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        化工廠重防腐塗料及塗裝,研製了用芳香胺固化酚醛環氧樹脂配合惰性填料、鱗片的耐酸耐鹼塗料系列,分析了在產品設計中應關注的主要因素,闡述了兩個配套塗層在化工設備上的應用優勢
        2019年11月03日    閱讀量:21864    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        1 引言

        防腐塗料在整個塗料市場中占相當大的比例。2009 年我國塗料總產量達755 萬t,其中防腐塗料為185 萬t,占近25%,僅次於建築塗料的34%(260 萬t)。由於我國已成為世界集裝箱和船舶製造大國,大量高速鐵路、公路、橋樑和石油、化工及大型市政工程項目紛紛投入建設,帶動了重防腐塗料產業的高速發展中國建材網cnprofit.com


        工業防腐塗料大量應用於石化行業中,遇到各種嚴酷腐蝕環境(ISO12944-2 中的C5-I,Im2 腐蝕環境),對塗料的防腐性能要求很高。化工廠通常要求使用既有耐化學介質特性又要有耐較高溫度的防腐塗料。如換熱器占石油化工廠設備總量的1/3 以上,占整個設備投資的19%~40%,在熱介質氣體的腐蝕下損壞嚴重,因此迫切需要耐熱、導熱率高的防腐塗層。


        開發可常溫固化且施工方便的塗料,是至今尚未完全解決的問題。其關鍵是在塗料的防腐性能(耐冷熱交變、耐磨蝕和防腐)、傳熱性能(導熱率)和可施工性(常溫固化、塗裝次數少、間隔時間短等)三者之間求得最佳的平衡點,即開發可常溫固化的耐高溫型重防腐系列塗料。


        針對化工廠內強酸、強鹼儲罐與排放強酸、強鹼的污水池內壁的防腐處理,特別是在100 ~ 150 ℃嚴酷腐蝕環境下,大多數常規的重防腐塗層都不能經受住考驗。通過改性環氧樹脂配合抗熱變性固化劑及耐酸鹼

        顏填料篩選配製出一系列重防腐配套塗層,滿足了一些特殊環境的防腐需求。經過幾家客戶一年的使用,取得了良好的效果。

         

        2 工藝路線及成膜原理

        化工儲槽內壁受到酸、鹼或溶劑等化學品的腐蝕,有時還伴有溫度和壓力變化所帶來的應力作用使腐蝕加劇。故所用的防腐蝕塗料必須具有優異的耐化學品性,同時具有良好的附著力、耐高溫及耐溫變性能。


        利用酚醛改性環氧樹脂所具有的較多的環氧基可形成抗熱變性能好的高交聯密度產物,固化劑採用熱變性能好的改性芳香多胺固化劑,再配以耐酸、鹼性優異的填料和經特殊處理的片狀填料製成具有優良防滲透效果的耐腐蝕耐溫變型重防腐塗層。


        根據化工設備內、外壁的特殊要求,提供相應的耐溫型重防腐塗層。該塗層基料的抗溫變性理論上可達到150 ℃,加入適當的惰性填料其耐溫變性可提高至160 ~ 180 ℃,漆膜可自然乾燥,克服了早期的需高溫烘烤的冷拼酚醛環氧防腐塗料不能自乾的缺點。主要成膜反應見圖1。

        化工廠重防腐塗料及塗裝,研製了用芳香胺固化酚醛環氧樹脂配合惰性填料、鱗片的耐酸耐鹼塗料系列,分析了在產品設計中應關注的主要因素,闡述了兩個配套塗層在化工設備上的應用優勢 中國建材網,cnprofit.com

        主要成膜反應

        3 試驗部分

        3.1 化工設備外壁塗層

        適用於長期在100 ~ 130 ℃酸霧籠罩下的鋼結構及物料塔,最高達140 ℃的齒輪油箱等。配套塗層採用相對分子質量較高的改性環氧樹脂加入防鏽顏料、填料及著色顏料、特殊助劑、溶劑與改性多胺製成底、面漆,按一般重防腐塗層要求塗裝施工就可取得耐酸、耐鹼、耐較高溫度的防腐蝕塗層。


        3.2 化工設備內壁塗層

        適用於長期在100 ~ 150 ℃強酸、強鹼(pH 為1 ~12)浸泡下的鋼結構儲罐、物料塔,如硫胺系列、硫磺儲罐及排污和酸鹼池等。配套塗層採用VG0115 耐高溫防腐底漆作為噴砂底材的第一道塗層,以增加基材與整個塗層的黏結強度和層間附著力;第二層配套塗層採用VG0515 高溫型玻璃鱗片膠泥,通過鏝塗得到厚度為800 ~ 1 000 μm 的抗介質滲透的防腐塗層;乾燥24 h 后再鏝塗施工一道VG0415 面層鱗片膠泥,厚度為800 ~ 1 000 μm;面層再施工一道VG0115 耐高溫防腐清漆就形成1.6 ~ 2.0 mm的耐溫型重防腐塗層。


        在更嚴酷的條件下可在封閉底漆上鏝塗2 道VG0515 耐溫型玻璃鱗片膠泥后再鏝塗一道VG0415 面層鱗片膠泥,加上VG0115 面層耐高溫清漆,總的塗層厚度達到3 mm 以上,該塗層在強酸(10%~ 60%H2SO4)、強鹼(5%~ 10%NaOH)下也能起到防腐保護作用。耐其它介質品種及濃度見表1。

        複合塗層耐介質情況

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        複合塗層達到的技術指標見表2。

        產品技術指標



        4 結果與討論

        4.1 化工腐蝕環境決定基料的選擇

        各類工廠所處的腐蝕環境及腐蝕程度見表3。

        典型性工廠的腐蝕環境

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        腐蝕環境可分為大氣環境、浸水環境以及其它幾類環境。大氣環境中內陸地區(一般環境),其鋼鐵腐蝕率在0.05 mm/a 以下,0.07 mm/a 左右的為中等程度腐蝕環境,嚴重腐蝕環境的鋼鐵腐蝕率為0.15 mm/a 左右;浸水環境下的鋼鐵材料腐蝕比大氣環境下更為顯著,然而其腐蝕速率隨鹽的濃度、pH、溶解氧的濃度、流速及溫度而異。


        一般來說,海水的腐蝕速率要比淡水高4 倍以上;其它環境包括油類環境、化學介質環境以及高溫環境等,這些環境的腐蝕不亞於海水,甚至更厲害。各類環境所適用的塗料體系見表4。

        各種環境所適用的塗料體系

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        從表4 可以看出,在100 ~ 200 ℃強酸、強鹼條件下選擇酚醛改性環氧樹脂或酚醛環氧改性乙烯基酯樹脂或者有機硅改性環氧樹脂能滿足要求。酚醛環氧改性乙烯基酯樹脂貯存期短,而且夏天要求貯存條件苛刻,用於實際生產操作困難大,而且價格也不便宜。


        有機硅改性環氧樹脂與酚醛改性環氧樹脂相比,耐熱性較好,但耐強酸、強鹼腐蝕性酚醛改性環氧樹脂更突出,兩者價格相比,後者的價格也較便宜。由於本試驗是在有強酸、強鹼環境的化工廠塗裝,因而選擇了酚醛改性環氧樹脂為主要成膜基料。其結構式如下:

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        4.2 固化劑的選擇及用量

        4.2.1 固化劑種類的選擇

        與環氧反應的固化劑有脂肪族多元胺、芳香族多元胺、脂環族多元胺、聚醯胺、環氧胺加成物、酮亞胺等。本文著重針對100 ~ 180 ℃環境下使用,因此要求選用熱變形溫度較高的品種。


        國內以酮油酸或亞油酸的二聚體與多元脂肪胺反應得到的聚醯胺牌號為200、300、400、650、651,其胺值分別為200 ~ 230mgKOH/g、290 ~ 320 mgKOH/g、180 ~ 240 mgKOH/g、200 ~ 240 mgKOH/g、380 ~ 420 mgKOH/g 與雙酚A 環氧樹脂固化物的熱變形溫度僅為60 ℃,而脂環族多元胺及芳香族多元胺與雙酚A 環氧樹脂固化物的熱變形溫度達到150 ℃以上。芳香胺和異佛爾酮二胺與環氧樹脂固化物的典型性能見表5 ~ 6。

        異佛爾酮二胺及芳香族多元胺與環氧樹脂固化物性能

        化工廠重防腐塗料及塗裝,研製了用芳香胺固化酚醛環氧樹脂配合惰性填料、鱗片的耐酸耐鹼塗料系列,分析了在產品設計中應關注的主要因素,闡述了兩個配套塗層在化工設備上的應用優勢 中國建材網,cnprofit.com

        芳香族多元胺與環氧樹脂固化物耐化學藥品性能



        從表5 可以看出,芳香多元胺與環氧樹脂固化物具有較高的抗熱變形性。從表6 可以看出,芳香多元胺具有較好的耐強酸、強鹼性。漆膜彎曲強度沒有發生根本性變化。因此選擇芳香多元胺為本項目的固化劑有利於化工環境中既有較高溫度,又要耐強酸或強鹼腐蝕的要求。其結構式可表示為:

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        4.2.2 固化劑用量的確定

        本文選擇的基料的成膜反應為環氧基與胺基的交聯反應,因此,固化劑的用量是根據環氧基的多少來確定的。一個環氧基在分子鏈中所佔的平均質量確定為環氧當量(C),多胺固化劑與之相對應的有活性氫當量(EH)。根據施工活化期試驗與塗層性能試驗確定結果,最終封閉底漆確定在EH/C=0.74,VG0515 和VG0415 鱗片膠泥確定在EH/C=0.80 ~ 0.83。在無固化促進劑存在時,芳香多元胺與環氧基的反應見圖2。

        芳香多元胺與環氧基的反應

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        液態雙酚A 環氧樹脂與芳香胺的加成固化反應K1/K2 =(0.08 ~ 0.14)/1,即伯胺基與環氧基的反應速率明顯大於仲胺基的反應速率。本試驗採用的環氧樹脂分子中所含環氧基較雙酚A 型環氧樹脂多,因而固化劑在較低用量時也能反應形成交聯網狀,並不會影響塗層的基本性能。


        4.3 鱗片的選擇及用量

        鱗片顏料通常指玻璃鱗片、不鏽鋼鱗片、雲母氧化鐵等片狀顏料。其中玻璃鱗片實際上是以中鹼玻璃(C玻璃)為原料, 採用高溫熔融經吹制而成的。玻璃鱗片的厚度約為5 μm,片徑小的只有10 μm,大的超過1 000 μm,它具有以下特性。

        ⑴玻璃鱗片可提高塗層襯裡的抗介質滲透性。在塗層或襯裡中,以近乎平行的狀態緊密排列,可形成介質滲透的屏障。當達到一定厚度時,這種屏障就非常明顯,不僅可延長介質的滲透路徑,甚至可使介質滲透停止。

        ⑵玻璃鱗片可減少塗層襯裡固化時產生的殘餘應力。任何樹脂固化時都會產生內應力,由於玻璃鱗片的存在,使樹脂固化時產生的微裂紋受到分割,從而降低了塗層或襯裡的內應力及收縮率,有效提高了塗層或襯裡的機械強度,消除了塗層或襯裡的缺陷。

        ⑶在腐蝕介質中的穩定性好,於80 ℃耐酸性24h 的情況見表7。

        玻璃鱗片在強酸介質中質量損失率

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        基於玻璃鱗片的這些特性,本項目選擇了適用於製作襯裡膠泥和厚塗型塗料的20 ~ 60 目經硅烷偶聯劑表面處理的玻璃鱗片。

        ⑷不同鱗片摻入量對吸水率及滲透性能的影響鱗片用量與吸水率及滲透率的關係見表8。

        用量與吸水率及蒸汽滲透率關係

        化工廠重防腐塗料及塗裝,研製了用芳香胺固化酚醛環氧樹脂配合惰性填料、鱗片的耐酸耐鹼塗料系列,分析了在產品設計中應關注的主要因素,闡述了兩個配套塗層在化工設備上的應用優勢 中國建材網,cnprofit.com

        從表8 可以看出,鱗片用量在20% ~ 40%時塗層的常溫吸水率和沸水吸水率均處於較低的水平,同時,蒸汽滲透率也處於較低水平。因而鱗片用量確定在20%~ 40%較好。

        ⑸不同鱗片摻入量對塗層耐磨性的影響鱗片用量對塗層耐磨性的影響見表9。

        鱗片用量對塗層耐磨性的影響

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        從表9 可以看出,玻璃鱗片用量為20%~ 30%塗層的耐磨性較好。需要補充說明的是,使用玻璃鱗片的同時,輔以其它惰性顏填料可以填充鱗片間的空隙,加強塗層的緻密性,使整個塗層的防腐性得以充分體現。

        4.4 助劑的選擇及用量

        玻璃鱗片的表面未經處理時,需加入硅烷偶聯劑或酞酸酯偶聯劑以增強基料與玻璃鱗片的潤濕性,這類助劑有KH-550(γ-氨基丙基三乙氧基硅烷)等。VG0610、0411 耐酸鹼溶劑型防腐塗料宜選用氟改性流平劑來控制表面狀態,這類助劑有EFKA3777、3600、3650,AFCONA3670、3700,BYK420、837 等,試驗中選用了添加0.05%的AFCONA3700 得到好的表面狀態。VG0515、0415 膠泥襯裡塗層主要在施工中控制流掛,採用添加流變助劑起到較好效果,如氣相二氧化硅、有機膨潤土等,用量以1%~ 2%為宜。

         

        5 生產與施工應用

        目前已應用在綦江氮肥廠硝胺塔外壁;凱瑞特種車輛廠生產的輕軌車用耐高溫油箱;三峽英力硫酸銨儲槽、脫氰硫銨儲槽、羥基乙腈儲罐、集合槽、酸化塔、母液濃縮罐等多種條件的儲罐內壁;台湾開磷化工廠硫磺儲罐、反應槽內壁等多個應用實例,最長時間已超過12 個月,在120 ~ 130 ℃條件下的脫氰硫胺儲槽也有12 個月的使用時間。

        5.1 基材處理與塗層要求

        5.1.1 被塗基材的處理

        碳鋼基材最好採用噴砂處理,除銹等級應達到GB/T 8923 規定的Sa 2.5 級;要求基材表面無油污、無銹跡、乾燥清潔。如有焊瘤、毛刺一定要磨平。如有小的孔洞、凹陷等不平處,要用膩子填平。噴砂后的基材表面粗糙度以30 ~ 60 μm 為宜。混凝土基材養護乾燥期(25 ℃)大於7 d,要求基材含水率不大於6%,表面無油污、浮塵。參照GB 50212—2002《建築防腐蝕工程施工及驗收規範》標準施工。

        5.1.2 底漆的塗覆

        用與襯裡相同的基料樹脂製得的塗料作封閉底漆(VG0115 耐溫型防腐底漆)。採用刷塗或輥塗。底漆厚度須大於基材的粗糙度。

        5.1.3 襯裡施塗

        襯裡的厚度應在1 000 ~ 3 000 μm,用泥抹子或類似工具鏝塗施工。如果一次施塗過厚出現上下不均勻時,可分步(兩塗或三塗)實施。但要等上一層實幹或有一定強度后再進行下一層的施工。膠泥現配現用,配料在20 ~ 40 min 內用完。建議採用專門的攪拌設備。

        5.1.4 面層塗覆

        如果需要,可在襯裡上面塗覆一層基料與襯裡相同的含有玻璃鱗片的塗料或VG0115 耐溫型防腐清漆。

        5.1.5 檢測

        為保證塗層的施工質量,塗層施工后必須進行質量檢測。對於較厚的塗層,可在施工至中間厚度時,增加一次檢測,檢測內容如下:①外觀,主要用目測方法,看塗層是否有漏塗、流掛、厚度不均勻以及隆起、剝離等異常情況。②硬度,用也柯爾硬度計或溶劑(丙酮)擦試表面,以觀察塗層固化是否完全。③針孔測試,採用放電式針孔檢測儀檢查全部漆膜,電壓控制在4 000 V,塗層

        厚度要求在1.5~2.0 mm,不得有針孔。④厚度檢測,採用電磁測厚儀測試塗膜厚度,應達到規定的厚度。

        5.1.6 塗層的保養和維護

        塗層施工后至能投入使用的這段時間稱之為保養期,保養期的長短視塗層固化是否完全。一般夏天應在5 d 以上,冬季應在10 d 以上,如需提前使用,有條件時可用加溫的辦法來加速塗層固化過程。

        5.2 配套性

        ⑴長期在100 ~ 120 ℃酸霧籠罩下的鋼結構及物料塔壁、最高達130 ℃的齒輪油箱等腐蝕環境推薦配套塗層體系。

        鋼質材料(除銹St 3 以上):

        VG0610 耐酸鹼防腐底漆2 道,40 ~ 60 μm,濕碰濕工藝;塗裝間隔時間24 h(25 ℃)。

        VG0411 耐酸鹼防腐面漆2 道,40 ~ 60 μm。

        水泥基(混凝土)基材:

        VG0115 專用封閉底漆1 道,15 ~ 30 μm;VG0610 耐酸鹼防腐底漆2 道,40 ~ 60 μm,濕碰濕工藝;塗裝間隔時間24 h(25 ℃);VG0405 耐溫防腐面漆2 道,40 ~ 60 μm。

        ⑵長期在100 ~ 150 ℃強酸、強鹼(pH 為1 ~ 12)浸泡下的鋼結構儲罐,如物料塔、硫胺系列、硫磺儲罐內壁及排污酸、鹼池等推薦配套塗層體系。

        碳鋼材料(噴砂處理達Sa 2.5):

        VG0115 耐高溫防腐底漆1 ~ 2 道,每道干膜厚度30 ~ 60 μm,乾燥24 h;

        VG0515 高溫型玻璃鱗片膠泥2 道,每道干膜厚度800 ~ 1 000 μm,乾燥24 h;

        VG0415 鱗片膠泥1 道,每道干膜厚度不小於500μm,乾燥24 h;

        VG0115 耐高溫防腐清漆1 ~ 2 道,每道干膜厚度30 ~ 60 μm。

        根據腐蝕狀況確定總厚度為1.5 ~ 3.0 mm。腐蝕狀況嚴酷的條件下要求塗層在3.0 mm 以上,中間襯裡塗層VG0515 鏝塗2 道,VG0415 鏝塗1 道。

         

        6 結語

        耐溫型重防腐系列塗料具有附著力好、乾燥時間適中、耐強酸、強鹼等多種化學介質,耐溫變性強的特點,各項技術指標完全滿足化工特殊設備重防腐的要求。產品廣泛用於輸油、天然氣管道,原油/成品油儲罐內外壁,油田鑽井設施的防腐;石油化工廠用的耐高溫防腐塗層,換熱器及耐強酸、強鹼等化學介質用防腐施工。因其在多種嚴酷環境下的防腐效果優異,前景看好,具有明顯的經濟效益和長效防腐的社會效益。


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