納米改性聚硅氧烷重防腐涂料在潮濕環境中的涂裝技術創新

薛彥磊

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

選煤廠各類設備、設施主體主要為鋼結構。在長期潮濕的環境中，暴露在外部環境中，極易受到外部環境的腐蝕，也可能受到各種工業氣體的腐蝕，例如硫化物、氮氧化物等物質，深層腐蝕鋼結構。在潮濕環境下的選煤廠鋼結構外表會有一定厚度的水膜層，此時，鋼結構與外部空氣之間的濕度達到100%。受到選煤廠自身環境的影響，外部環境中含有大量的二氧化硫等具有腐蝕性的氣體，鋼結構外表的水膜便容易破裂，進而遭受腐蝕[1-2]。

為了應對以上因素對潮濕環境中選煤廠鋼結構的腐蝕影響，作出預防改善，我國科研人員曾應用防腐蝕涂裝的方式[3]，結合選煤廠內的環境特征以及鋼材結構的自身特性，采取了外表面凈化、表面噴砂除銹、涂抹氟碳面漆、涂抹環氧云鐵中間漆等手段；但是這幾種方式的應用沒有形成完整的技術實施體系，在沒有技術標準的前提下容易因為化學反應的原因對施工人員造成不可預測的病變，環保健康方面較差。另外，引入了防腐蝕涂裝技術[4]，利用鋼結構的導電性，向鋼結構中引入微電流，當電流在鋼結構擴散的過程中向鋼結構外表噴灑少量的干粉，使鋼結構外表面排斥外部水分與污染物，這種方法一般還配合著涂料方案共同進行。首先，在鋼結構表面涂抹無機富鋅底漆和環氧富鋅底漆；然后再涂上一層中涂漆；最后噴涂上一層丙烯酸聚氨酯面漆，整體起到微電離子和涂料共同防腐蝕的效果。但是這種方案的作用時間較短，需要長期地進行維護，消耗大量的成本。

本文根據潮濕環境特點，對選煤廠鋼結構防腐蝕涂裝技術進行設計，構建一套完整的、效果好、成本低、環保、工藝簡單為特點的可實施技術方案。

1 工程概括

選擇的選煤廠為哈拉溝選煤廠，該選煤廠的主廠房坐落在陜西省神木市，由2個多層鋼框架結構單元和不同的鋼支架木塊構成。對多層鋼框架構單元進行命名，分別命名為Ⅰ區和Ⅱ區；對獨立的鋼支架結構進行命名，分別命名為AB模塊和C模塊。建立多層鋼框架結構，形成獨立基礎支柱。

對選煤廠的原塊煤車間進行分析，Ⅰ區原塊煤車間建立于2005年，分為6層，內部引入了振動篩選設備。

Ⅱ區建立于2010年，不僅加入了更大的振動篩設備，同時也增加了離心機設備。

AB模塊主要為4層，內部同樣加入了振動篩和離心機設備。

對廠房整體都進行了加固，但目前仍然存在異常振動的問題，一旦工作，廠房出現振動，工作人員的身心健康都會受到影響；因此，必須重新對廠房振動較大的部位進行加固，并且增強廠房的加固和防腐工作。

2 潮濕環境中的選煤廠鋼結構防腐蝕涂裝體系

潮濕環境中的選煤廠鋼結構防腐蝕涂裝體系的設計基本原則是在潮濕容易腐蝕的環境下，使得選煤廠內的鋼結構設備設施涂裝部位能夠長期不受腐蝕，所涂裝的應用成本和維護成本達到選煤廠的相關標準[5-6]。不僅具有較高的防腐蝕效果，同時還具有較好的經濟性能。

對防腐蝕涂裝體系的設計主要從涂裝層的原料方案選擇和涂裝厚度2方面入手。目前，國內的大多數鋼結構材質中均有一層長壽命的防腐蝕體系，這套原有的防腐蝕體系可以起到電化學保護的作用，能夠針對選煤廠中的空氣污染、化學污染等因素進行有效控制；但是，在潮濕環境下，這種鋼結構原有防腐蝕體系很容易被外部水分子破壞，為此，需要選用能夠幫助電化學保護持久的涂層，同時還要滿足耐久性、防潮濕性能的涂料[7-8]。

本文設計的防腐蝕涂料基本體系由3層組成：第1層是涂裝底漆，主要原料為納米改性聚硅氧烷重防腐涂料底漆一道和環氧富鋅底漆一道。遵守《色漆和清漆漆膜厚度的測定》規定的測量方法，保證底漆的干膜厚度超過80 μm[9]。改性的SiO2的沉降體積要高于未改性的SiO2的沉降體積，具體如圖1所示。

圖1 改性前后SiO2沉降速率Fig.1 SiO2 sedimentation rate before and after modification

由圖1可知，改性后的SiO2的沉降體積維持在25 mL；而未改性后的SiO2的沉降體積維持在13 mL，保證其防腐能力。

第2層是中層涂層，主要原料有高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片，為保證中間涂層的效果，引入了3道中間漆，設定的干膜厚度超過160 μm。高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片重防腐中間漆的質量分數如圖2所示。

圖2 高氯化聚乙烯重防腐中間漆質量分數Fig.2 Mass fraction of high chlorinated polyethylene heavy-duty anticorrosive intermediate paint

由圖2可知，當粒徑為85×10-3mm時，高氯化聚乙烯重防腐中間漆質量分數最高；本文在選擇高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片重防腐中間漆時，盡量選擇粒徑在85×10-3 mm左右的中間漆，因此選擇環氧云鐵涂漿作為中間漆。

第3層是面層，主要原料同樣為高性能的耐候面漆，利用高氯化聚乙烯不銹鋼鱗片建立防腐面漆2道，設定的干膜厚度超過60 μm。

在3層涂裝體系建立完整的涂裝順序后，對涂裝厚度和涂裝位置進行標準化設定，對選煤廠的所有鋼結構，涂裝相同厚度的涂層是遠遠達不到防腐蝕效果的[10-11]。因此，防腐蝕涂裝底漆的厚度一般設定在70 μm左右，根據ISO 12944的涂裝設計標準，底漆的涂裝厚度標準為40～80 μm，這個范圍內的厚度并不適用于鋼結構的任何一個部位。在潮濕程度不顯著的地方，可以適當降低富鋅底漆的厚度，利用中間層的高厚度來補充底層的材料。防腐蝕涂層的其他層更加注重涂抹范圍和施工成本，只要保證涂層的厚度在標準設計范圍內即可，且滿足涂層內部的壓力，不會出現鼓包、凹陷等缺陷。為了進一步延長防腐蝕涂層的防腐蝕年限，還可以在第1體系涂層膜風干后進行第2體系涂層的施工，不斷持續以上操作，保障最終的鋼結構外表層涂層厚度平均可達320 μm[12-13]。涂裝步驟為第1道底漆干燥5～6 h后進行刮涂，刮涂過程中采用低彈環氧樹脂膠泥找坡平整；然后將防腐蝕漆干燥1 d進行第2次刮涂。利用高強柔韌耐腐蝕漆抹涂第1道，在干燥8 h后抹涂第2道，重復干燥和抹涂至第4道，干燥1 d后最后驗收。

3 潮濕環境中的選煤廠鋼結構防腐蝕涂裝技術

本設計的防腐蝕涂料以軟質膠粘劑為主要形式，能夠承受選煤廠中鋼結構的大幅度振動和硬材料的刮碰。軟質膠粘劑選擇了酚醛膠粘劑。在酚醛膠粘劑的設計中，采用了熱固性酚醛樹脂為基礎原料，在原料中添加一定量的固化劑；然后再將無機填料融入其中，形成具有粘合力的膠狀物，該防腐蝕涂料的效果體現在環氧、有機硅等化學反應元素中，在酚醛膠粘劑中額外增加一定量的環氧樹脂能夠顯著提升它的抗耐能力，可以作為底漆涂料涂裝在鋼結構上[16]。

另外，還有一種呋喃系膠粘劑，這種類型的膠粘劑融合了大量的硬化劑和填料，使其內部的糠醇、糠醛等具有高熱固性能的原料混容交聯。此類膠粘劑呈現堿性，有著極強的抗壓能力，同時還可以在高溫的環境下保持性能的穩定，這類膠粘劑的設計主要是應用在選煤廠的內部工作流程設備設施涂裝上。

環氧膠粘劑更多應用在涂裝體系的最外層，作為面漆使用，具有穩定的氣密性和收縮性。但這種材料制造成本較高，且需要與其他的涂層配合使用才能發揮最大效果，所以將其應用在各涂層之間的過渡區域，節省成本。

聚氨酯膠粘劑是作為涂裝體系中的中間層設計的。相比于其他的膠粘劑，聚氨酯膠粘劑具有抗剪切的強度和抗沖擊的特性，柔韌性能十分優越，能在基材之間形成軟-硬過渡層，不僅粘接力強，同時還具有優異的緩沖、減震功能。該膠粘劑干燥速度較快，低溫度環境下成膜性良好，十分適合應用在潮濕環境下的選煤廠鋼結構上。聚氨酯膠粘劑的粘合溫度一般控制在50～90 ℃。涂裝技術流程如圖3所示。

圖3 涂裝技術流程Fig.3 Coating technology process

潮濕環境下選煤廠鋼結構防腐蝕涂裝技術的實施，首先需要對鋼結構的外表面按照GB 8923—1988進行打磨處理，使鋼結構表面的噴砂條件達到Sa2.5級，粗糙程度可以滿足底漆涂料的噴涂。在打磨噴砂工作結束后應用清潔氣體進行吹干，然后在鋼結構外表面氧化6 h內完成整體的涂裝技術[18]。

接著將不同層次的涂料分組開封，在涂料使用前充分攪勻，并根據涂裝技術標準在不同鋼結構的部位使用相應的涂裝膠粘劑。在常規的涂裝技術下，還可以在涂料中添加少量的鋅稀釋劑，添加后的涂料可以延長攪拌周期，從而提升工作效率。涂料涂裝的大部分施工最佳環境溫度在-5～35 ℃，空氣濕度在98%以下，涂層與涂層之間的施工間隔時間為5～6 h。

最后，對外部的其他涂料進行裝涂，例如環氧封閉漆可以作為最外部的雙層面漆，一般會在鋅加涂料涂裝完1 h內進行，在裝涂的過程中需要實時保持裝涂環境。中間層的環氧云鐵涂料同樣是在底漆涂裝完成后的1 h內完成；但是環氧云鐵涂料的涂裝厚度需要根據實時的工作環境濕度情況確定。其他類型的膠粘劑、面漆等裝涂材料則需要按照技術標準說明書完成施工。

4 結果分析

為驗證本文提出的潮濕環境中的選煤廠鋼結構防腐蝕涂裝技術的有效性，選用本文提出的涂裝技術與傳統的基于外表面凈化的防腐蝕涂裝技術、基于用鋼結構的導電性的防腐蝕涂裝技術進行實驗對比。

選用哈拉溝選煤廠Ⅰ區獨立鋼結構支架作為實驗對象，在未進行實驗之前，鋼結構都屬于完整結構，不存在腐蝕；同時使用本文防腐蝕涂料和傳統防腐蝕涂料進行涂抹，將涂抹后的鋼結構和未涂抹鋼結構放入潮濕環境，每隔20 d進行一次測量，得到的防腐能力測量實驗結果具體如下。

4.1 20 d防腐能力測量結果

第20 d防腐能力測量結果如圖4所示。

圖4 第20 d防腐能力測量結果Fig.4 Measurement results of anti-corrosioncapacity on the 20th day

由圖4可知，未涂抹防腐蝕材料的選煤廠鋼結構出現較明顯的腐蝕情況，涂抹傳統的防腐材料雖然能夠起到一定的防腐效果；但是防腐能力相對較差。本文提出的防腐技術具有很強的防腐能力，鋼結構基本沒有出現腐蝕，能夠保持完整。

4.2 40 d防腐能力測量結果

第40 d防腐能力測量結果如圖5所示。

圖5 第40 d防腐能力測量結果Fig.5 Measurement results of anti-corrosioncapacity on the 40th day

由圖5可知，隨著時間的增加，在潮濕環境下，鋼結構受到的腐蝕越來越嚴重，基于外表面凈化的防腐蝕涂裝技術的腐蝕面積越來越大，腐蝕率超過40%?；谟娩摻Y構的導電性的防腐蝕涂裝技術雖然也能夠進行抗腐蝕，但也難以控制腐蝕面積的逐漸增大，腐蝕率超過35%。本文提出的防腐蝕技術仍然能夠保持一個非常好的腐蝕效果，腐蝕率低于1%。

4.3 60 d防腐能力測量結果

第60 d防腐能力測量結果如圖6所示。

圖6 第60 d防腐能力測量結果Fig.6 Measurement results of corrosionresistance on the 60th day

由圖6可知，在第60 d未涂抹防腐蝕技術的鋼材料腐蝕率已經超過了80%；涂抹傳統的基于外表面凈化的防腐蝕涂裝技術后，鋼材料腐蝕率已經超過了65%；涂抹基于用鋼結構的導電性的防腐蝕涂裝技術腐蝕率已經超過了55%；涂抹本文提出的防腐蝕技術腐蝕率低于10%，在潮濕環境下，仍然可以很好地實現防腐工作。

綜上所述，本文提出的防腐技術在初期就體現出了極好的防腐性能，且隨著時間的增加，傳統防腐技術的防腐效果越來越差，面對潮濕環境，局限性越來越高，被腐蝕的面積也隨之增加。而本文提出的防腐蝕技術依然具有很強的防腐蝕能力，尤其是在潮濕環境中，表現出極強的能力，十分適合應用在實際工作中。

5 結語

防腐蝕涂裝技術是目前在潮濕環境下選煤廠鋼結構防腐蝕措施最有效且成本最低的方式之一，為了適應選煤廠的工作環境，本文設計的防腐蝕涂裝技術可以應對更復雜的涂裝環境，多種類的防腐蝕原料建立了一個完整的涂裝體系，為更多場合的鋼結構防腐蝕工作提供了基礎條件。

但是本文的研究更多是基于材料的選取與配置，在實際性的施工流程方面還存在一定的缺陷，所以在后續的研究過程中應當加強對涂裝技術的實際操作流程方面的研究。