粉末涂料不同環(huán)氧體系對(duì)涂層防腐的影響

腐蝕問(wèn)題一直以來(lái)困擾著涂料行業(yè)，本文重點(diǎn)著眼于粉末涂料配方體系中對(duì)防腐影響的一些因素，當(dāng)然大氣環(huán)境與基材在很大程度上也會(huì)影響著涂層的腐蝕性能。與其他化學(xué)體系相比，環(huán)氧樹(shù)脂由于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)賦予。其優(yōu)異的耐化學(xué)性和耐水性以及與基材的附著力。所以在防腐領(lǐng)域，環(huán)氧樹(shù)脂占大多數(shù)。文中對(duì)不同類型的環(huán)氧樹(shù)脂，固化劑以及常用的防腐助劑和填料進(jìn)行了分析。

1.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到全世界的重視。特別是在中國(guó)，政府機(jī)構(gòu)聲明在2015年初開(kāi)始對(duì)溶劑涂料廠商征收高達(dá)4%的消費(fèi)稅。由于粉末涂料的VOC幾乎接近于零，這對(duì)于粉末涂料廠商是個(gè)好消息，將會(huì)提供更多的發(fā)展契機(jī)與政府的大力支持。

粉末涂料已廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域，諸如建筑、汽車、管道、移動(dòng)通信和家用電器等。粉末涂料行業(yè)中，涂料防腐的工作與研究一直沒(méi)有間斷過(guò)。有關(guān)橋梁、建筑物、飛機(jī)、汽車與輸氣管道等腐蝕破壞的報(bào)道司空見(jiàn)慣。盡管在油氣管道行業(yè)中已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種有效的陰極保護(hù)措施，但仍存在涂層破壞的情況。涂層破壞的影響因素很多，這可能受到包括成膜物質(zhì)、顏填料、助劑、基材類型、前處理工藝、固話工藝、涂層厚度與涂層附著力在內(nèi)涂料系統(tǒng)的影響，也可能包括溫度、濕度、細(xì)菌與紫外線在內(nèi)外部環(huán)境的影響。所有腐蝕影響因素間的關(guān)系如圖1所示。

對(duì)于粉末涂料廠商而言，防腐性能的改善關(guān)鍵在于涂料本身化學(xué)組成的設(shè)計(jì)，這就需要選擇合適的成膜物質(zhì)、顏填料與防腐助劑。接下來(lái)這些影響因素將逐一介紹。

2.成膜物質(zhì)

粉末涂料所用樹(shù)脂主要為聚酯、丙烯酸、聚氨酯與環(huán)氧。聚酯結(jié)構(gòu)中存在著酯基，易于在潮濕環(huán)境下水解;丙烯酸結(jié)構(gòu)中也含有酯基，被證實(shí)易在酸雨環(huán)境下遭到破換;聚氨酯可用于防腐涂料，但價(jià)格高昂;價(jià)格合理與防腐性能優(yōu)良的環(huán)氧樹(shù)脂，則是個(gè)很好的選擇，如圖2所示，就以雙酚A型環(huán)氧為例。

雙酚A型環(huán)氧優(yōu)良防腐性能的決定因素如下：

側(cè)羥基賦予了同金屬良好的附著力；

骨架中醚鍵賦予了優(yōu)良的耐化學(xué)性與耐堿性；

結(jié)構(gòu)中無(wú)酯基，具備良好的耐水性；

高交聯(lián)密度賦予了對(duì)基材更良好的屏蔽效果；

除了雙酚A型環(huán)氧，線性酚醛改性環(huán)氧與雙酚F型也可用于防腐粉末涂料中，兩者的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖3與圖4所示。

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析，線性酚醛改性環(huán)氧同雙酚A型環(huán)氧與F型環(huán)氧相比，單位摩爾物質(zhì)中含有更多數(shù)目的環(huán)氧基團(tuán)與芳香環(huán)，固化后交聯(lián)結(jié)構(gòu)更為致密，具有更優(yōu)良的防腐性能，但同時(shí)也存在脆性這一缺陷，一般很少在粉末涂料中單獨(dú)使用。在重防腐粉末涂料中，線性酚醛改性環(huán)氧往往與雙酚A型環(huán)氧共混使用，以達(dá)到優(yōu)良的防腐性能與力學(xué)性能。粉末涂料用雙酚F型環(huán)氧主要是為改善涂料的流平性，也可同雙酚A型環(huán)氧共混使用。

除了化學(xué)結(jié)構(gòu)，分子量也是影響環(huán)氧各項(xiàng)性能的重要因子，其影響情況如圖5所示。同高分子量環(huán)氧相比，由于低分子量環(huán)氧含有更多數(shù)目環(huán)氧基團(tuán)，固化后涂層的交聯(lián)密度增大，進(jìn)而涂層的硬度增加，柔韌性與沖擊強(qiáng)度降低。低分子量環(huán)氧比高分子量環(huán)氧結(jié)構(gòu)中含有較少數(shù)目的羥基，也會(huì)降低涂層與基材間的潤(rùn)濕性與附著力。綜合環(huán)氧各項(xiàng)性能考慮，環(huán)氧的分子量須在一定范圍內(nèi)，或大或小均會(huì)影響到涂層的防腐性能。在重防腐領(lǐng)域中，環(huán)氧的分子當(dāng)量一般在700-900g/eq，分子量分布較窄。

在固熱性粉末涂料配方中，成膜物質(zhì)主要由樹(shù)脂與固化劑組成。粉末涂料用環(huán)氧的常見(jiàn)固化劑包括咪唑、胺類(雙氰胺與芳香胺類)、酸酐與酚類固化劑等。其中，咪唑由于活化能低與固化反應(yīng)劇烈，固化后涂層內(nèi)應(yīng)力大與力學(xué)性能不佳，很少單獨(dú)使用，而是常常作為環(huán)氧粉末涂料的催化劑。雙氰胺具有良好的綜合性能與性價(jià)比，是常見(jiàn)的粉末涂料固化劑。幾種芳香胺也可用于粉末涂料固化劑，例如Z.Wang等研究了三種芳香胺類固化劑(二氨基苯砜、間苯二胺與酚醛胺)固化涂層在濃度為10%的熱硫酸溶液中的防腐性能，發(fā)現(xiàn)二氨基苯砜固化涂層具有更好的防腐性能。由于酸酐易產(chǎn)生刺激性氣體，貯藏穩(wěn)定性不佳，在一定程度上限制了它在粉末涂料中的應(yīng)用。酚類固化劑以其低烘烤溫度、快速固化與優(yōu)良防腐性能的優(yōu)點(diǎn)，成為在重腐蝕環(huán)境如油氣管道領(lǐng)域中的首選。