儲罐外壁用無溶劑聚脲涂料的研制及性能研究

王兆坤 劉江 董斌 李建忠

摘 要：目前國內儲罐涂料多為溶劑型涂料，對環境及施工人員身體損害嚴重，并且儲罐防腐結構復雜，施工工藝繁瑣、施工成本較高，本文針對這些問題以聚天門冬氨酸酯、HDI三聚體、紫外光吸收劑等為原料合成了無溶劑聚脲耐候防腐涂料，可一次涂刷滿足復合結構性能指標。本文討論了樹脂、固化劑、紫外光吸收劑對涂層性能的影響并通過掃描電鏡、紅外光譜、能譜分析比較了聚氨酯涂層和聚脲涂層老化前后的微觀形貌與化學結構成分的變化，探討了涂層的耐紫外老化機理。

關鍵詞：儲罐；耐候性；紫外光老化；聚脲

一、實驗部分

（一）實驗原料

支化聚酯聚醚多元醇A，工業品，Bayer公司；聚天門冬氨酸酯樹脂B，自制；HDI三聚體N3300，工業品，Bayer公司；紫外光吸收劑Tinuvin1130，汽巴公司；觸變劑氣相二氧化硅；消泡劑BYK085；流平劑EFKA3239；分散劑BYK-108；催干劑采用桂月二丁錫；顏填料采用沉淀硫酸鋇、三聚磷酸二氫鋁、金紅石鈦白粉、分子篩。

（二）制備方法

采用一步法制備涂料，合成工藝如下：

本實驗采用雙組分體系，無溶劑耐候防腐涂料A組分由成膜樹脂、金紅石鈦白粉、三聚磷酸二氫鋁、沉淀硫酸鋇、分子篩、紫外光吸收劑、分散劑、消泡劑、流平劑、反應促進劑等組成。B組分為帶有-NCO基的脂肪族異氰酸酯，使用時將兩組份混合，利用-OH或-NH與-NCO反應固化成聚脲涂層或聚氨酯涂層。

生產工藝：首先將樹脂在120℃左右真空干燥箱中脫水2h以上，測得含水率低于0.05%后密封儲存備用。然后在脫水后的樹脂中依次按比例加入預先干燥的顏料、填料、分散劑、消泡劑、觸變劑、分子篩、催干劑，采用高速分散機高速分散30min，將分散后的涂料通過研磨分散設備進行充分分散，分散和研磨過程中采用冷水機提供冷卻水循環降溫，溫度控制在80℃以下，分散研磨后測量涂料細度，滿足細度要求后通過100目過濾篩網去除各種雜質和大顆粒，制得成品涂料A組分。

B組分為含-NCO基團的異氰酸酯固化劑。將A、B組分按照一定的比例混合均勻后涂刷制備涂層，常溫固化7天后測試性能。

（三）性能測試與結構表征

彎曲性能按照SY/T 0315《鋼制管道單層熔結環氧粉末外涂層技術規范》規定的方法進行測量；附著力按照SY/T 0315《鋼制管道單層熔結環氧粉末外涂層技術規范》規定的方法進行測量；涂層拉伸強度按照標準GB/T 528《硫化橡膠和熱塑性塑料橡膠拉伸性能的測定》方法測試；耐鹽霧性能按照GB/T 1771《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》規定測試。人工氣候加速老化試驗采用SY/T 0320《鋼質儲罐氯磺化聚乙烯外防腐層技術標準》，試驗條件為60℃、4h熒光紫外照射與40℃、4h冷凝暴露交替循環，每隔250h進行一次光澤測定和色差測定。

二、結果與討論

（一）樹脂對涂層性能的影響

試驗測定了兩種材料聚氨酯A和聚脲涂層B的物理性能和耐中性鹽霧性能。從表1可以看出聚氨酯涂層對鋼附著力為5Mpa，而且均為內聚破壞，說明聚氨酯涂料耐破壞性能差于聚脲材料，聚酯聚醚多元醇與HDI三聚體形成的涂膜韌性較好，為彈性體材料，這點也可從拉伸強度得以體現，聚脲涂層拉伸強度均大于40Mpa，顯著高于聚氨酯涂層[2]。

聚天門冬氨酸酯和聚氨酯都具有良好的耐鹽霧腐蝕性能，非劃痕處均未起泡。聚天門冬氨酸酯較聚氨酯耐鹽霧性能稍好。聚脲涂層對鋼附著力為10Mpa，而聚氨酯材料為彈性材料，對鋼附著力只有5Mpa。聚天門冬氨酸酯與金屬附著牢固，抑制了鹽霧及銹蝕沿涂層與金屬的界面向內滲透。

（二）樹脂用量對涂層性能的影響

試驗采用聚天門冬氨酸酯B樹脂研究樹脂含量對涂層性能的影響，隨樹脂含量的增加，涂層附著力和光澤增加，拉伸強度略有降低。樹脂用量在一定范圍內對涂層機械性能影響不大，但是對耐紫外、耐鹽霧性能影響較大，樹脂含量取35%～40%較為合適。

（三）固化劑的選擇

耐候性聚氨酯和聚脲涂料的固化劑選擇為含-NCO基團的異氰酸酯固化劑，其中芳香族多異氰酸酯，如TDI廣泛用于防腐蝕涂料，價格便宜，但是戶外耐候性較差。脂肪族多異氰酸酯具有優異的抗黃變性。試驗選取HDI三聚體N3300和H12MDI，由于異氰酸酯固化劑可與空氣中的潮氣反應，反應活性低時不可避免的會與潮氣反應生成CO2氣體，殘留在涂層中造成涂層中斷面孔隙率增多。H12MDI不適合一步法反應工藝，而HDI三聚體反應時間較為合適，表干時間在5-20min，因此選取HDI三聚體為反應固化劑。

（四）紫外光助劑吸收劑對涂層耐紫外老化性能的影響

由于光降解反應先是吸收紫外光后，形成自由基，再和氧氣反應形成過氧化物，過氧化自由基屬于高活性物質，和聚合物骨架反應，破壞化學鍵，降解涂層。因此除需選擇耐老化性良好的樹脂，還可在涂料中添加紫外助劑，一反面可以減少涂層本體的光氧化，為涂層下的底層涂料提供紫外屏蔽作用，另一方面可以將來自樹脂或雜質初始氧化產生的自由基在進一步反應前封閉掉，使其失活[3]。圖1為聚天門冬氨酸酯樹脂B中添加不同含量的紫外助劑1130在1000h紫外老化實驗后涂層的失光率實驗結果曲線。可以看出添加紫外助劑量低于1.5%時對涂層耐紫外老化性能提高顯著，當添加量大于1.5%后，并無更多的性能提升。

四、結論

通過SEM、EDS、FTIR分析可知，聚脲涂層耐紫外老化性能明顯優于聚氨酯涂層。SEM測試表明，聚脲涂層耐紫外老化后涂層孔洞明顯少于聚氨酯涂層，涂層更致密；EDS測試表明經紫外老化后聚氨酯涂層C含量降低，O含量增加，表明涂層中的共價鍵同時發生斷裂，放出CO2氣體，使得涂層變得疏松，孔隙率增加。聚脲涂層C含量變化不大，而O含量增多明顯，這說明水氧對涂層的氧化對聚氨酯和聚脲涂層均影響均較大。FTIR測試表明聚氨酯涂層氨基甲酸酯發生斷裂，而聚脲涂層前后變化不大。

參考文獻

[1]虞兆年.涂料工藝[M].北京： 化學工業出版杜，1996.

[2]劉婭莉， 徐龍貴. 聚氨酯樹脂防腐蝕涂料及應用[M]. 北京： 化學工業出版社，2006.

[3]耿舒，高瑾，李曉剛等.丙烯酸聚氨酯涂層的紫外老化行為[J].北京科技大學學報，2009，31（6）：752-757.