海洋環境防腐蝕玻璃鱗片涂料的研制

海洋是一個嚴酷的腐蝕環境[2],以鋼鐵為主要結構材料的采油平臺、油輪和管道,時時刻刻都面臨各種海洋環境腐蝕介質的侵蝕;因此在腐蝕防護設計中,海上平臺、油輪、海底管道等應用重防腐涂料,或防腐涂層與陰極保護等協同防護,達到長期保護的目的。玻璃鱗片涂料由于其的阻隔、屏蔽效應,在海洋重防腐領域得到了廣泛的應用。

本研究以環氧樹脂為基料,有機胺為固化劑,中堿玻璃鱗片為耐腐蝕屏蔽材料,制備了一種高固含厚漿型環氧玻璃鱗片涂料。探討了鱗片品種、大小、用量對涂料性能的影響,檢測了涂層對鹽霧、人工海水、紫外-鹽霧-冷凍-干熱循環(NORSOK-M501)多種海洋環境腐蝕介質的防腐蝕性能,考察了涂層的抗陰極剝離性能。試驗表明,制備的環氧玻璃鱗片適用于海洋環境的鋼結構保護。

1實驗部分

1.1原材料和實驗儀器

1.1.1主要原料

環氧樹脂:無錫樹脂廠;聚酰胺:亨斯邁先進樹脂有限公司;玻璃鱗片:國產;分散劑、消泡劑:德國畢克化學公司;偶聯劑:南京曙光化工集團公司;觸變助劑:楠本化學公司;普通顏填料:國產。

1.1.2實驗儀器

數顯分散機:IKA;鹽霧箱:美國Q-LAB公司;自動電位滴定儀:瑞士萬通中國有限公司;電子試驗機:島津;氣候試驗箱:Binder公司;數顯恒溫水浴:美國BROOKFIELD公司;單輪磨耗實驗機:美國Taber公司;耐陰極剝離實驗儀:自制。

1.2環氧玻璃鱗片涂料的制備

環氧玻璃鱗片涂料的基礎配方見表1。

按表1配方量,在溶劑和樹脂中加入分散劑和偶聯劑、消泡劑,低速分散幾分鐘;加入其他顏填料和觸變助劑,高速攪拌30～45min;再加入適量玻璃鱗片,在高速攪拌下分散30min,過濾包裝得到環氧玻璃鱗片涂料A組分。聚酰胺、溶劑、助劑攪拌均勻,過濾包裝得到B組分(固化劑)。施工使用時,將A組分和B組分按比例充分混合均勻即可施涂。

1.3環氧玻璃鱗片涂料的性能檢測

對所制備的環氧玻璃鱗片涂料進行性能檢測,并與用于采油平臺飛濺處的國外樣品進行性能對比,結果見表2。

環氧玻璃鱗片涂料的性能測試結果

從表2可以看出,所制備的環氧玻璃鱗片涂料達到了國外樣品的技術要求,可用于嚴酷的海洋腐蝕環境。

2結果與討論

2.1玻璃鱗片的選擇

2.1.1玻璃鱗片的種類對涂料的影響

由于玻璃鱗片的親水性以及和樹脂的粘附性較差,如采用未處理的玻璃鱗片制備環氧涂料,涂層屏蔽水蒸氣和腐蝕介質的效果差,甚至水蒸氣和腐蝕介質在玻璃鱗片與樹脂界面滲透、遷移;因此必須對玻璃鱗片采用偶聯劑處理,才能使樹脂和鱗片表面產生親和性,增強附著力,形成高強度的涂層,從而達到屏蔽和抑制水分子遷移的目的。選用已經用偶聯劑處理過的玻璃鱗片進行實驗,結果見表3。

   用5種玻璃鱗片按同樣配方制得的涂料制板,在3%(80℃)鹽水中浸泡30d,5#樣板的起泡性以及附著力較1#～4#的板好。用刮刀將漆膜起泡處劃開,測起泡處漆膜下的pH,5#玻璃鱗片所制得的涂膜其pH基本無變化,而其他4種玻璃鱗片所制漆膜pH均有增加。浸泡實驗考察的是涂層的耐介質性能,漆膜出現起泡脫落處一般會顯示弱堿性。從實驗現象可知,容易起泡的漆膜,起泡處的堿性較大。

為搞清楚漆膜起泡處堿性差別的主要因素,將幾種玻璃鱗片浸泡于3%鹽水(80℃)中,用自動電位滴定儀測試其浸泡初始和30天的pH。浸液初始呈弱堿性,所用玻璃鱗片為中堿性玻璃制成的;30天后,1#～4#的堿性增強較多,而5#玻璃鱗片略有增加。這和漆膜起泡處堿性差別的規律是一致的。玻璃鱗片浸液堿性差別一是來源玻璃性質差異,二是鱗片表面處理造成的,與生產廠家交流后,后者可能主要原因。

上述實驗發現,玻璃鱗片浸液堿性越強,制備的環氧玻璃鱗片漆膜耐鹽水性越差、易被水滲透,漆膜容易鼓泡剝落,與底材的濕附著力降低而使漆膜失去保護作用。要制備耐海水性能優異的環氧玻璃鱗片涂料,玻璃鱗片質量,尤其玻璃鱗片的表面處理技術至關重要。在選擇玻璃鱗片時,測定鱗片浸液的pH不失為一種簡單易行的方法。

1.3環氧玻璃鱗片涂料的性能檢測

對所制備的環氧玻璃鱗片涂料進行性能檢測,并與用于采油平臺飛濺處的國外樣品進行性能對比,結果見表2。

從表2可以看出,所制備的環氧玻璃鱗片涂料達到了國外樣品的技術要求,可用于嚴酷的海洋腐蝕環境。

2結果與討論

2.1玻璃鱗片的選擇

2.1.1玻璃鱗片的種類對涂料的影響

由于玻璃鱗片的親水性以及和樹脂的粘附性較差,如采用未處理的玻璃鱗片制備環氧涂料,涂層屏蔽水蒸氣和腐蝕介質的效果差,甚至水蒸氣和腐蝕介質在玻璃鱗片與樹脂界面滲透、遷移;因此必須對玻璃鱗片采用偶聯劑處理,才能使樹脂和鱗片表面產生親和性,增強附著力,形成高強度的涂層,從而達到屏蔽和抑制水分子遷移的目的。選用已經用偶聯劑處理過的玻璃鱗片進行實驗,結果見表3。

用5種玻璃鱗片按同樣配方制得的涂料制板,在3%(80℃)鹽水中浸泡30d,5#樣板的起泡性以及附著力較1#～4#的板好。用刮刀將漆膜起泡處劃開,測起泡處漆膜下的pH,5#玻璃鱗片所制得的涂膜其pH基本無變化,而其他4種玻璃鱗片所制漆膜pH均有增加。浸泡實驗考察的是涂層的耐介質性能,漆膜出現起泡脫落處一般會顯示弱堿性。從實驗現象可知,容易起泡的漆膜,起泡處的堿性較大。

為搞清楚漆膜起泡處堿性差別的主要因素,將幾種玻璃鱗片浸泡于3%鹽水(80℃)中,用自動電位滴定儀測試其浸泡初始和30天的pH。浸液初始呈弱堿性,所用玻璃鱗片為中堿性玻璃制成的;30天后,1#～4#的堿性增強較多,而5#玻璃鱗片略有增加。這和漆膜起泡處堿性差別的規律是一致的。玻璃鱗片浸液堿性差別一是來源玻璃性質差異,二是鱗片表面處理造成的,與生產廠家交流后,后者可能主要原因。

上述實驗發現,玻璃鱗片浸液堿性越強,制備的環氧玻璃鱗片漆膜耐鹽水性越差、易被水滲透,漆膜容易鼓泡剝落,與底材的濕附著力降低而使漆膜失去保護作用。要制備耐海水性能優異的環氧玻璃鱗片涂料,玻璃鱗片質量,尤其玻璃鱗片的表面處理技術至關重要。在選擇玻璃鱗片時,測定鱗片浸液的pH不失為一種簡單易行的方法。

由于玻璃鱗片的片狀結構,其在涂層中的水平分布必將加大水、氧以及介質離子的透過路徑,從而降低了水、氧以及介質離子的透過速度,增強了涂層的抗陰極剝離性能。圖2和圖3分別為普通環氧涂料和環氧玻璃鱗片涂料耐陰極剝離的照片。

   對比圖2、圖3,可以明顯看出環氧玻璃鱗片涂料耐陰極剝離后剝離直徑為15mm,遠小于普通環氧涂料的剝離直徑35mm。說明玻璃鱗片的存在能夠比較明顯地增強環氧涂料的抗陰極剝離性能,從而能與陰極保護措施更好的配合使用,適應更惡劣的海洋腐蝕環境。由表2可以看出,所制備的環氧玻璃鱗片涂料的耐陰極剝離性能和參照的樣品相當。

   2.2.2環氧玻璃鱗片涂料NORSOK-M501循環實驗

NORSOKM501標準是由Norwegian石油工業提出的對海上采油設施涂料防腐保護規范。是紫外光輻照、噴水、鹽霧、冷凍多種試驗條件的組合,并循環進行;試驗前樣板劃線處理,以考察涂層對缺陷的保護。對海洋大氣區(環境類型C5-M)的涂層需要通過4200h的循環腐蝕老化過程。表6為幾種涂料的NORSOKM501循環實驗結果對比。

幾種涂料的NO RSOKM501循環實驗結果對比

由表6可知,3種環氧涂料粉化嚴重和保色性差,這是環氧特點造成的;起泡性方面鱗片的要好于普通環氧,主要體現在板的邊緣;鱗片涂料的附著力保持遠好于普通環氧涂料。總體而言,鱗片涂料的耐蝕性要好于普通環氧涂料。鱗片涂料的涂層內大量的玻璃鱗片存在,使樹脂的微裂紋、微氣泡相互分離,大大減慢了循環試驗中水氣、鹽霧的滲透速度;同時在M501循環試驗的冷凍交替實驗中,由于大量玻璃鱗片的存在,使涂層更能承受冷熱交替過程中的溫度變化。至于樣板劃線處,腐蝕介質從劃線處滲入漆膜于底材的界面,鱗片的片狀屏蔽不起作用,然而鱗片的微堿性卻能夠減緩銹蝕在劃線處的腐蝕,鱗片涂料的單邊擴蝕優于普通環氧涂料。

3結語

以玻璃鱗片的種類、粒徑以及用量為主要影響因素,以耐人工海水、耐堿液、耐鹽霧、耐水蒸氣透過率等為評價方法,考察選用了偶聯劑包覆較好、粒徑為300目的玻璃鱗片作為屏蔽顏料,確定了玻璃鱗片用量為20%～25%,由此制備的環氧玻璃鱗片涂料的耐介質性佳,能發揮其阻隔屏蔽效應。

通過對環氧玻璃鱗片涂膜耐蝕性的測試,所研制的環氧玻璃鱗片涂料的耐陰極剝離性、耐鹽霧、耐人工海水以及NORSOK-M501循環性能達到較高水準,技術水平不低于參比樣品。該涂料可與陰極保護相結合,能為海洋環境使用的平臺、船只、管道、儲罐等提供長效保護。