無溶劑環氧新一代智能防腐涂層系統

劉建卡

(優龍海洋工業涂料有限公司,南京210047)

無溶劑環氧新一代智能防腐涂層系統

劉建卡

(優龍海洋工業涂料有限公司,南京210047)

針對傳統防腐涂料與涂裝存在的問題,闡述了海洋工業重防腐涂料的發展新趨勢。著重介紹一種適用于超高壓水射流表面處理的新工藝,可在100%潮濕帶閃銹瞬銹表面直接施工、具有生態環保、無毒阻燃、低表面涂裝、超強附著力、高邊棱保持率及長效重防腐的無溶劑環氧新一代智能防腐涂層體系。

無溶劑環氧;智能防腐;超高壓水射流

0 概述

金屬和鋼筋混凝土的化學和電化學腐蝕會帶來危害及巨大的經濟損失。由于腐蝕,大量有用材料變成廢料。據《中國腐蝕調查報告》介紹,全球每90 s就有一噸鋼鐵腐蝕成鐵銹。國內外專家調查分析,造成如此程度的腐蝕,其主要原因是傳統的溶劑型防腐涂料與涂裝存在的問題。涂層防腐壽命完全取決于理想化的表面處理級別,即Sa2.5～3級。然而,目前國內普遍使用的噴砂方法,在噴砂時產生粉塵對鋼表面的二次污染以及水溶性鹽的超標和空氣濕度的影響等多種原因,導致國內絕大多數的防腐工程表面處理質量均達不到涂裝標準。據統計,國內大約有75%以上的防腐工程都不同程度地產生防腐涂層提前失效的現象。

1 對防腐新需求和發展新趨勢的評價

隨著我國政府制定并頒布執行“環保、安全、節能減排”等工業經濟建設可持續發展戰略,以及國際海事組織對中國船舶工業強制執行“IMO”新的涂裝標準,我國防腐工業對防腐涂料與涂裝提出了新的需求。這些新的需求推動了防腐涂料與涂裝技術的發展。

1.1 防腐涂料新需求

(1)性能 傳統的防腐涂料與涂裝存在以下問題:①涂層附著力低,尤其在潮濕表面附著力更低;②在邊棱和焊縫部位涂層過薄;③水溶性鹽等腐蝕介質含量超標,不能用水清洗;④干噴砂帶來粉塵二次污染;⑤涂料沒有寬忍性,不能滿足低表面涂裝;⑥溶劑揮發產生針孔,破壞了涂層屏蔽效果;⑦不能在潮濕帶閃銹瞬銹表面直接涂裝;⑧有露點限制等。以上諸多問題是導致防腐涂層提前失效的主要原因。

(2)環保 我國政府為實施“環保、安全、節能減排”的工業發展戰略,制訂了一系列新的法律法規和環保強制規定,如:限制粉塵排放、減少溶劑揮發和廢棄物合理處理等。因此,研制高性能防腐涂料,首先要考慮涂料的環保型問題。

(3)成本 在以往的防腐工程中,人們往往只關心防腐涂料的價格,卻忽視了涂裝成本是防腐工程中最大的支出成本。防腐工程由涂料與涂裝兩個部分組成。①涂料:據《中國腐蝕調查報告》介紹,涂料與涂裝費用比例:海洋工程與船舶為1∶8;石油化工為1∶5;一般鋼結構為1∶3。從上述費用支出比例可以看到,在傳統的防腐工程中,涂料的成本約占防腐工程總成本的15%～30%左右。②涂裝:涂裝成本包括表面準備成本、時間成本、環境成本、廢物處理成本、安全程序成本等。傳統的溶劑型涂料的涂裝成本約占總成本的70%～85%左右。由此可見,使用低表面涂裝的高性能涂料,就可以減少表面處理與涂裝成本,從而大幅降低防腐工程的綜合成本造價。

(4)安全 ①干噴砂和機械打磨除銹容易產生火花,在易燃易爆環境(如壓載艙、油艙、儲油罐等密閉環境)里進行表面處理施工,要做好安全程序風險評估;②涂裝施工中低閃點溶劑的揮發可能會產生積聚爆炸,故要做好充分的通風保證措施,確保施工安全;③要更多關注干噴砂粉塵飛揚和有害溶劑揮發對工人身體的不利影響。

1.2 發展新趨勢

國際海事組織基于對海洋惡劣腐蝕環境、環保與安全運行等問題的深刻認識,最早提出了防腐新需求。為適應這一新需求,中國船級社2008年7月1日頒布執行船舶壓載艙等新的“IMO”涂裝標準,要求船舶壓載艙防腐壽命從5年提高到15～20年。大量的海洋防腐工程的實踐證明,先進的超高壓水射流表面處理新工藝與高性能無溶劑環氧涂層體系相結合,已成為我國海洋工程重防腐發展的新趨勢。

(1)超高壓水射流表面處理新工藝

使用超高壓水射流進行鋼結構表面處理有許多優勢,諸如:①工作壓力達到250 MPa以上的超高壓水射流裝備,其高速射流在噴嘴出口的速度達超音速的三倍;②超高壓水射流用來清洗鋼板表面的“氧化皮、鐵銹、破損的漆膜”,可起到立時清除的效果;③經超高壓水處理的金屬表面無噴干砂的粉塵二次污染,表面清潔干凈,水溶性鹽等腐蝕性介質含量幾乎為零,環境也無粉塵污染,降低了安全風險,不會破壞原有的表面粗糙度,涂裝區域無需再次糙化。超高壓水射流表面處理工藝更符合海洋、船舶及石化等工程的防腐涂裝需要,這已形成普遍共識。

但是,先進環保的超高壓水射流表面處理技術的使用,會帶來金屬表面產生潮濕、閃銹和瞬銹等問題。為了制定嚴格的超高壓水射流表面處理涂裝標準,我們需要對噴砂超過Sa2.5級的涂層性能和在潮濕有閃銹環境下的涂層性能進行附著力和防腐保護性能的對比。過去,有大量的關于在嚴酷的海洋腐蝕環境下,使用超高壓水射流表面處理進行海洋工程設施維護防腐的報告。這些防腐工程在高度潮濕環境中施工,其實還未有在潮濕環境下能直接涂裝施工的涂料。為干燥涂裝表面,導致了施工間隔時間增加,而在涂裝表面最終干燥時,經常出現過多的閃銹、瞬銹和大量危險的水溶性鹽超標含量,這又需要重新進行噴砂和除鹽處理,這一循環可能不斷地重復下去,最終的結果中止涂裝,或降低涂裝標準繼續涂裝。

水溶性鹽含量和粉塵二次污染的問題直接影響到涂層質量和防腐壽命。在經過超高壓水處理后,能立即達到SC-1的條件(根據SSPC SP12有關非可視污染物的規定,表面鹽份無可檢出),但在海洋環境條件下,表面含鹽污染物將很快出現,干燥后風險超過SC2(7μg/m2氯化物),如能在無需干燥、只經過噴砂或超高壓水清洗后馬上涂裝,就很容易達到小于3～4μg/m2的氯化物水平。然而,目前我國海洋工程與船舶維修防腐工程的水溶性鹽及各種腐蝕介質卻大大超過200μg/m2的含量。圖1、圖2是電子顯微鏡下干噴砂表面處理和超高壓水除鹽效果對比。圖1中下圖用紅線圈起來的是未噴砂前的放大的水溶性鹽;圖1中上圖用紅線圈起來的是噴砂后藏在金屬坑凹不平處的放大的水溶性鹽,綠線圈起來的是殘留在金屬針孔中水溶性鹽,用噴砂方法是不能把金屬針孔和坑凹不平處水溶性鹽清除干凈的。圖2表示的是用超高壓水清洗后的金屬表面,用藍線圈起來的放大的金屬表面針孔清晰可見。超高壓水以其三倍超音速沖擊金屬表面,無孔不入的超高壓水可以把金屬針孔和坑凹不平處的水溶性鹽徹底清除干凈。

圖1 干噴砂表面處理

圖2 超高壓水表面處理

(2)無溶劑環氧涂層體系

無溶劑環氧涂料,生態環保,固體含量100%,無VOC有害氣體揮發,它彌補了溶劑涂料漆膜在金屬針孔中存留的溶劑所引發的涂層缺陷,同時克服了溶劑涂料漆膜固化過程中,由于溶劑揮發造成漆膜表面產生針孔而破壞涂層的屏蔽和防水氣滲透性能等問題。

目前國內外市場上常見的普通無溶劑環氧涂料有許多缺陷:開罐后儲存時間短;超高的粘度和不方便施工。此外,普通的無溶劑環氧涂料還存在著如下需要解決的技術難題:①表面處理涂裝必須達到Sa2.5～3級,粗糙度必須達到60～90μm,清潔度必須達到1級;②不能在潮濕表面帶銹涂裝,附著力低,涂料損耗大;③存罐期短固化快、施工困難;④涂料沒有寬忍性、有露點限制等。這使得研發適用于超高壓水表面處理的先進的無溶劑環氧涂料成為我國重防腐涂料的發展方向。

眾所周知,涂裝表面準備的粗糙度和清潔度越好,其涂層的附著力越高。超高壓水射流處理的鋼表面只有清潔度,沒有粗糙度,表面還會迅速產生瞬銹和閃銹。在這種情況下,要提高適應于超高壓水表面處理的無溶劑環氧涂料的涂層附著力,必須要解決“無溶劑環氧涂料在潮濕帶銹表面直接涂裝以及無溶劑環氧漆料與金屬基體、氧化鐵銹和水通過化學反應,產生大于12 MPa以上的涂層附著力”等重大技術難題。國內外的專家研究表明,防腐涂料如能滿足在潮濕鋼表面涂裝,并且附著力越高,則防腐壽命就越長。

(3)邊棱和焊縫保持率

腐蝕損壞通常是從涂層最薄弱的部位開始。在任意鋼結構防腐工程中,鋼板的焊縫和邊棱呈現尖角,由于涂層的表面張力,在焊縫和邊棱處的涂層厚度與平面涂層相比,往往只有20%左右。隨著焊縫和邊棱部位涂層的破壞并露出鋼鐵,就會產生電化學腐蝕。電化學腐蝕是由于金屬與電解質溶液接觸時,金屬表面各個部分存在一定的電位差所引起的。在潮濕環境中,鋼鐵表面會吸附一層薄薄的水膜,這層含有氫離子和氫氧根離子并溶解了氧氣等氣體的水膜就是電解質溶液,它與鋼鐵里的鐵和碳形成無數微小的原電池。在這些原電池里,鐵是負極,碳是正極,鐵失去電子而被氧化成鐵銹。電化學腐蝕是造成鋼鐵腐蝕的主要原因。因此,我們須要高度重視焊縫和邊棱的涂裝質量。

具有增強邊緣保持率性能的涂層能夠更好地保護重要的區域,如焊縫、鋼板邊棱等處,從而也就能夠更好地保護壓載艙和復雜鋼結構。典型的無溶劑環氧涂料,可使用高壓無氣噴涂在90°的尖角予以涂裝,與相接的平面表面涂層厚度相比,固化后在邊緣的干膜厚度可以達到90%左右。根據美國海軍NAVSEA對壓載艙涂料的要求(防腐年限:20年),具有良好邊棱保持率的涂料的涂敷比率超過90%。而且,通常邊緣保持率性能好的無溶劑環氧涂料都具有很高的粘度和低表面張力,故在涂裝無溶劑環氧涂料時,使用高壓無氣噴涂設備(68∶1)可以得到高質量的涂層。

(4)防腐工業發展新趨勢

通過上述對防腐涂料與涂裝存在問題的分析,我們知道,研發高性能無溶劑環氧重防腐涂層體系和先進環保的超高壓水射流表面處理新技術是我國海洋工程防腐工業發展新趨勢。表1列出了對高性能無溶劑環氧創新體系與高壓水射流表面處理新工藝在“性能、環境、成本、安全”等方面新需求的評價。

表1 高性能無溶劑環氧涂層體系與超高壓水射流表面處理新工藝介紹

2 優龍無溶劑環氧重防腐創新涂層體系

2.1 優龍無溶劑環氧重防腐涂料的設計原理與成膜機理

優龍無溶劑環氧涂料設計原理,通過改性合成出具有多維高活性反應基團的無溶劑環氧樹脂和環保高效型顏填料以及具有獨特功效的添加劑和助劑等,在高溫高壓下通過化學聚合反應,制備出高性能低粘度無溶劑環氧漆料。無溶劑環氧漆料與經過特殊改性的含有大量活潑氫原子的低粘度聚酰胺固化劑,在常溫下產生化學親核反應,生成無溶劑環氧立體型網狀結構的金屬氧化物聚合涂層。高性能無溶劑環氧改性涂料對潮濕帶瞬銹的金屬表層可以產生極強的浸潤性和滲透性,環氧漆料中極具活性的的大分子極性基團與金屬表層的分子極性基團相互吸引,從而使涂層與金屬表層產生化學反應強力原子吸引結合。

優龍無溶劑環氧漆料涂刷在潮濕帶瞬銹的金屬表面時,極具浸潤性和滲透性的漆料可充分滲入到金屬表面的針孔中,與金屬基體分子強力親合并把針孔中的水氣和氧化鐵銹乳化溶解于涂層中,無溶劑環氧漆料中加入的經特殊親水改性的某些顏填料,會形成可疏水的活性基團,配合了漆膜固化反應時所產生的化學強力排水功能,通過離子交換,可把金屬表面的水氣和氧化鐵銹中分解出來的結晶水徹底逸出涂層。當無溶劑環氧涂層固化封閉后,該疏水活性基團的分子鍵也隨著固化而消失,從而鈍化了金屬表面,防止金屬活化,金屬表面獲得了理想的干燥封閉狀態。當金屬表面獲得強固密閉,在完全干燥無水分的情況下,各種類型的電化學腐蝕就不易發生。由高性能無溶劑環氧漆料和水氣、氧化鐵銹轉化物在金屬表層所強力化合形成的強固屏蔽涂層,堅韌致密,有超強的附著力、優良的抗衡耐磨性能和優異的防銹耐蝕性能,更具有獨特的長效疏水功能,可持久阻止水汽、鹽霧等有害介質對涂層的侵蝕危害,涂層隨著防腐年限的延長而漆膜性能并不退化。

2.2 優龍無溶劑環氧涂料ES301產品主要技術性能指標

表2列出的是美國海軍涂料研究所和巴西海洋石油公司等國外權威機構對優龍無溶劑環氧ES301產品所做的主要物理性能和抗化學性能的技術指標檢測。

表2 優龍無溶劑環氧ES301產品主要技術性能指標

2.3 優龍無溶劑環氧高邊棱保持率涂料的研究

(1)低邊棱保持率涂層的后果 由于涂層厚度不同而導致的早期腐蝕過程與鋼鐵涂料的防腐方式有關。涂料的防腐機制有多種,以下兩種涉及到膜層厚度:物理障礙和抗電解。低膜層厚度意味著鋼表面的物理障礙小,從而使導致腐蝕的化學物(如潮濕水汽和鹽霧)易于侵入。而厚度的減低也隨之降低了膜層的抗電解能力,使腐蝕過程更加容易。焊縫也存在著低邊棱保持率的現象。這不僅會導致鋼材耗損,還會導致嚴重的結構問題。在很多情況下,鋒利邊棱的涂層都會受到機械損傷:碰撞和磨損。厚度降低后,邊棱就更容易因機械損傷而不易防腐。低邊棱保持率還會導致一個區域中出現許多腐蝕了的鋒利邊棱。

(2)如何解決問題 邊棱焊縫涂裝保持率問題的解決方案有兩種:①傳統的方法是打磨鋒利的邊棱或在關鍵部位(如邊棱或焊縫)使用附加涂層(條形涂層),這需要更多的時間、漆料和人力,從而加大了防腐工程施工的總成本;②使用高邊棱保持率的涂料,這種涂料需要專門生產加工,以提高其邊棱保持率,從而使鋒利邊棱的膜層厚度在固化后能非常接近平滑表面的膜層厚度。顯然,后一種方法較節省成本且技術上較易接受。

(3)發展高邊棱保持率涂料的步驟 導致低邊棱保持率的因素之一是溶劑涂料中所含的溶劑,它促使了涂料從邊棱焊縫上脫落。某些含溶劑的環氧樹脂涂料的邊棱保持率只有20%。邊棱和焊縫上的溶劑揮發相對較快,這就導致了邊棱焊縫部位和平面間的密度不均和表面緊縮。

高邊棱保持率涂料除不含溶劑外,還需考慮涂料的表面張力和流變能力。涂料有一個具有觸變作用的流變結構。最初,涂料是稠厚的液體,當輕微的力作用于它時,它便有相對的流動性;而作用力撤去后,涂料應較快地恢復其流變結構。流變結構的快速恢復對邊棱保持率極為重要。

此外,涂料的表面張力也起著不可忽視的作用。由于邊棱和焊縫面積較大,因而邊棱和焊縫外表層分子被“拉走”在別處積聚的趨勢要強于平面處。這種“拉”將會導致局部的體積減小,從而導致膜層厚度的減低。上述“拉”的影響力隨表面張力的減少而遞減,因而降低表面張力有助于提高邊棱保持率。正是基于對上述流變能力和表面張力的考慮,我公司研制出了無溶劑的高邊棱保持率環氧涂料系統。

(4)測試結果 我們對新的高邊棱焊縫保持率的無溶劑環氧涂料的評估借助了鹽霧實驗和顯微鏡檢查。實驗研究表明:我們研發的高邊棱保持率的無溶劑環氧涂料的邊棱保持率最高達到了90%。表3列出經過1 000 h鹽霧試驗后邊棱焊縫部位的涂層附著力性能情況。

表3 1 000 h鹽霧試驗后邊棱焊縫部位的防腐涂層性能

2.4 優龍無溶劑環氧重防腐涂料產品特性和涂層系統特點

優龍先進環保的溶劑環氧涂層系統與高效無塵的超高壓水表面處理新技術相結合,創造性地為海洋工程與船舶維修防腐工程提供了“生態環保、節能減排、長效防腐”的解決方案。優龍無溶劑環氧海洋防腐涂裝技術標準已被美國海軍和巴西海洋石油公司引用,作為美國海軍航空母艦、核潛艇以及巴西(FPSO)深海鉆井采油平臺等海洋工程長效重防腐的參考標準。表4列出了優龍創新解決方案的主要產品特性和系統特點。

表4 優龍無溶劑環氧重防腐涂料獨特的產品特性和涂層系統特點

目前國內許多船廠還沒有大面積使用超高壓水射流表面處理新工藝,在船廠新建或維修船舶現有涂裝工藝標準下,單獨使用優龍無溶劑環氧創新涂層系統,同樣可以達到長效重防腐保護的效果。超強的附著力、在潮濕帶銹表面直接施工、良好的邊緣保持率以及超高壓水射流先進環保的表面處理新工藝是這一高性能無溶劑環氧創新涂層體系的基礎。

3 優龍無溶劑環氧海洋重防腐創新解決方案的典型工程應用

巴西海洋石油公司對優龍無溶劑環氧ES301體系進行了各種嚴格的檢測。檢測結果表明,它具有超強的海洋防腐性能。為此,在巴西諸多項目中它被予以大力推廣。截至目前,巴西海洋石油公司使用優龍ES301涂料體系已經涂裝了大型儲油輪式海洋平臺等幾千萬m2的設施。

又如,美國海軍采用超高壓水表面處理工藝和優龍無溶劑環氧ES301,致使艦船防腐年限延長,其一個艦隊每年即可節省600萬美元的維修防腐費用。優龍無溶劑環氧涂層體系還被美國海軍批準在最苛刻的無露點限制的潮濕表面使用。

再如,我國遠洋等船公司的多艘油輪的壓載艙于2004年采用優龍ES301涂料進行了維修涂裝,并又于2005年用以對處于腐蝕環境極其惡劣的我國南極長城站鋼結構和混凝土結構做了維修重防腐,其在經受了近6年的考驗后,至今運行良好。

4 結論

優龍無溶劑環氧重防腐涂層系統與超高壓水射流表面處理新工藝相結合,是滿足中國船級社“IMO”新的涂裝標準的創新性解決方案,在制定適宜的防腐保護技術方案時,優龍這一創新無溶劑環氧技術的采用,被確信為解決海洋工程和船舶制造與維修等工業領域的長效防腐提供了成功并可靠的解決方案。為了滿足更低的成本、更好的涂層性能和更安全使用等方面要求,現針對海洋工程和船舶工業的長效重防腐應用提出以下幾點建議:

(1)超高壓水處理至Wj2-M(SSPC SP12/SSPC Vis-4)作為可采取的表面準備方法;

(2)涂層最少12 MPa的附著力,可以超過噴砂Sa 2.5的涂層質量標準;

(3)強制性規定:使用無溶劑環氧涂料;

(4)與施工相關的涂料特性被采用(如,涂料在25℃時開罐使用時間＞2 h,使用高壓無氣噴涂方法施工,壓力比≥60∶1,涂層與熱焊接相兼容);

(5)推廣優龍無溶劑環氧創新涂層體系。

綜上所述,優龍無溶劑環氧創新涂層體系作為世界領先的生態環保、低表面涂裝、長效重防腐高科技產品,其獨特而領先的高性能與超高壓水射流表面處理新工藝結合使用,有效解決了海洋工程、造船、修船、石油化工、國防軍事裝備和水電設施等防腐工程中的許多技術難題,使各種惡劣環境條件下的防腐施工方便易行,在大量節省工時、大幅降低防腐造價的同時,能確保涂層的長效防腐功能,減少停產及設備維護次數,有效保護并延長設備的使用壽命,從而大幅度節省防腐治理的投資費用,大幅度減少腐蝕造成的危害和經濟損失。

A New Generation of Solvent-Free Epoxy Intelligent Anticorrosion Coating System

LIU Jian-ka
(Euronavy Heavy Anticorrosion Coatings Co.,Ltd,Nanjing 210047,China)

New development trend of offshore heavy-duty anti-corrosion coating is elaborated,aiming at settling technical problems in traditional anticorrosion coatings.Put great emphasis on introducing a new kind of technology called ultra-high pressure water-jet surface preparation,it can be applied directly on 100%humid surface with flash rust and instantaneous rust,and with advantages of ecological environmental protection,nontoxicity,anti-flaming,low surface preparation,strong adhesion,high edge retention rate,and long term anticorrosion.

solvent-free epoxy;intelligent anticorrosion,ultra-high pressure water jet

TB304

B

2009-07-29;修改稿收到日期:2010-01-25

劉建卡(1979-),男,高級工程師,主要從事超高壓水射流理論和應用技術研究。

1001-4500(2010)02-0050-07