閥門粉末涂料的設(shè)計與應(yīng)用.doc

閥門粉末涂料的設(shè)計與應(yīng)用Design and Application of Powder Coatings for Valves吳希革(大慶慶魯化工技術(shù)研究所)摘要：近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)閥門產(chǎn)品也在向高技術(shù)含量、高標(biāo)準(zhǔn)、耐強腐蝕、高壽命方向發(fā)展，這對閥門的涂層及涂裝技術(shù)提出了更高的要求。文章結(jié)合閥門使用環(huán)境和特點，就如何采用新型固化劑，優(yōu)選環(huán)氧樹脂輔助填料、助劑等進行閥門粉末涂料的設(shè)計；應(yīng)用中如何與涂裝工藝配合，滿足涂敷閥門的高標(biāo)準(zhǔn)要求等方面進行了重點闡述。1 前言閥門是石油、天然氣、化工、電站、長輸管線、造船、核工業(yè)、化學(xué)工程、航天以及海洋石油等國民經(jīng)濟各部門不可缺少的流體控制設(shè)備部件。所用閥門和管道配件得主要材料為鑄鐵，但鑄鐵不耐腐蝕，單一材質(zhì)不能滿足使用要求，需要對其進行適當(dāng)?shù)耐繉犹幚?，因此需要對鑄鐵閥門的涂層深入研究，以便正確選用涂層材料與涂裝工藝。鑄鐵閥門材質(zhì)包括灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵等，其中球墨鑄鐵閥門在水系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，閥門的損壞和更換源于主體銹蝕。閥門內(nèi)腔與介質(zhì)接觸，銹蝕極為嚴(yán)重，銹蝕后的閥門通徑變小，流阻增大，嚴(yán)重影響介質(zhì)傳輸。閥門大多安裝在地面或地下，外表與潮濕的空氣接觸極易發(fā)生銹蝕，因此閥門主體材料必須進行腐蝕防護，以延長使用壽命。另外，鑄鐵閥門直接與水接觸，銹蝕將對水體產(chǎn)生二次污染。因此，閥門涂層的性能要求以功能性防護為主，裝飾性為輔。我國國民經(jīng)濟的發(fā)展推動了閥門工業(yè)的進步，粉末涂料與涂裝行業(yè)必須充分了解閥門產(chǎn)品，關(guān)注對客戶的產(chǎn)品服務(wù)，才能把與之配套的粉末涂料與涂裝工作做得更好。2 問題的提出 如何確定閥門粉末涂料體系？是環(huán)氧聚酯型，還是純環(huán)氧、純聚酯型，或是環(huán)氧防腐型？ 閥門在安裝、使用、維護保養(yǎng)過程中難免磕碰，閥門粉末涂料的機械性能(抗沖擊性)要好。那么如何提高閥門粉末涂層的抗沖擊性？ 部分閥門要求外觀顏色鮮艷(如艷紅)，維護保養(yǎng)過程中要求涂層具有耐有機溶劑(如丙酮)擦拭性。為保證涂層外觀艷麗涂料的耐高溫黃變性一定要好，那么如何提高粉末涂層的抗黃變性及耐有機溶劑擦拭性？ 如何確定閥門粉末涂料配方與涂裝工藝的配套性？ 粉末涂層缺欠如何應(yīng)對？3 試驗原料的選擇與配方設(shè)計3.1 涂料體系的確定按照ISO 12944-2劃分標(biāo)準(zhǔn)，大部分工業(yè)閥門的安裝使用環(huán)境屬于C3、C4、C5-1和C5-M環(huán)境。C3環(huán)境指中等二氧化硫污染區(qū)或低鹽度的沿海地區(qū)，如食品加工廠、洗衣店、釀酒廠、奶制品生產(chǎn)廠的大氣環(huán)境。C4環(huán)境為工業(yè)區(qū)域和中等鹽度的沿海地區(qū)，如化工廠、游泳池、沿海船舶和船廠的大氣環(huán)境。C5-1環(huán)境是非常高工業(yè)化和高濕度的地區(qū)，如高污染的建筑或工業(yè)區(qū)域。C5-M環(huán)境是指沿海和近海地區(qū)高鹽分的海邊或海面上的大氣環(huán)境。上述分析充分說明閥門用粉末涂料體系應(yīng)為防腐體系。3.2 環(huán)氧樹脂的選擇閥門在搬運、安裝、使用過程中的機械損傷比較嚴(yán)重，所用粉末涂層的抗沖擊性應(yīng)當(dāng)非常好，因此宜選用雙酚A型環(huán)氧樹脂；雙酚A型環(huán)氧樹脂的醚鍵和C-C鍵使大分子具有柔順性，苯環(huán)賦予聚合物耐熱性和剛性，異丙基賦予高分子材料一定的剛性。雙酚A型環(huán)氧樹脂904H具有柔韌性的長鏈結(jié)構(gòu)，環(huán)氧值0.109mol/100g，軟化點100，賦予粉末涂層良好的抗沖擊性。3.3 固化劑的選擇環(huán)氧樹脂本身是一種熱塑性物質(zhì)，需要在一定條件下與固化劑通過交聯(lián)反應(yīng)，才能形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性產(chǎn)物，從而顯現(xiàn)出各種優(yōu)良的應(yīng)用性能，真正成為具有使用價值的環(huán)氧材料。因此固化劑在環(huán)氧樹脂應(yīng)用中必不可少，甚至發(fā)揮著決定性作用。我們可根據(jù)表1固化劑的典型技術(shù)指標(biāo)合理選擇。表1 典型的環(huán)氧樹脂固化劑技術(shù)指標(biāo) 固化劑型號外觀軟化點，羥值*，當(dāng)量/100g揮發(fā)份，%環(huán)氧樹脂/固化劑質(zhì)量比Amanda 969B 淡黃色顆粒860.520.2100/2226Amanda 959-1淡黃色顆粒800.580.2100/2022Amanda 959-1W淡黃色顆粒910.570.2100/2022Amanda 989 C 淡黃色顆粒950.420.2100/32*：不僅限。3.4 填料的選擇填料可提高粉末涂料的機械強度和其它保護性能。閥門粉末涂料用填料應(yīng)具備下列性能：(1)不溶于水和有機溶劑，有很好的分散性，無色或白色，不含雜質(zhì)的超細粉粒；(2)耐酸、耐堿、耐候等性能均好；(3)成本低，但對涂膜性能無不利影響。常用填料包括硫酸鋇、輕質(zhì)碳酸鈣、白炭黑、石英粉、硅灰石等。3.5 顏料的選擇粉末涂料必須加熱才能固化成膜，因此在選擇顏料時需要考慮耐熱穩(wěn)定性。重防腐粉末涂料常用的顏料有：氧化鐵紅、淡鉻黃、棕鉻黃、炭黑、金紅石型鈦白、酞菁藍、酞菁綠等。3.6 助劑的選擇粉末涂料助劑包括流平劑、邊角覆蓋性改進劑、花紋助劑、抗劃傷劑、增硬劑、促進劑、紫外光吸收劑、防針孔劑和粉末疏松劑等。 脫氣劑：主要是安息香，為白色或淺黃色無味晶體，熔點137，沸點344，微溶于水和乙醚，溶于熱丙酮和熱乙醇，是粉末涂料最常用的脫氣劑。 增韌劑：是指能增加膠黏劑膜層柔韌性的物質(zhì)，如熱塑性高分子化合物聚乙烯醇縮丁醛。 流平劑：如PV88、503、3#等。 促進劑： 可選用醫(yī)藥級2-甲基咪唑等。 抗劃傷劑、增硬劑：主要是微晶蠟類，如GR-1、W-1等。 粉末疏松劑：如氣相法二氧化硅、Amanda100、氧化鋁C等。3.7 配方設(shè)計與涂裝工藝為了通過應(yīng)用試驗使閥門粉末涂料與涂裝工藝要求相配套，本研究的試驗材料選用如下：雙酚A型環(huán)氧樹脂904H(廣州宏昌電子材料公司)；專用固化劑為Amanda 969B、Amanda 989C和自制的Amanda 959-1、Amanda 959-1W；其中Amanda 989C分子結(jié)構(gòu)中引入了部分多官能度活性組分與柔韌性長鏈結(jié)構(gòu)，自制固化劑與普通雙酚A型或酚醛改性的環(huán)氧樹脂有極好的混溶性，反應(yīng)活性極高，可快速固化；顏料、填料和助劑等均選用同一生產(chǎn)批號的材料。試驗配方設(shè)計見表2。表2 試驗配方設(shè)計組成不同固化體系的配方用量，質(zhì)量份Amanda 969BAmanda 989CAmanda 959-1Amanda 959-1W固化劑24322222雙酚A型環(huán)氧樹脂1100100100100促進劑0.850.85流平劑1.52.52.52.5金紅石型鈦白粉26666填料125252525填料230303030抗黃安息香0.80.80.80.8鑄鐵專用脫氣劑30.60.60.60.6納米材料40.80.80.80.8PVB2222BGS藍2222合計193.55201.55191.55191.55注：1-904H，環(huán)氧當(dāng)量0.100.12當(dāng)量/100g；2-鈦白粉為902；3-Amanda T70101；4-Amanda100，粒徑2040nm。4 試驗條件與方法本研究中重防腐粉末涂料的制備、涂層制備以及涂料與涂層性能檢測所用設(shè)備見表3。表3 試驗研究所用的儀器設(shè)備序號設(shè)備名稱設(shè)備供應(yīng)商1SY-II-40雙螺桿擠出機湘潭市粉末涂裝設(shè)計廠2101-3電熱鼓風(fēng)干燥箱天津市泰斯特儀器有限公司3HB-90高壓靜電發(fā)生器浙江華立涂料有限公司4靜電噴槍浙江華立涂料有限公司5DJ-04B粉碎機上海淀久中樂機械制造有限公司6JYT-Z架盤藥物天平沈陽市萬馳天平儀器廠7A-068測厚儀天津市林勇科技有限公司8TCJ-型沖擊儀上海現(xiàn)代環(huán)境工程有限公司4.1 重防腐粉末涂料制備將環(huán)氧樹脂、固化劑、顏填料及助劑在高速混合機中充分混合均勻(混合兩次，3min/次)，然后用螺桿擠出機熔融擠出，擠出機1區(qū)溫度100105，2區(qū)溫度8590，轉(zhuǎn)速300r/min。擠出片料在ACM磨粉機中粉碎，用100目篩分級得到粒度符合要求的粉末涂料。4.2 涂層制備與性能檢驗按檢測標(biāo)準(zhǔn)要求將待檢測樣板底材(標(biāo)準(zhǔn)鐵板1001006mm)進行噴砂除銹處理，預(yù)熱，用靜電噴槍將待測粉末涂料噴涂在樣板表面至規(guī)定膜厚(250450m)，固化，水冷后待檢測。根據(jù)EN 14901-2006要求，涂膜性能測試包括耐沖擊性、耐壓痕性、孔隙率、熱老化性、耐腐蝕性、耐摩擦性和安全性等。型式檢驗一般在選擇涂層材料、或工藝參數(shù)發(fā)生變化時進行，正常生產(chǎn)中一般不需測試。粉末涂料的常規(guī)檢驗項目包括膠化時間、密度、粒度分布、磁性物含量、附著力、流平性、耐有機溶劑擦拭性、耐高溫黃變性、抗沖擊性等，按表2配方制成的涂料性能測試結(jié)果見表4。表4 閥門粉末涂料的性能測試結(jié)果固化工藝及性能固化體系配方Amanda969BAmanda989CAmanda959-1Amanda959-1W涂裝工藝球墨鑄鐵閥門150min250預(yù)熱噴涂20min190固化(15min或30min也可；20min最佳) 自然冷卻50min250預(yù)熱噴涂20min190固化(15min或30min也可；20min最佳) 自然冷卻50min250預(yù)熱噴涂不回烤固化自然冷卻50min250預(yù)熱噴涂30min190固化自然冷卻涂膜性能抗沖擊性210J通過(20min最佳)15J通過(20min最佳)15J通過10J通過附著力3通過通過通過通過流平性4通過通過通過通過外觀5通過通過通過通過涂層厚度6，m350420430390耐有機溶劑擦拭性7通過通過通過通過耐高溫黃變性黃變20min不黃變(最佳)；30min略泛黃黃變較弱不黃變注：1-噴涂厚度250450m；2-直徑16mm的球形沖頭，1kg落錘，室溫；3-依據(jù)EN ISO 4624要求進行剝離測試，平均值8MPa，最小單值6MPa；4-目測無橘皮、平整；5-目測應(yīng)光滑，顏色一致，無氣孔、氣泡、漏噴等缺陷；6-采用膜厚儀測量，涂層平均厚度250m；7-將甲基異丁基酮(MIBK)滴在噴涂表面，然后用白布反復(fù)擦拭，觀察表面變色、失光和/或污損情況。4.3常見問題閥門粉末噴涂工藝中常見的涂膜弊病及解決方案見表5。表5 閥門粉末噴涂工藝中常見的涂膜弊病及解決方案序號現(xiàn)象原因解決方法1涂膜光澤不足或褪色a 烘烤時間過長b 固化溫度過高c 受其他粉末涂料污染d 外部污染性氣體進入固化烘道內(nèi)e 工件預(yù)處理不當(dāng)(有銹或油)f 工件表面粗糙a 提高輸送速度或縮短固化時間b 調(diào)整固化烘道溫度c 清洗設(shè)備，用新粉末涂料，檢查回收粉使用比例d 清除外部氣源或隔斷e 檢查表面處理工序，重新預(yù)處理f 重新處理2涂膜光澤過高固化烘道內(nèi)溫度過低或固化時間太短提高固化溫度或延長固化時間3涂膜上有異物a 噴槍、噴涂室或回收系統(tǒng)不清潔b 涂裝車間衛(wèi)生不良c 工件預(yù)處理不當(dāng)d 搬運過程中有異物附著a 檢查氣源，粉末過篩或換新粉b 清潔車間環(huán)境衛(wèi)生c 重新預(yù)處理d 檢查運輸過程4涂膜有縮孔或針孔a 表面處理不當(dāng)，除油污不干凈b 壓縮空氣中有水或油c 受其他粉末污染d 工件烘烤時間不足e 工件本身有嚴(yán)重缺陷a 檢查工件表面處理工序并糾正b 及時排放油水分離器里的水c 清潔整個噴涂系統(tǒng)，使用新粉d 延長烘烤時間e 工件不適合噴涂，報廢5涂膜附著力和機械強度不足a 固化溫度不足，固化時間過短b 工件表面處理不當(dāng)c 固化涂膜太厚d 固化嚴(yán)重過度(老化)a 延長固化時間(注意工件大小)b 檢查原因，特別是拋丸處理，并糾正c 減少上粉量d 嚴(yán)格控制固化溫度和時間4 結(jié)論（1）結(jié)構(gòu)不同的固化劑對環(huán)氧涂料的性能影響不同，固化劑種類及用量、基礎(chǔ)樹脂的化學(xué)反應(yīng)性、最終涂膜的交聯(lián)密度因應(yīng)用性能要求不同而變化。固化劑選擇對粉末涂層固化溫度、涂層機械性能和附著力影響很大。為了實現(xiàn)良好的應(yīng)用性能，粉末涂料配方及涂裝工藝的確定需要對諸多因素(如價格、耐化學(xué)品性、機械性能、閥門使用條件、產(chǎn)品質(zhì)量要求、設(shè)備環(huán)境狀況)綜合平衡。（2）Amanda 989C固化劑較好地解決了閥門粉末涂層的抗沖擊性，可以滿足閥門重防腐環(huán)氧粉末涂料的新要求。在固化劑研制過程中，我們根據(jù)不同涂裝作業(yè)方式與涂膜性能要求開發(fā)了系列固化劑，可滿足不同應(yīng)用場合的要求。（3）環(huán)氧樹脂粉末涂層附著力強，表面光滑，耐沖擊、耐腐蝕、耐沖刷、耐老化，能夠滿足閥門的使用要求及水系統(tǒng)對輸配水設(shè)備的要求。在粉末選用、設(shè)備配備時應(yīng)當(dāng)充分考慮材料、工藝和設(shè)備的匹配性。參考文獻1 陳宏林，靜電粉末噴塑在鑄鐵閘閥上的應(yīng)用J，閥門，1999(2)，32332 張繼偉，周子民，鑄鐵閥門粉末涂層工藝探討J，閥門，2009(3)，20