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        重防腐涂料發展現狀與未來

                                            重防腐涂料發展現狀與未來
                                羅永樂1 謝倩紅2 黃相璇3 楊勝州1
            (1.廣東省安全生產技術中心,廣州510060;2.中國廣州分析測試中心,廣東省分析測試技術公共實驗室,廣州510070;3.東莞理工學院,東莞523808)
            摘要:介紹了重防腐涂料在特殊防腐領域中的應用,并對近年來國內外高性能重防腐涂料主要品種的研究現狀進行了詳細的討論,在此基礎上對重防腐涂料的未來發展趨勢進行了展望。
            關鍵詞:重防腐涂料,氟碳涂料,聚脲涂料,富鋅涂料
            隨著社會經濟的快速發展和大型建設工程的涌現,人們對防腐涂料的應用條件和使用時效要求也越來越高,重防腐涂料因此應運而生。重防腐涂料是指在嚴酷腐蝕工程環境中下使用并具有長效防腐壽命的一種特殊涂料。與常規防腐涂料相比,重防腐涂料具有更長防腐保護時限優勢,在化工和海洋環境等苛刻條件下能使用10~15年以上,因而廣泛應用于腐蝕問題突出和不便于短期維修的工程領域[1]。
            作為涂料工業中發展潛力巨大的品種,重防腐涂料具有科技含量高、工程應用領域廣等特點,國內外都將某個國家重防腐涂料發展水平的高低作為衡量該國家涂料工業先進程度的標志[2-3]。本研究較為系統地梳理近年來幾種主要重防腐涂料的研究現狀,在此基礎上對國內外重防腐涂料的發展趨勢進行總結和展望。
            1·重防腐涂料的主要類型
            近年來,重防腐涂料的研究開發發展迅猛,在傳統的常規防腐涂料的基礎上,研究出眾多性能優異的品種,其中最為常見的重防腐涂料有:環氧類重防腐涂料、聚氨酯重防腐涂料、無機富鋅重防腐涂料、氟碳涂料和聚脲重防腐涂料等[4-5]。
            1.1 環氧類重防腐涂料
            環氧樹脂是大分子鏈上含有兩個或兩個以上的環氧基團的熱固性樹脂,具有良好的成膜性能和優異的耐腐蝕特性。每年全球大概40%以上的環氧樹脂用于生產環氧防腐涂料,廣泛應用于各種嚴重腐蝕環境中鋼鐵建筑物的防腐[6-7]。目前國內外已開發出眾多性能優異的環氧類防腐涂料:環氧煤瀝青、熔結環氧粉末、環氧玻璃鱗片、環氧云鐵、環氧鋁粉和環氧聚硅氧烷重防腐涂料等。
            海洋化工研究院[8]開發出一種環保型環氧重防腐涂料,其采用雙酚F型和雙酚A型環氧樹脂的混合體系作為成膜樹脂,選用腰果酚改性胺固化劑EH3895進行固化,并加以無毒性的磷酸鹽系防銹顏料進行復配。該涂層體系具有優良的附著性能和抗陰極剝削性能,目前該產品應用在青島膠州灣跨海大橋工程上。美國RBM 公司[9]開發的Rust-Oleum 9100厚膜型環氧涂料,采用環氧樹脂為成膜樹脂,以聚胺改性固化劑進行固化。該產品施工對鋼材表面處理的要求低,固體分含量高,一次噴涂可達到150μm膜厚,已應用于上海南浦大橋工程中。
            同時為了克服溶劑型環氧重防腐涂料中有機溶劑揮發,污染環境的不足,1961年美國Valspar公司成功開發出熔結環氧粉末防腐涂料,此后在其他國家得到更進一步的研究和推廣。熔結環氧粉末防腐涂料一般采用分子結構中有活性基團的改性環氧樹脂,加入多官能度的胺類和酚類固化劑進行固化[10]。在港珠澳大橋建設項目中,美國Valspar公司Greenbar熔結環氧粉末(FBE)涂料被指定為主要供應產品,為項目的鋼筋、傳力桿及相關橋梁構件提供長期優質的防腐保護。
            為適應日益苛刻的腐蝕環境,國內外學者常對普通環氧重防腐涂料進行物理改性和化學改性,來進一步改善其成膜性能和耐腐蝕能力。Mitsukazu等[11]通過在體系中加入增容劑(甲基丙烯酸酯和硅氧烷的接枝共聚物),來增強聚硅氧烷在環氧樹脂中的相容性,該防腐涂料膜層的機械力學性能得到較大的改善。Robert Aiezzi等[12]采用氟樹脂對環氧樹脂進行改性,在改善了涂層的物理力學性能同時,也進一步增強了其電絕緣性和耐化學品性。通過形成互穿聚合物網絡(IPN)對環氧樹脂進行化學改性,以改變環氧防腐涂料的性能,是現時的研究重點之一[13]。Ying Li研究小組[14]采用末端為異氰酸酯的聚醚聚氨酯低聚物和雙酚A型環氧樹脂的復配體系在溶劑四氫呋喃中進行化學改性,并用DDM 固化劑進行固化,生成了線性聚氨酯-環氧的互穿網絡結構,該防腐涂料的耐酸堿性和耐鹽水性得到了極大的提升。
            1.2 聚氨酯重防腐涂料
            聚氨酯樹脂其分子結構中的活性氰酸根基團,決定了其性能具有許多優異的特性:良好的柔韌性、粘結力強、耐磨性和機械性能優異、漆膜防腐性能好。自上世紀70年代以來,世界各國相繼對聚氨酯重防腐涂料進行研究,并開發出眾多新型聚氨酯重防腐涂料。
            英國Metrotect材料公司研制的一種雙組分的重型Aco-THane聚氨酯防腐涂料,其采用異氰酸酯TDI預聚物與聚烯烴類多元醇的復配體系,該類型涂料的施工涂膜厚度能到1.5mm以上,防腐效果優良,現已成功應用在穿越尼日利亞河的多條成品油管線的防腐工程中。中核凱利集團公司[15]以甲苯二異氰酸酯(TDI)和聚醚多元醇為基礎,通過預聚體法研制出一種無溶劑單組份的環保型重防腐聚氨酯涂料,測試結果顯示該涂料的耐鹽霧、耐老化及附著力等性能良好,能達到現有的國內重防腐涂料標準要求。
            為了進一步增強和擴大聚氨酯涂料的防腐性能以及應用范圍,許多的研究者著眼于對聚氨酯涂料的改性。
            Pathak S S等[16]采用γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)與甲基三甲氧基硅烷(MTMS)進行改性聚氨酯涂料,改性后的聚氨酯防腐涂料涂層的機械性能和熱穩定性能得到較大增強,其降解溫度提升了約206℃,擴寬了其在航天、海洋、汽車等防腐領域的應用范圍。
            1.3 富鋅重防腐涂料
            作為現代重防腐涂料體系中常見的底漆之一,在腐蝕環境中富鋅涂料利用犧牲鋅粉使涂層導電的方式,來達到保護金屬基材的效果,因此其干膜的鋅粉含量能達到80%~95%左右。富鋅涂料可以分為有機富鋅涂料和無機富鋅涂料兩類。目前常用的有機富鋅涂料主要是以環氧樹脂為基料,由于其施工時對金屬表面的處理要求低、附著力強等特點,所以廣泛應用在各個防腐領域。如郭忠誠等[17]選用E-44型環氧樹脂、二甲苯和正丁醇的混合溶劑、650聚酰胺固化劑以及鱗片狀鋅粉作為主要原料,研制出一種溶劑型的鱗片狀鋅基環氧富鋅重防腐涂料。該涂料可在金屬表面上進行帶銹操作,在國內的部分海洋設施和地下工程得到了應用。
            無機富鋅涂料則一般選用硅酸烷基酯和堿性硅酸鹽作為基料。與有機富鋅涂料相比,無機富鋅涂料有極好的涂膜性能,而且在耐溶劑性、耐熱性、防銹性等方面都遠優異于有機富鋅涂料,應用范圍更廣。John B Schutt等[18]選用高摩爾比的硅酸鉀粘合劑和鋅粉,同時通過甲基三甲氧基硅烷對其進行化學改性以提高該涂料的儲存穩定性,制備出一種水性無機硅酸鋅涂料,其成膜速度快,與金屬底材粘結強,能起到較好的陰極保護作用,從而防止金屬的電化學腐蝕。揚州市金陵特種涂料廠[19]創新性地選用磷酸鹽作為成膜基料,以鱗片狀鋅為防銹顏料,研制出一種耐磨性、耐熱性優越的ET-98無機富鋅涂料,其具有良好的隔熱和防腐效果。
            1.4 氟碳涂料
            氟碳涂料主要是以有機氟聚合物為成膜樹脂的一種常溫固化涂料,當前市場上常見的常溫固化型氟碳涂料主要采用樹脂氟烯烴-乙烯基醚共聚物(FEVE)和端羥基全氟聚醚(PFPE)為主。由于其氟碳樹脂含有特殊的C-F基團,賦予了氟碳涂料既有優越的耐候性、耐化學藥品性和耐熱性,又有優異的防腐性能,因而逐漸成為目前長效免維護工程外用涂料和高性能防腐涂料的主要代表。
            日本大森橋的涂裝工程采用常溫固化型氟碳涂料進行面漆防腐保護,到目前已使用超過20年,涂層機械性能和防腐效果保持依然良好。與此同時,國內對氟碳防腐涂料也進行了深入的研究。武漢高校新技術研究所[20]選用具有耐候性、耐磨性、防腐蝕性的氟碳樹脂(FEVE)和拜耳公司的N3390固化劑為主要原料,開發出一種氟碳重防腐面漆TSF-800。該產品一次涂膜厚度可達到120μm以上,現已應用在世界第一高的舟山輸電鐵塔工程上。最近大連振邦公司自主研發的以國產醚型氟樹脂為成膜基料的防腐涂料,結果測試表明,其耐紫外線加速老化性能超過4000h,部分指標接近甚至超過國外進口產品水平,在一定程度打破了國外進口產品在氟碳樹脂涂料領域的壟斷。
            1.5 聚脲重防腐涂料
            自上世紀80年代末,美國Huntsman公司自主開發的一種創新性噴涂聚脲彈性體技術,該技術基于端氨基聚醚、二胺擴鏈劑的活性氫組分和異氰酸酯組分進行反應,具有快速固化、施工時收環境影響小、極高的耐磨性、抗老化性以及耐腐蝕性等優點,因其優異的防腐綜合性能,在電力建設、石油石化防腐、建筑防水等領域得到了較為廣泛的應用。
            目前利用新型結構的聚天門冬氨酸酯為主體成膜物質開發出來的聚脲防腐蝕涂料,逐漸受到許多國內外學者的關注。
            其中,荷蘭的AkzoNobel涂料公司最新推出的一種新型聚天門冬氨酸酯防腐涂料Intercure 99,該涂料可標準的施工設備直接施工于金屬表面,一道施工厚度能達到250μm,該產品已德國最大的戶外媒體廣告裝置中防腐保護工程中使用。為了進一步提高聚脲防腐涂料性能和應用范圍,西北工業大學的王軍委等[21]在聚脲材料的基礎上,加入已用有機改性劑改性后的納米黏土,研發出一種新型納米改性聚脲防腐涂料,抗腐蝕性能得到明顯的改善。
            2·國內外重防腐發展趨勢
            伴隨著全球經濟和工業的迅猛發展以及不斷提高的行業要求,重防腐涂料必將迎來新一輪的發展機遇,綜合當前國內外的涂料研究者的研究內容,未來重防腐涂料的發展趨勢主要集中在以下方面[22]:
            (1)水性化。隨著大眾對環境保護的要求越來越迫切和嚴格,開發出低耗能、低污染、高性能的水性化重防腐涂料已成為了當前研究的熱點之一。而水性重防腐涂料研發的關鍵在于水溶性成膜樹脂的開發,目前水性環氧、水性氟碳以及水性聚氨酯等防腐涂料已研制成功。但水性重防腐涂料仍存在容易發生閃蝕、涂膜耐水性和機械性能相對較差等不足之處,還需進一步改善。
            (2)防銹顏料無毒化。作為重防腐涂料的重要組成部分,防銹顏料發揮著減緩金屬腐蝕的功效,常見的含重金屬的防銹顏料雖然性能優異,但對環境會造成極大污染,因而在實際使用中逐漸受到限制。近年來使用環保型防銹顏料替代傳統防銹顏料已成為當前環保型重防腐涂料的發展方向,但是要完全取代傳統有毒防銹顏料,需對無毒防銹顏料的理論和應用方面加大研發力度。
            (3)多功能化。單一功能的重防腐涂料已遠遠不能滿足現代涂料工業的巨大需求,重防腐涂料功能的多樣化已勢在必行。如復合陶瓷耐高溫防腐涂料、導電聚苯胺重防腐蝕涂料、自愈合重防腐涂料、納米復合粉末滲鋅加重防腐涂料。為了推動重防腐涂料開發和產品升級,搶占世界重防腐涂料發展的制高點,必須對重防腐涂料多功能化給予高度的重視。
            3·展望
            通過總結國內外的重防腐涂料技術發展現狀,重防腐涂料因其出色的防腐性能,受到人們越來越多的關注,在石油化工、海洋工程以及其他苛刻腐蝕環境中得到了越來越廣泛的應用,也取得了巨大的經濟和社會效益。隨著重防腐涂料技術的不斷發展和成熟,其發展前景必將越來越廣闊。
            參考文獻:略


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