起泡开裂的现象。阴极剥离发生的原因目前尚未完全清楚，一般认为涂层阴极剥离的发生与阴极反应造成的局部碱环境有关，但也有另一种可能机制，即涂料涂覆前已存在于钢基表面的氧化膜(厚度为几纳米)及该膜与有机涂层界面在阴极极化条件下发生变化而导致剥离。周钟，等[1]比较了一种常温固化的环氧涂层、一种环氧型与一种酚醛改性环氧型融熔结合型粉末涂层的耐NaCl、NaOH及在3%NaCl水溶液介质中的阴极剥离行为后认为，由阴极反应产生的碱性环境造成聚合物降解是导致涂层阴极剥离的主要因素。提高涂层的耐碱性介质的能力，可明显提高涂层的抗阴极剥离性能。另外涂层与基体金属的附着力对阴极剥离速度也有一定的影响，提高附着力在一定程度上也可以提高涂层的抗阴极剥离性能。根据已有文献提供的基本思路，为了对影响粉末涂料阴极剥离行为及其影响因素作进一步探讨，对粉末涂料中影响涂层性能的主要树脂与固化剂的组成与抗阴极剥离能力的关系进行研究，研制了两种具有良好抗高温长时间阴极剥离的环氧树脂与固化剂，依此为原料进行粉末涂料制备与喷涂试验，取得了较好效果。

1实验

1.1实验原料

环氧树脂：E-12-CF(水洗法生产酚醛改性环氧树脂，环氧值0.11～1.13，软化点85～88℃)、JECP-01A、JENP-02A(酚醛环氧树脂，环氧值0.11～0.13，软化点85～95℃)、E-10R、GR-10E(柔韧性环氧树脂，环氧值，0.08～0.12，软化点82～87℃)：常熟佳发化学公司；903(二步法生产，环氧值0.11～0.14，软化点90～96℃)：广州宏昌电子材料有限公司；固化剂：JECP-01B(羟基当量200～210，软化点82～86℃)、JECP-05B(羟基当量200～210，软化点90～100℃)：常熟佳发化学公司产；二氧化钛(R920)：杜邦公司；硫酸钡(400～600目)：宜昌恒大化工公司；云母粉(400～100目)：安徽滁州万桥绢云母粉厂；流平剂(801)：常熟佳发化学公司；安息香：安徽黄山盛龙化工厂。

1.2实验条件与方法

1.2.1粉末涂料制备

将环氧树脂、固化剂、颜填料及其他助剂在高速混合机充分混合均匀然后在螺杆挤出机进行挤出，挤出机1区温度为100℃，2区温度为90℃，转速900r/min。挤出后的片状物在磨粉机中进行磨粉，然后进行筛分，获得规定粒径的粉末涂料。

1.2.2粉末喷涂与固化(涂层制备)

按检测标准要求将待检测样板进行喷砂除锈处理，预热200～230℃，静电喷涂至规定厚度，在220～230℃固化3min，水冷后待检测。

1.2.3涂料与涂层性能检测

采用法国赛特拉姆DSC热分析仪测定粉末涂料的反应放热特性，并用动力学方程计算不同温度的固化时间，按SY/T0315—2005表2要求检测胶化时间、密度、粒径分布、磁性物含量等指标。按SY/T0315—2005规定方法检测附着力、-30℃，3°弯曲；(60±2)℃，1.5V 耐阴极剥离。

2结果与讨论

在阴极保护检测试验条件下，腐蚀介质达到金属表面可从两种形式实现，一是从径向通过扩散作用直接透过有机涂层，二是通过阴极剥离试验时所钻孔处涂层与金属的接合面从法向向内部侵蚀使剥离面积扩大。腐蚀速率既取决于涂层的耐腐蚀能力，也取决于溶液的电导率，阴极剥离试验中的NaCl稀溶液具有很高的电导率，如果腐蚀介质达到金属表面，则电化学腐蚀可以较快的速度进行[3]：

阳极：

阴极：

根据上述阴极剥离机理，要提高涂层抗阴极剥离能力，一方面要增加涂层抗介质渗透能力，使腐蚀介质不易穿过涂层达到金属表面；另一方面则需提高涂膜对金属表面在湿态条件下的附着力，前者可通过增加涂层聚合物交联密度或添加对腐蚀介质有好的阻挡作用的填料与助剂加以强化，后者可通过选择具有一定的柔韧性、耐热性、一定极性基团的聚合物来增强涂层与金属基体的附着力，通过表面处理增加涂层与金属的结合力来实现。因此，抗阴极剥离能力的提高应从有机涂层的分子结构、合适的颜填料配方及表面处理组合这三方面进行，其中涂层的成膜物质具有更重要作用，在实验研究中进行了重点考察。

2.1环氧树脂的影响

针对3PE防腐层结构，粉末层喷涂厚度在150μm左右，选择JECP-01B作为固化剂、颜填料及其他助剂不变，基本配方组成见表1。

表1粉末涂料配方

表1粉末涂料配方

改变不同种类环氧树脂制备粉末涂料，测定涂层附着力、抗冷弯与阴极剥离情况如表2。

表2不同环氧树脂对涂层性能的影响