低温固化环氧粉末涂料的研制
□ 刘翰锋，张延奎，苏松峰，董翔
(洛阳七维防腐工程材料有限公司，河南洛阳 471039)
结果显示，不同固化剂在150 ℃、20 min的固化条件下的固化性能差别较大，其中固化剂GHJ-1与CJJ-1配合的低温固化性能好，不但涂层理化性能优异，而且贮存稳定性优异，符合我们对低温粉末涂料的设计要求，选为本低温固化体系的固化剂。
0 前言
近年来随着石油、天然气用量的增加，输油、气管线的建设需求不断增大，由于天然气、石油大多集中在荒漠、极地冻土带以及海洋等边远地区，对管线钢的可靠性和经济性提出了更高的要求。为了保证管道的结构稳定性、安全性和经济性，采用高钢级管线钢(X80、X100、X120)将成为未来管线建设的一个趋势。然而，采用现有管道防腐技术对高钢级钢管进行涂覆处理，由于较高的涂覆温度会使钢管出现明显的应变时效硬化，使得钢管屈服强度和屈强比升高，而屈强比升高会进一步降低钢管抗变形能力。为了保证钢管的力学性能，必须降低涂料的涂覆温度，因此，迫切需要对环氧粉末涂料进行低温固化研究，以适应管道建设的需要，同时还能够实现节能降耗，具有十分重要的意义。
本文对低温粉末涂料的配方设计进行了讨论，并通过对低温固化剂及固化促进剂的筛选研究，研制了一种高性能低温固化环氧粉末涂料，实现了环氧粉末涂料在低温下的快速固化。经测试，该涂料产品理化性能优异、防腐性佳，可用于高钢级管线的防腐应用，市场前景十分广阔。
1 试验部分
1 试验部分
1.1 原料
环氧树脂、固化剂、固化促进剂、钛白粉、云母粉、沉淀硫酸钡、硅灰石粉、流平剂、消泡剂、光亮剂，详细信息见表1。
1.2 试验设备
MIX-5混炼机、EX 30双螺杆挤出机，烟台超远粉末机械；ACM-02/02D微磨粉机，烟台东辉粉末设备；SJ-5静电涂装设备，烟台市万宇静电喷涂设备厂；DSC1热分析仪，瑞士METTLER公司；QCJ-120B漆膜冲击试验机，天津市中亚材料试验机厂；GG-3弯曲试验机，天津市林勇科技；LRHS-225B-LJS高低温湿热交变试验箱，上海林频仪器。
1.3 粉末涂料的制备
低温固化环氧粉末涂料配方见表2。
按配方用量称取环氧树脂、固化剂、颜填料及助剂，使用混炼机进行预粉后，经双螺杆挤出机熔融挤出，冷却压片后用ACM微磨粉机粉碎至要求粒度，即得涂料粉体。
(1)上述各组分按配方比例混合，在高速混炼机上预混3～5 min。
按配方用量称取环氧树脂、固化剂、颜填料及助剂，使用混炼机进行预粉后，经双螺杆挤出机熔融挤出，冷却压片后用ACM微磨粉机粉碎至要求粒度，即得涂料粉体。
(1)上述各组分按配方比例混合，在高速混炼机上预混3～5 min。
(2)熔融挤出条件为：螺杆长径比16∶1，转速500r/min，熔融挤出温度为95～110 ℃。
(3)将压片破碎后的料片加入ACM微磨粉机磨细，经粒度检测符合指标要求，即得目标粉体。
1.4 涂层的制备与性能检测
1.4 涂层的制备与性能检测
选用符合标准的低碳钢样板，采用喷射处理，使之除锈质量达到GB/T 8923要求的Sa2.5级，样板在设定固化温度下预烘烤1 h，采用静电喷涂，在设定固化条件下固化成膜，涂层厚度为300～400 μm。本文涂层各项性能的检测方法主要依据SY/T0315－2005《钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层技术规范》进行，部分性能包括附着力(拉脱法)、体积电阻率、耐高低温的测试均参考相关国标进行。
2 结果与讨论
2.1 固化剂的选择
环氧粉末涂料固化体系中，固化剂活性官能团的多少、种类决定了涂料的反应活性剂对温度的敏感性。固化剂与树脂反应活性越高，则体系发生反应的活化能垒越低，实现涂层固化的温度越低，因此为了实现低温固化，重点在于低温固化剂的选择。经过调研，选取市场上5种低温固化剂产品，按环氧树脂+固化剂+促进剂+流平剂+消泡剂+白炭黑的简易配方进行制粉(见表3)，然后对其在150 ℃、20m in条件下进行固化成膜，对粉体及涂层性能进行测试，测试结果见表4。
2.2 固化条件的确定
为了进一步确定本固化体系的固化条件，采用差示扫描量热法(DSC)对本固化体系的固化动力学进行了研究，不同升温速率下的DSC曲线如图1所示。
从图1可知，随着升温速率的提高，粉体的固化放热峰(Tp)逐渐向高温移动(见表5)，放热峰位置与升温速率密切相关，因此以升温速率对Tp作图，采用外推法至升温速率为0，即可得到粉体恒温下的理论固化温度，见图2。
以此理论固化温度为基准，对粉体在不同温度下进行恒温DSC扫描以研究其固化温度与固化时间的关系，结果如图3所示。随着温度升高，粉体完全固化时间逐渐缩短，143.7 ℃时固化时间为19 min，150℃时固化时间为15 min，160 ℃时固化时间为11 min。由于在实际应用时，粉末涂料的实际固化工艺条件不但要考虑固化温度，而且要兼顾效率，因此，本配方体系的佳固化工艺为150 ℃、15 min。
2.3 颜填料的选择
颜料和填料也是粉末涂料配方中的重要组成部分，颜料的作用是为涂层着色，产生装饰效果，而填料则可以改进涂膜的物理机械性能和降低涂料成本。低温固化环氧粉末涂料使用的颜填料与普通环氧粉末没有太大差别，要求化学性质不活泼，在粉末涂料的制造和贮存过程中不与其他成分起化学反应，对热和光的稳定性好，能够满足上述条件的一般溶剂型涂料中使用的颜料和填料都可使用。对颜料还要求遮盖力和着色力高，这样可以减少相应的用量。在低温固化粉末涂料中可采用的颜料有钛白、铁红、云母氧化铁、镉红、镉黄、炭黑、酞菁蓝、酞菁绿和群青等。可采用的填料有沉淀硫酸钡、轻质碳酸钙、滑石粉、高岭土、沉淀二氧化硅、云母粉和石英粉等。本配方中采用沉淀硫酸钡、硅灰石粉、云母粉、钛白粉等搭配的颜填料体系。云母粉具有片状结构，能很好地赋予涂层屏蔽性能和力学性能，且耐介质性能好又具有片状颜料的延缓介质在涂膜中的渗透，提高涂料耐化学介质的性能；沉淀硫酸钡及硅灰石粉吸油量低，耐化学介质性能良好，适当增加颜填料的量可以提高涂层的耐磨性，同时还可降低成本。
2.4 助剂的选择
助剂在粉末涂料配方中用量很小，但其作用却是不可忽视的，常用的助剂有流平剂、边角覆盖改性剂、消光剂、涂膜增光剂、粉末松散剂、固化促进剂等。经过对比选择，本配方中采用二氧化硅吸附的聚丙烯酸丁酯作为流平剂，聚甲基丙烯酸月桂酯作为增光剂，安息香作为消泡剂，气相二氧化硅作为粉末松散剂，通过这些助剂的添加，明显改善了体系的状态，提高了粉末涂料的流动性，利于施工；有效消除厚膜中的气泡，保证涂膜的致密性；改善了涂料的流平性能，获得较好的涂膜外观。
2.5 低温固化环氧粉末涂料性能指标
经过对配方各组分的筛选，得到了符合低温固化要求的耐蚀性环氧粉末，对其粉体及涂膜进行性能测试，测试结果见表6。
从表6可以看出，试验研制的高性能低温固化环氧粉末涂料的抗冲击、抗弯曲、附着力、耐磨性、抗阴极剥离及耐化学腐蚀性能与高温涂覆的常规熔结环氧粉末性能相当，具有优异的物理机械性能和防腐性能。
2.6 经济效益分析
本低温固化环氧粉末涂料，不仅可以实现粉末涂料的低温固化，降低生产过程中的能源消耗，而且还可以使粉末涂料的应用领域不再局限于常规耐热基材，可用于特种钢材及其他热敏性基材的防腐应用。
3 结语
通过对固化剂的筛选，颜填料及助剂的选择，设计开发出了一种高防腐性的低温固化环氧粉末涂料，本配方产品可于150 ℃、15 min条件下实现固化，涂层物理机械性能与高温涂覆的常规熔结环氧粉末性能相当，防腐性能优异，可用于高钢级管线的防腐应用，具有广阔的市场应用前景。
