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高固体分环氧防腐底漆的配方设计

来源:南京长江涂料有限公司 作者:吴远程,刘保磊,陈芳 时间:2015-09-21 点击:
导读:以6101环氧树脂为主体树脂,搭配非活性环氧稀释剂,腰果酚改性酚醛胺和聚酰胺为固化剂,制备一种性能优异的高固体分环氧防腐底漆。该涂料不仅低VOC、无重金属,无致癌物,环境友好,而且通过触变剂的合理搭配,具有良好的施工性能和贮存稳定性,改善了施工环境
0 前言
随着国内大部分省区频繁出现雾霾天气,大气污染的严重性已引起领导层的重视。近两年来,国家和地方频频出台环境保护政策,随着新环境保护法的实施,涂料企业排污的成本将显著增加。2015年1月26日,国家财政部和税务总局联合发布《关于对电池涂料征收消费税的通知》(财税〔2015〕16号),自2015年2月1日起对涂料征收消费税,在生产、委托加工和进口环节征收,适用税率均为4%(对施工状态下VOC含量≤420 g/L(含)的涂料免征消费税)。可见发展环境友好型低VOC涂料已是大势所趋。石油化工传统上使用的涂料多为醇酸树脂涂料、氯磺化聚乙烯涂料、高氯化聚乙烯涂料、环氧煤沥青涂料等。传统的防腐蚀涂料产品在以往的使用中尽管有着令人满意的防腐蚀性能,但是挥发性有机物含量较高,含有重金属等的原料仍有使用。新型环境友好型重防腐涂料要求具有不含重金属、不含致癌物、低VOC、干燥迅速、厚膜型施工等特点。高固体分涂料的应用,可以在保证防腐蚀性能的同时,有效地解决目前石化行业涂装过程中由于传统溶剂型涂料带来的安全隐患。在新建钢结构的工厂涂装时,快速干燥的涂料体系以及厚膜型施工涂料能大大缩短涂装工时,加快钢结构的涂装、场地的周转以及钢结构的运输和安装。
 
1 试验部分
1.1 主要原材料
6101环氧树脂,三木;LITE 2020非活性树脂改性剂、腰果酚改性酚醛胺固化剂,卡德莱化工;聚酰胺固化剂,空气化工。
1.2 试验配方(见表1)
试验配方
1.3 制备工艺
先加入配方量的6101环氧树脂、树脂改性剂、部分混合溶剂进行充分搅拌,然后加入配方量的防锈颜料、填料进行高速分散,再加入有机膨润土、气相二氧化硅等助剂进行高速分散,然后砂磨至细度≤40 μm,调节黏度合格后,过滤、灌装制成甲组分。在搅拌锅中加入配方量的腰果酚改性酚醛胺固化剂、聚酰胺固化剂、促进剂和溶剂,搅拌均匀后过滤包装制成乙组分。
1.4 样板制作及性能测试
将甲组分与乙组分按质量比4∶1混合,充分搅拌后按测试要求制作试板,恒温恒湿下调节7 d后根据相关标准测试性能。测试结果见表2。
技术性能测试结果
1.5 产品特性及用途
高固体分防腐蚀环氧涂料具有优异的防腐蚀性、耐化学品性,低VOC,不含重金属及致癌物,安全环保,可以用于石油化工防腐体系、钢结构防腐体系等表面作高性能防腐蚀底漆。可采用厚涂两道高固体分环氧底漆代替传统的环氧富锌体系/环氧云铁中间漆体系,免去中间涂层,提升施工效率。
 
2 配方设计及分析
2.1 树脂的选择
双酚A型环氧树脂分子中含有羟基和醚键,使其对底材具有较高的浸润性和黏附力,耐化学品性能良好。结构为刚性的苯环和柔性的烃键交替排列,从而赋予涂膜较好的物理机械性能,达到便于施工的目的。由于高固体分涂料使用的溶剂较少,体系的黏度较大,不便于施工,在选择树脂时就要注意降低黏性。在双酚A型环氧树脂中,E51、E44常温下为黏稠态,其他型号的环氧树脂基本为固态,但E51分子链中羟基含量较少,因为活性较低缺少催化作用。而E44在黏度、反应活性都较为合适,可以用于制备高固体分涂料。
2.2 固化剂的选择
环氧防腐涂料最常用的固化剂为聚酰胺,其涂层的综合性能优良,但黏度偏大,施工中需要一定的活化期,低温固化性能较差,一般需要反应温度在10℃以上;改性脂环胺、改性芳香胺的应用也趋广泛,其涂层耐化学性及防腐性能好,但柔韧性稍差,易发白影响重涂性能;酚醛胺固化剂固化速度快、黏度低、固化温度低、对底材的表面处理要求不高,但是固化物的柔韧性不如聚酰胺。因而选择腰果酚改性酚醛胺固化剂与聚酰胺固化剂配合使用,结合两种固化剂的优势,取得了较好的效果。
2.3 稀释剂的选择
高固体分防腐蚀环氧涂料即使是使用了低黏度的环氧树脂,但其黏度仍然较大,达不到空气喷涂的黏度要求,所以在制备高固体分环氧涂料时需要添加一定量的稀释剂来调节环氧树脂涂料的黏度。不挥发非活性环氧稀释剂LITE-2020,是一种新颖的非活性不饱和长链醇醚,固体分为100%,腰果酚分子的长疏水脂肪侧链赋予其极低的黏度,提供优异的早期耐水性和防腐性能。在降低涂料VOC含量的同时能提升涂膜的机械性能和施工性。
2.4 颜填料的选择
高固体分环氧涂料在施工中一般为厚涂型,表干稍慢,使用有机颜料容易出现浮色发花等现象,产生涂膜弊病,因为选择颜料是倾向于无机颜料,这里选择钛白粉,环保无毒。防锈颜料选择复合铁钛粉,是一种环境友好型防锈颜料。其制备方法是以四氧化三铁为载体,将纳米粉体材料均匀地附着在载体上形成复合铁钛粉。载体中的磷酸根离子与钢铁基材反应生成磷酸铁铬盐,牢固附着在钢铁表面,并在钢铁表面被氧化成钝化膜,阻止电化学腐蚀的产生,同时纳米粉体可改善涂膜的整体结构,使涂膜致密、平整而无针孔,起到良好的阻隔作用。在基本配方中添加不同含量的复合铁钛粉,测试其耐盐雾性能,干膜厚度40 μm,结果如表3。
不同复合铁钛粉添加量对耐盐雾的影响
复合铁钛粉添加量超过10%后对耐盐雾性能的提升幅度减小,考虑到成本,将添加量定在10%左右性价比较好。填料在防腐涂料中作用也很重要,这里选择具有片状结构的滑石粉、绢云母粉,以及沉淀硫酸钡。
滑石粉为白色鳞片状结晶,结构中与氧结合的镁原子夹在两个片状二氧化硅之间,形成层状结构,可延长腐蚀物质的扩散路径,改善防护效果,但由于滑石粉吸油量较大,会增加涂料的黏度,添加量不宜过多,添加5%~10%已有较好的防腐效果。
绢云母属层状结构的硅酸盐,结构是由两层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体构成的复式硅酸层。晶体为鳞片状,富弹性,可弯曲,吸油量较小,具有良好的耐酸性、耐碱性,化学稳定性好。层状结构可阻止水汽穿透,防止龟裂。绢云母的加工方法分为干法、湿法两种工艺。两种工艺的区别在于:干法工艺无法剔除伴生的石英等矿物杂质,产品纯度低;更关键的是绢云母的片状结构因干法研磨而被破坏,影响产品性能。而湿法工艺能够有效保护片状结构,产品的径厚比大。因而试验中选择湿法绢云母。试验测试基础配方中,比较添加不同量的湿法绢云母粉对涂膜性能的影响,测试结果如表4。
不同添加量的湿法绢云母粉对涂膜性能的影响
根据试验结果,绢云母粉的添加量在8%~10%即可达到最优性价比。沉淀硫酸钡是重晶石粉的合成产品,具有较好的耐酸、耐碱、耐热性能,填充性好、流平性好,用于重防腐涂料中可增加涂膜的硬度和耐磨性,吸油量较低,添加量可适当提升,降低成本。
2.5 PVC的控制
涂料中除了片状填料外,搭配多种防锈颜料和填料,不仅有助于控制成本,改善防沉性和施工性,更有利于调节涂料的PVC。根据基础配方计算理论CPVC=38%。设计不同PVC配方进行试验对比,试验结果见表5。
不同PVC对涂层性能的影响
颜填料用量在临界体积浓度以下时,防锈性能随颜料体积浓度的增加而提高;超过临界体积浓度时,防锈性能反而会大幅下降。考虑到机械性能和防腐性能的平衡,这里控制PVC为30%~35%,综合性能最佳。
2.6 助剂的选择
高固体分环氧涂料对涂装质量、涂膜性能要求较高,为保证涂料良好的贮存稳定性、涂装质量和涂膜性能,需要添加一定量的助剂。
触变型防沉剂可增加涂料的触变性能,提高防沉性和抗流挂性,既保证贮存稳定性,又能提升施工性能。这里选用有机改性膨润土和气相二氧化硅搭配使用。有机改性膨润土经过活化处理后,在溶剂中溶胀,通过边缘的羟基形成氢键,产生触变性,达到防沉作用,添加量0.5%~1%。气相二氧化硅的表面有硅醇基,颗粒之间通过氢键互相结合,形成三维网状结构,赋予涂料触变性,产生防沉效果,添加量1%~2%。
为提升涂料的干性,达到快速固化的效果,提升施工效率,需要添加固化促进剂。这里选用美国空气化工的K-54促进剂,能够显著缩短环氧树脂的固化时间。由于结构中含有氨基基团,使用时将其添加在固化剂中,添加量5%~10%。
 
3 结语
采用6101环氧树脂和LITE 2020非活性环氧稀释剂复配,腰果酚改性酚醛胺和聚酰胺作为固化剂,添加复合铁钛粉作为防锈颜料,选用绢云母粉和滑石粉等片状填料,通过搭配流变助剂和固化促进剂,研制出一种防腐性能优异的高固体分环氧重防腐涂料,不含重金属、无致癌物、低VOC排放,符合环保观念,适用于石油化工和钢结构防腐体系。
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