钢桩用粉末涂料的研制与应用
摘要：通过对环氧树脂、固化剂、助剂、颜填料的选择，精确设计配方，反复调整试验配方，结合施工工艺，现场应用，研制生产了符合要求的钢桩外防腐熔结环氧粉末涂料。
海洋不仅是巨大的资源宝库，而且是人类生存与发展不可缺少的空间环境，是解决人口剧增、资源短缺、环境恶化3大难题的希望所在。随着我国经济实力的不断提高及沿海地区经济快速发展的需要，作为经济发展基础设施的跨海大桥和临海大桥不断兴建。资料显示，我国已建和在建的跨海大桥数量不少，它所带来的经济收益将远远超过建桥本身。例如，作为国内第一座跨海大桥。上海东海大桥使上海人的活动半径向大海延伸了30多公里，这是历史性的突破。同时，上海南汇、奉贤等地区也由此成为上海制造业的新高地。再如杭州湾跨海大桥的建设，完善了长江三角洲区域公路布局及国道主干线，缓解了沪、杭、两高速公路自流量的压力，有利于杭州湾地区城市主动接轨上海。扩大开放，推动了长三角地区的合作与交流。由于钢材的强度高，韧性好，容易加工，质量也容易保证，这些优点推动了钢铁在海洋港湾设施上的大量应用。作为跨海大桥的支架，海洋环境下，腐蚀是其致命的弱点。钢铁材料在海洋中的耐蚀性能较差，影响了钢构物的使用寿命，并直接影响大桥的使用安全。由于跨海大桥是建在环境相当恶劣的海洋环境中，因此，海洋大气严重的盐雾腐蚀是跨海桥梁设计和建造过程中必须重视的课题。为了确保安全和节省维修费用，应该据跨海桥梁的类型、结构、材料、尺寸和地理位置，为钢结构的腐蚀防护设计合理的防腐蚀涂装方案。
本项目是在原有双层环氧粉末研究技术成果的基础上，根据钢桩应用环境的特点及所要求的涂层特性，进行地一次配方技术改进。
钢桩粉末涂层性能特点
底层：
具有极强的水煮附着力和良好的抗弯曲性；
涂层坚韧耐磨，抗冲击和抗划伤性能好，能抵扰土壤的应力；
涂覆方便，固化迅速；
能在较大温度范围内起到保护作用，并具有长效持久的防腐效果；
具有优良的抗阴极剥离性能，抗化学和电化学腐蚀，耐水、酸、碱、盐。
中间层（若需要）：
具备一定的弹性功能，吸收和缓释能量；
具有卓越的耐化学品性、防腐蚀性和绝缘性、耐溶剂性、耐阴极剥离性、流平性和附着力，以及柔韧性，抗冲击性等机械性能。
面层：
与前面的涂层同时施工，一次成型；
涂层具有优异的抗磨、耐冲刷、抗冲击和抗划伤性能，卓越的耐化学品性、防腐蚀性、绝缘性、耐溶剂性、流平性和附着力以及柔韧性等机械性能；
涂层坚韧耐磨，抗冲击，能抵抗土壤的应力；
具有一定的耐候性。
按照以上标准要求，通过对环氧树脂、固化剂、助剂、颜填料的选择，精确设计配方，反复调整试验配方，结合施工工艺和现场应用，研制生产出了符合要求的钢桩外防腐层熔结环氧粉末涂料。
1实验部分
1.1 树脂的选择
环氧树脂具有力学性能好、粘结性能高、固化收缩率低、综合性能优异等特点，广泛应用于防腐领域。环氧树脂的类型及相对分子质量对涂料性能的影响很大，双酚A型环氧树脂分子中含有极性高的脂肪族羟基和醚键。使其对底材具有较高的浸润性和粘附性，而且耐化学品性能也高，又因其结构为刚性的苯环和柔性的烃键交替排列，从而赋予了涂膜较好的物理机械性能。为了提高涂层的耐高温渗透性和附着力，在设计底层粉末涂料配方时，没有采用普通的双酚A型环氧树脂，而采用了中等相对分子质量的改性环氧树脂1为成膜物质。该改性环氧树脂1的醚键和C-C键使其大分子具有柔顺性。苯环赋予聚合物耐热性和刚性，异丙基也赋予大分子一定的刚性。改性环氧树脂1具有柔韧性长链结构，赋予涂层良好的抗冲击性，其结构如式(1)。
在设计面层粉末涂料配方时，为了提高涂膜附着力、硬度和耐化学腐蚀能力，在配方中加入了一定量的特种改性环氧树脂2与改性环氧树脂1搭配，该树脂分子结构中不但含有较多的苯环和羟基，而且有较长的柔性链。与相应固化剂有极好的相容性，反应活性高，有极强的粘附力，可快速固化，交联密度高，抗介质渗透能力强，涂膜具有卓越的刚性、耐湿热性、耐化学品性、耐溶剂性、耐阴极剥离性和抗冲击性等机械性能，其结构如式(2)。
在特种改性环氧树脂2的加人量过大时，虽然会明显提高涂膜的硬度、耐热性、耐磨性和耐化学腐蚀性能，但也会导致涂膜的脆性大，影响涂膜低温弯曲性能。对两种树脂进行了多个不同配比的配方方案试验，根据试验结果最终确定了两种树脂的合理搭配比例。
1.2 固化剂的选择
环氧树脂确定后，固化剂的性能决定了粉末涂料的防腐性能。底层环氧粉末涂料从开始使用的癸肼、酚醛树脂作为固化剂，到以高分子酚类化合物作为固化剂，经大量试验证明，后者效果最好。高分子酚类固化剂其结构如式(3)。
从其分子结构可以看出。它其实是以酚羟基封端的长链状树脂，与环复树脂具有相似的结构。从其合成机理来看，实质上是用双酚A与低相对分子质量环氧树脂在催化剂存在下反应，生成高相对分子质量环氧树脂，然后再与过量双酚A反应，生成含羟基的化合物。因此，用作环氧粉末涂料的固化剂时，与树脂具有更好的混容性。而且部分游离的双酚A在参加反应时就相当于双官能团的树脂，其活性较大，易引起环氧基的开环反应，同时也提高了交联密度。所以，高分子酚类固化荆具有很高的反应活性，所得的涂膜具有极高的光泽度、优异的防腐性能和机械性能。
高分子酚类化合物固化环氧粉末涂料固化机理较复杂，主要如式(4)一式(5)所示：
(1) 酚羟基与环氧基的醚化反应：
(2) 仲羟基与环氧基的醚化反应：
固化机理表明，固化过程中无小分子物放出，涂层表面不存在“爆泡”等弊端，不会因为涂层厚度增加而导致性能下降。另外，固化剂中含有大量--0H，大大促进了对基体的附着力。通过大量的试验证实，这种酚类固化剂固化的管道粉末涂料在平板或管道外壁的水煮附着力及-30℃抗3°弯曲性能非常优秀。
面层粉末涂料固化剂选用的是多官能团功能固化剂，这是一种新型含多种官能团的合成树脂类固化剂，可与多种固体环氧树脂配伍，具有极好的混熔性，反应活性极高，可快速固化，有极高的交联密度，赋予涂膜卓越的耐腐蚀性、耐化学品性、耐溶剂性，以及良好的流平性、柔韧性和优异的附着力和抗冲击性能。
1.3 固化促进剂的选择
2-甲基咪唑是粉末涂料常用的固化促进剂，式(6)为2-甲基咪哇活泼氢使环氧开环过程。
2-甲基咪唑的加入量严重影响着整个涂料体系的固化温度及固化时间，根据大量的实验室数据并结合施工现场的喷涂条件，分别确定了底层和面层粉末涂料配方中咪唑的添加量，以确保层间结合力。
1.4 助剂的选择
为了提高各涂层致密度，防止产生针孔，配方中加入一定比例的脱气剂，另外加入了一定量的流平剂。在提高粉末流动性、柔韧性和固化程度方面，选择了加入适量功能助剂1。
为了提高面层粉末的硬度和光滑度，增强涂层的抗划伤性能，在配方中加入了一定量的功能助剂2。
1.5 颜填料的选择
颜填料的选用很大程度上影响着涂层的最终性能，适合的颜填料不仅能提高涂层的物理机械性能和耐化学介质性能，而且对施工性能、贮存性能也会有改善。本项目选择了硅灰石、绢云母粉和一种功能填料作为主要填充料。
硅灰石是一种无机针状矿物质，无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定性良好，有玻璃和珍珠光泽，吸水率和吸油值低，力学性能及电性能优良，具有一定补强作用，使涂料可以得到更好的机械强度、增加耐久性、增强粘附力和抗腐蚀性能，还有良好的覆盖率和附着力。云母粉有独特的二维片状结构，能有效提高涂膜的抗渗透性、耐候性、耐磨性及耐腐蚀性，另外不含任何放射性元素，是一种新型功能性绿色环保填料。功能填料使固化物具有优异的绝缘性能和抗电弧性能，能增大导热系数，提高硬度及耐磨性，改变附着性和增进阻燃性能，降低固化物的线膨胀系数和固化收缩率，从而消除内应力，防止开裂。根据不同填料的特性做了不同的比例搭配，从大量的试验结果中分别选择了两种适合的比例搭配，应用于底层和面层配方。颜料根据颜色需求来确定。
2配方组成与性能
2.1 配方组成
钢桩外防腐层熔结环氧粉末涂料配方见表1。
2.2 性能检测
钢桩外防腐层熔结环氧粉末涂料经国家权威部门按中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 1038-2007或Q/CNPC 38-2002(埋地钢质管道双层熔结环氧粉末外涂层技术规范)检测的性能指标见表2及表3。
3生产工艺与施工工艺
3.1 生产工艺
产品主要生产工艺为
原材料→称量→预混合→熔融挤出→压片→粗破碎→研磨（分级，筛选）→与功能助剂1混合→检测→包装→入库
具体操作时，先将所需原材料准备好，依配方准确称取各种原材料。按照树脂→填料，颜料→填料→树脂的投料顺序投入混料机中混料，熔融挤出（一区65-70℃，二区90-100℃，三区70-80℃），再经压片、破碎，研磨、筛选，同时加入功能助剂1,最后过分样筛检测，称量、包装后认库。
3.2 施工工艺
钢管外表面涂敷之前，必须采用适当的方法将其表面附着的油、油脂及其他污物、杂质清除千净。进入钢管的表面处理设备和部件不能有污染钢管表面的物质。
通过海洋运输的钢管，应对其外表面进行盐分含量检查。如果含量超过50 mg/m2，需用磷酸或去离子水进行处理。在磷酸或去离子水处理后应测量外表面的剩余盐分含量，每班至少要测量两次，盐分含量不应超过50mg/m2 。
喷(抛)射除锈前，应预热钢管，驱除潮气，预热温度为40-60℃。
钢管外表面喷(抛)射除锈应达到GB/T 8923中规定的Sa 2.5级。钢管表面的锚纹深度应在40-100微米,并符合环氧粉末生产厂的推荐要求。
喷(抛)丸除锈后，应将钢管外表面残留的锈尘清除干净，不允许有灰尘等污染物的存在。钢管表面预处理后4h内应进行喷涂。当钢管表面出现返锈或表面受污染时，必须重新进行表面预处理。
喷射除锈后，应用清洁、干燥的压缩空气吹扫钢管内表面，将残留的钢丸/砂粒和灰尘清除干净。表面灰尘度应达到现行国家标准GB/T 1 8570.3(涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的评定试验第3部分:涂覆涂料前钢材表面的灰尘评定(压敏粘带法))规定的2级。
对可能影响防腐层质量的表面缺陷应进行修理，对于严重缺陷或无法清除缺陷的钢管，应与业主协商取得一致的处理意见。
用于涂敷的压缩空气必须清洁、干燥、无油污。
应采用无污染的热源对钢管进行均匀加热。
按照试验确定的涂装工艺进行防腐层涂覆。
涂料的固化应在220℃固化3 min。
钢管两端预留的长度宜为（85土5) mm，预留段表面不得有涂层。若业主有要求时，应满符合业主的有关规定要求。
固化后的防腐层应及时采用水冷却法冷却。
4结语
通过对原材料的选择，特别是环氧树脂和固化剂的选择.结合大量实验结果得出树脂与固化剂合理的搭配比例，使得粉末涂料具有优异的附着力和抗阴极剥离性能;结合现场施工工艺。通过调整多层粉末涂料的配方.不断改变固化温度和胶化时间，确保涂层之间结合力没有问题;规范生产工艺流程，研制生产了性能优良的钢桩外防腐粉末涂料并通过了最新石油天然气行业标准的检测。
这种涂料自研制成功以来已在多家单位得以应用，在桥梁钢桩的防腐方面取得了不错的效果。多层熔结环氧粉末涂料具有优异的机械性能、耐磨、抗划伤和耐化学品腐蚀性能，非常适合于桥梁、码头钢桩外表面的防腐应用，在使用过程中得到了多家施工方的一致好评，它的优良特性已渐渐为人们所认知，随着知名度的进一步提高，市场的不断拓展，必将带来更大的收益。