徐臘梅，婁月霞 （中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北荊州 434001）

0 引言

無溶劑環(huán)氧涂料綜合防腐性能好，應(yīng)對(duì)苛刻腐蝕環(huán)境能力強(qiáng)，在高壓流動(dòng)介質(zhì)的沖刷下，具有良好的附著力和耐磨性，施工效率高，無揮發(fā)組分，可避免固化時(shí)溶劑揮發(fā)造成涂層出現(xiàn)微孔而影響其耐腐蝕性能，同時(shí)也減少了溶劑中毒現(xiàn)象以及環(huán)境污染［1］。無溶劑環(huán)氧涂料的固含量在99.5%以上，其黏度約為20～50 Pa·s，遠(yuǎn)高于溶劑型涂料（0.1～0.3 Pa·s）［2］，因此，在噴涂施工過程中要對(duì)涂料進(jìn)行預(yù)熱保溫以降低其黏度，方便噴涂施工［3］。同時(shí)無溶劑環(huán)氧涂料的固化時(shí)間和要求的操作時(shí)間就大大縮短，例如噴涂漆膜厚度達(dá)300 μm的無溶劑環(huán)氧涂料，常溫下1 h內(nèi)漆膜就能實(shí)現(xiàn)表干，而噴槍中殘留的涂料若15 min內(nèi)不清理就會(huì)固化。因此，在噴涂無溶劑環(huán)氧涂料時(shí)，一定要找到合適的施工條件［4］。

無溶劑環(huán)氧涂料的黏度是涂料從噴涂施工到成膜過程中的關(guān)鍵因素。采用高壓無氣噴涂施工時(shí)，高黏度下是難以霧化的，因此需要合適的噴涂黏度。成膜過程中，黏度太高流平性差；黏度太低，容易流掛。為了控制無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的噴涂質(zhì)量，本研究探討了噴涂過程中，控制黏度的關(guān)鍵因素——溫度對(duì)噴涂的影響以及無溶劑環(huán)氧涂料在不同溫度下的適用期，最后確定了無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的噴涂參數(shù)。

1 原材料與主要儀器設(shè)備

原材料：無溶劑環(huán)氧涂料（雙組分），無溶劑環(huán)氧涂料專用稀釋劑。

主要儀器和設(shè)備：DV3TRVCJ0錐板黏度計(jì)，BROOKFIELD；DSC測(cè)試儀，梅特勒托利多；坩堝；紅外線測(cè)溫槍，UNI-T/優(yōu)利德；雙組分油漆混合器Twincontrol 75-150，瓦格納。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的黏度試驗(yàn)

將涂料A組分溫度從30 ℃升至90 ℃，檢測(cè)其表觀黏度的變化，轉(zhuǎn)子型號(hào)CPA-41Z，轉(zhuǎn)速0.5 r/min，測(cè)試時(shí)間120 s。

2.2 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的熱特性試驗(yàn)

將無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的A、B組分按生廠商推薦的比例混合，設(shè)置DSC升溫程序和恒溫程序，繪制無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料在不同溫度下的固化曲線。

2.3 噴涂機(jī)調(diào)試試驗(yàn)

調(diào)整噴涂機(jī)的噴涂壓力和涂料的加熱溫度，考察涂料的噴涂量和噴嘴霧化時(shí)的溫度。固定噴涂時(shí)間20 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對(duì)涂料A組分黏度的影響

無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料A組分黏度與溫度的關(guān)系見圖1。

圖1 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料A組分黏度與溫度的關(guān)系Figure 1 Relationship between viscosity and temperature of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings A component

從圖1中可以看出：無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料A組分的黏度隨溫度的升高急劇下降，在60 ℃時(shí)，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)黏度為初始黏度的48.9%，降低了一半。主要是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量較低的環(huán)氧樹脂對(duì)溫度比較敏感，黏度指數(shù)低，是典型的非牛頓流體，隨溫度的升高，黏度呈指數(shù)級(jí)下降。從圖1中可以看出，為保證無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料進(jìn)行高壓無氣噴涂，其最佳預(yù)熱溫度應(yīng)為50～60 ℃。

3.2 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料適用期與溫度的關(guān)系

對(duì)于無溶劑環(huán)氧涂料這種熱固性聚合物而言，溫度越高，固化反應(yīng)將會(huì)越快，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，涂料一混合即迅速固化，則無法實(shí)現(xiàn)噴涂。這主要是因?yàn)闇囟壬吆?，環(huán)氧樹脂基料與固化劑的反應(yīng)速率加快的緣故。在樹脂濃度相同的情況下，體系的反應(yīng)速度與反應(yīng)速率常數(shù)成正比，可以用反應(yīng)速率常數(shù)來表示其反應(yīng)速度的高低。反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系可用Arrhenius方程［2］表示：

式中：Ea為活化能，A為碰撞因子。

對(duì)于同牌號(hào)的無溶劑環(huán)氧涂料，Ea和A為定值，從上式可以看出，溫度升高，必將導(dǎo)致體系反應(yīng)速率常數(shù)的增加。

應(yīng)用DSC數(shù)據(jù)分析并確定固化過程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)是較為常見的分析方法［5］。在固化反應(yīng)中，等溫條件下最常用的普適動(dòng)力學(xué)方程如下：

式中：k（T）為與溫度相關(guān)的反應(yīng)速率常數(shù)，可用Arrhenius方程式（1）來表示；f（α）為反應(yīng)模型；α為固化度。

反應(yīng)至某時(shí)刻t時(shí)，體系的固化度α通常可以表示如下：

式中：∫t0（dH/dt）dt表示固化反應(yīng)從開始到t時(shí)刻的放熱量（在DSC曲線中，dH/dt為曲線的縱坐標(biāo)，又稱熱流率，與反應(yīng)速率成正比）；ΔH為固化完全時(shí)的總放熱量，ΔH可由動(dòng)態(tài)固化反應(yīng)熱求得。對(duì)于某一個(gè)固化反應(yīng)而言，當(dāng)原料的配比和固化工藝確定時(shí)，ΔH恒為定值。

參照標(biāo)準(zhǔn)Q/J 2508研究了無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的動(dòng)態(tài)固化曲線。試樣質(zhì)量8.8 mg，升溫程序：以10 ℃ /min從30 ℃升溫至220 ℃，冷卻至30 ℃，再?gòu)?0 ℃升溫至150 ℃。無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的DSC曲線見圖2。無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的放熱量ΔH為275.45 J/g。由玻璃化轉(zhuǎn)變溫度看為100%固化。無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的起始固化溫度在50 ℃左右。廠家推薦的施工溫度為45～55 ℃。

一般反應(yīng)程度低于5%以前都屬于穩(wěn)定期［2］。本研究以固化度達(dá)到15%以前為適用期，采用等溫固化的方法考察涂料的固化度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系［5］，從而確定適用期。

圖2 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的DSC曲線Figure 2 DSC curve of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings

圖3是無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的等溫固化曲線，圖中后期的反應(yīng)非常緩慢。由于液態(tài)涂料轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)，涂料需要在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)逐漸發(fā)生變化，直至最終完全固化。這也是涂料的實(shí)干一般需要1周時(shí)間的原因。

圖3 DSC等溫固化曲線Figure 3 DSC isothermal curing curve

將圖3 DSC曲線中的縱坐標(biāo)dH/dt對(duì)時(shí)間t積分，得到不同固化溫度下無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料固化度C隨時(shí)間t的變化曲線圖，見圖4。

圖 4 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料不同溫度下的適用期Figure 4 The pot life of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings at different temperature

從圖4中可以看出，涂料在不同的溫度下固化時(shí)，固化度為15%。60 ℃時(shí)的適用期為7 min，50 ℃時(shí)的適用期為15 min，40 ℃時(shí)的適用期為31 min?？梢娡苛系倪m用期或者凝膠時(shí)間隨溫度升高會(huì)縮短。

按照不同黏度對(duì)應(yīng)的溫度考察無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的固化性能。結(jié)合黏度與溫度的關(guān)系，可以選出黏度低且適用期也稍長(zhǎng)的溫度，該溫度即為最佳噴涂溫度，應(yīng)為50 ℃。

3.3 不同溫度與無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料噴涂量的關(guān)系

采用瓦格納雙組分油漆噴涂機(jī)，噴嘴直徑0.533 mm，噴涂時(shí)間為20 s。

為了研究最佳的噴涂條件，達(dá)到優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)的目的，考察了不同溫度下無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的噴涂量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的噴涂量Table 1 Spraying amount of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings at different temperature

由表1可見，當(dāng)壓力相同時(shí)，溫度越高涂料的噴涂量越大。當(dāng)壓力過低時(shí)，無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料霧化不良。溫度相同時(shí)，隨壓力增加，無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的霧化狀況逐漸變好，噴涂量也隨之提高，但是增加量不如升高溫度來得快。可見涂料的溫度是影響噴涂過程的首要因素。無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料噴涂條件為：溫度≥45 ℃，噴涂壓力≥12 MPa。根據(jù)無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的噴涂厚度要求，噴涂量應(yīng)達(dá)到1 L/min。將噴涂溫度與該溫度下的黏度聯(lián)系起來進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料不同黏度下的噴涂量Table 2 Spray amount of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings at different viscosity

由表2可見，溫度高，噴涂條件相對(duì)寬松，主要是因?yàn)橥苛系酿ざ入S溫度的升高而降低，使得涂料流動(dòng)時(shí)的黏滯阻力減小，較小的壓力下也可以獲得較大的噴涂量。由表2可見，泵壓力為10 MPa下，涂料黏度低于63.37 Pa·s時(shí)，涂料的霧化狀況和噴涂量均能達(dá)到要求。

4 結(jié)語

無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的黏度隨溫度升高而降低，適用期隨溫度的升高而縮短。噴涂量相同時(shí)，無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的噴涂壓力隨溫度的升高而降低。同樣的噴涂壓力下，無溶劑環(huán)氧內(nèi)減阻涂料的霧化狀況也隨溫度的升高逐漸變好。

［1］ 張雅潔，劉學(xué)勤.無溶劑液體環(huán)氧管道內(nèi)防腐技術(shù)［J］.油氣田地面工程，2015，34（11）：82-84.

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