0 前言
随着“十二五”规划的颁布及展开,国家通过一系列的政策调整,使社会对实施可持续发展的战略有了更加清晰的认识。加快建设资源节约型和环境友好型社会,促进经济发展与人口、资源、环境相协调,已经成为我国的基本国策。在工业产品方面,由于溶剂型涂料存在先天性的对环境污染严重的弊病,水性涂料逐渐进入了人们的视线。针对我国风电设备市场,到2011年,风电设备的总装机容量已达5 441万kW,位居世界第二位,紧随美国之后;新增装机容量位居世界,这将会大大增加对风力发电设备的需求。本文即阐述一种新型水性富锌涂料,主要用于风电塔筒、塔架等设备,具有涂装效率高、硬度好、防腐性强、节能环保等优异性能。
1 试验部分
1.1 原料和设备
原料:进口水性环氧乳液;去离子水,自制;消泡剂,迪高;基材润湿剂,拜耳;进口水性环氧固化剂;防沉触变剂,瓦克;水性纳米级锌粉。设备:烧杯(300 mL、500 mL);TD6001电子天平,天津天平仪器有限公司;JJ-1增力电动搅拌器、QTS型漆膜柔韧性试验仪,天津材料试验机厂;YWX/Q—150型盐雾箱,无锡苏南试验设备有限公司;QFH漆膜划格仪,天津市道里试验机厂。
1.2 基础配方
水性环氧富锌涂料基础配方见表1。
1.5 耐盐雾性测定
2 结果与讨论
1.3 试验步骤
1.3.1 制备水性环氧富锌涂料
将水性环氧乳液、去离子水、消泡剂、基材润湿剂按配方数量称量依次加入到烧杯中,搅拌均匀后用200目滤布过滤,制成A组分;将水性环氧固化剂、去离子水、消泡剂、防沉触变剂按配方数量称量依次加入到烧杯中,搅拌均匀后用200目滤布过滤,制成B组分;将锌粉单独制成C组分。
1.3.2 样板的处理
将A、B、C组分按照2.3︰1︰7.1的质量比例配制水性环氧富锌涂料,将3组分搅拌均匀后待喷板。样板及表面清洗处理要求按国标GB/T 9271规定进行,打磨马口铁板和冷轧钢板,用400#砂纸沿着样板任何一边的平行方向平直均匀地来回打磨,然后用酒精擦净试板。
1.3.3 样板的制作
用去离子水将水性环氧富锌涂料稀释至适当黏度,用喷枪喷涂。将喷涂后的样板水放置于空气干燥箱中,干膜厚度在50~60 μm,然后在规定条件下放置10~15 d进行试验,喷涂样板后进行目测观察,要求样板涂膜的光洁度要好,涂膜表面也应平整、无颗粒,而后进行性能测试。涂膜厚度测试按国标GB/T13452.2规定进行。
1.3.4 样板的后期制作
将制作完毕的样板用透明胶带封边,同时测量涂膜的厚度,然后根据GB/T 1771—1991推荐GB/T9286中的单刃切割器进行“划叉”。按照GB/T1771—1991中规定,使划痕离试板的任一边缘大于20 mm,划线时应划穿底材上所有有机涂层至金属基体,产生1条或数条不带毛刺的均匀亮线,应划至露出金属基体。
1.4 技术指标
用于风电设备的水性环氧富锌涂料的各项性能测试结果如表2所示。
1.5 耐盐雾性测定
参照GB/T 1771—91中的要求,耐盐雾测试需采用冷轧钢板和盐雾箱来检测涂膜的耐盐雾性。防腐涂层的耐盐雾性是指防腐涂层对盐雾侵蚀的抵抗能力。本试验主要应用中性盐雾试验(NSS试验),采用5%的氯化钠盐水作为溶液,pH值调节在中性范围作为喷雾用的溶液。试验温度均取35 ℃。每块耐盐雾板的被试表面朝上,耐盐雾板的放置应不使其互相接触或与箱底接触。试板应周期进行目测检查,一般24 h观察一次。在规定的试验周期结束时,从箱中取出试板,用去离子水冲洗试板表面上的残留溶液,然后立即检查试板表面的破坏现象,如起泡、生锈、附着力、划痕处腐蚀的蔓延等。水性环氧富锌涂料耐盐雾1 500 h后外观见图1。
2.1 水性环氧乳液的选择
作为水性环氧富锌涂料的主体,水性环氧乳液对于整个涂料的硬度、附着力、耐盐雾等性能起着至关重要的作用,因此水性环氧乳液的选择成为了配方设计时的首要考虑因素。因目前市面上的环氧乳液绝大部分为溶剂型体系,所以环氧乳液的亲水性便显得尤为重要。通过试验发现,采用化学改性的方法,选择多官能团酚醛环氧树脂和醇胺类物质进行定量加成反应的环氧乳液在结构上既具有环氧基团,又有亲水性基团,使此乳液既有环氧性能的同时又有较好的亲水能力。
2.2 水性环氧固化剂的选择
水性环氧固化剂作为水性环氧体系的B组分,在水性环氧富锌涂料中也发挥着不可或缺的作用,好的环氧固化剂能够大限度地发挥水性环氧乳液的性能。通常主要从环氧固化剂的胺值、活泼氢当量、固化时间、与乳液的交联密度等方面去选择合适的水性环氧固化剂。通过大量的试验验证,以改性多元胺为主体的环氧固化剂与所选用的水性环氧乳液十分匹配。
2.3 水性环氧乳液与水性环氧固化剂比例的选择
作为一个双组分涂料,其A、B组分的比例也十分重要,环氧乳液与固化剂添加量的多少也影响着涂料的干燥时间、硬度、耐盐雾性等性能。通过环氧乳液的环氧值和环氧固化剂的活泼氢当量的计算和试验验证,水性环氧富锌涂料的A、B、C组分以2.3︰1︰7.1的比例为佳,此时涂料的涂膜硬度能够达到3H,附着力与柔韧性均为一级,耐盐雾与耐水均能达到1 500 h以上。
2.4 水性消泡剂的选择
水性环氧富锌涂料为高PVC涂料,其干膜锌含量大于80%,这就造成了涂料在配置过程中容易起泡的问题,为此必须选择合适的水性消泡剂,既要有很强的消泡作用又不能使整个涂料因为消泡剂的添加造成鱼眼、缩孔、流平性不好等问题。通过试验发现,迪高公司的1款改性有机硅消泡剂能够达到要求。
2.5 防沉触变剂的选择
水性环氧富锌涂料因其锌粉比重大、添加量多,故必须添加适量的防沉触变剂来改变其极易沉降的弊端。目前此类助剂多为气相二氧化硅,然而对于同一气相二氧化硅的不同技术处理也影响着防沉触变的效果。在配方设计过程中选用了德固赛的A200和德国瓦克的N20ST进行对比试验,添加适量制备成涂料后放于50 ℃的保温箱中测试涂料稳定性。经试验发现,德国瓦克的N20ST在放置15 d后整个涂料状态仍十分良好,故此选用N20ST作为本试验的防沉触变剂。
2.6 锌粉的选择
水性环氧富锌涂料的锌粉含量超过80%,故对于锌粉的选择也十分重要。由于各个厂家对锌粉的处理不同,不同厂家的锌粉性能也不尽相同。在选择锌粉的过程中,锌粉含量、在涂料中的分散性、在喷涂后表现出来的物理化学性能都是需考虑的因素。
3 对比试验
在通过对一系列原材料(包括环氧乳液、环氧固化剂、消泡剂、触变剂、锌粉等)的分析筛选后,又分别使用了美国空气产品公司和美国瀚森化工所提供的水性环氧树脂和固化剂进行对比试验(配方见表3、表4),并与之前所确定的水性环氧富锌涂料配方进行性能比较。
将试验确定的配方和2个参考配方制成涂料后在相同环境下喷板进行性能测试,检测结果见表5。
通过表5可得出结论:无论是检测涂膜硬度、附着力、耐冲击等物理性能还是检测涂膜耐水、耐盐雾等化学性能,本试验所确定的水性环氧富锌涂料配方均优于其他配方。
4 结语
尽管当前我国的国电塔筒用涂料仍然以溶剂型进口涂料为主,水性涂料的发展仍不是很成熟,在水性重防腐方面面临着较大的挑战。但是我们相信随着国家战略的调整,支持水性涂料政策的颁布,水性涂料依靠其节能、环保、重防腐、施工安全等优势会有更加光明的未来。