环境友好型水下固化涂料的研制

环境友好型水下固化涂料的研制

□ 蔡国栋1,方倩2,郭常青2,张善贵2,杨凯2
(1.渤船重工物管处,辽宁大连 125004;2.海洋化工研究院,山东青岛 266071)

0 前言
随着海洋石油、港口码头、水力发电站及船舶工业的不断发展,许多处于海洋环境的工程结构,如钻探开采设备、钻井平台、海上油气贮罐、输送管线的支撑架、栈桥、钢桩等,由于常年浸泡在海水中,使得结构原有的防腐层遭受破坏,在对这些结构进行维修防护时,难以移至陆地来进行维修[1],只能进行原位修复,这就迫切需要一种能在水下直接进行涂装的涂料。船舶在航行中出现泄漏时,如果有水下涂料直接堵漏维护,则可及时排除故障,又因不用进坞维修而节省宝贵的时间,减少维护费用。水下施工涂料在大江大河水利设施,如水库、闸门水下防腐维护同样具有十分重要的意义[2]。

1 涂料的研制
1.1 成膜物的选择
环氧树脂的开环反应和不饱和聚酯的自由基反应受水影响较小[2],因此环氧树脂和聚酯树脂适合制备水下固化涂料。环氧树脂分子含有大量极性基团,较容易置换掉被涂物表面水分,且由于其聚合反应为开环聚合,固化后体积收缩率低,仅2%左右,而不饱和聚酯固化体积收缩率高达11%,产生内应力而损及附着力[3];环氧树脂对各种底材有较高的附着力[4],同时,利用环氧树脂易制备无溶剂超厚膜涂料,减少施工道数,有利于水下施工涂装;环氧树脂防腐蚀性能又很突出,非常适合作水下保护材料。因此,我们采用环氧树脂作为本研究体系的基料,而且选用低黏度、涂层羟基含量少和有效交联密度较大的环氧树脂。但环氧树脂单独使用时,形成的涂层脆性较大,为了改善环氧树脂的脆性,试验采用聚硫化合物作为增韧剂对环氧树脂进行改性,并将其作为成膜物的一部分,以提高涂料的韧性。
1.2 固化剂的选择
环氧涂料水下固化剂必须不溶于水和不被水乳化,应具有一定的极性和黏度,能在水中湿润钢表面,且快速固化环氧树脂。据此,通过大量试验筛选,确定选用水下固化性能较好的改性芳香胺与改性脂肪胺配合的复合型固化剂。环氧树脂的用量和试验条件相同(25 ℃)的情况下,涂料的固化速度与固化剂用量(以树脂质量份100计)的试验结果见表1。

由表1可以看出:随着固化剂用量的增大,涂料干燥时间变短,但固化剂占树脂用量的70%、80%时,涂料的使用期太短,在实际应用中施工困难。固化剂用量占树脂总量的60%时,涂料具有较理想的固化速度并且干燥时间能满足使用要求。
1.3 颜填料的选择
水下施工涂料可采用缓蚀和稳锈颜料,如铬酸盐和磷酸盐,以及防锈和惰性颜料[2],如氧化铁红、云母氧化铁、氧化铁黑等;填料中以惰性材料为主,比重要稍大些,如重晶石粉、滑石粉、云母粉等。这些颜填料的使用,不仅可以降低成本,还可以调节涂膜中颜料体积浓度,减少涂膜干燥时的收缩,保持附着力 [5]。
1.4 助剂的选择
水下固化涂料要在水中很好地润湿钢铁表面,要求涂料体系表面张力要远低于水,因此试验添加润湿剂,使体系表面张力降低,可以对钢表面更好润湿和对缝隙进行渗透。在水下固化涂料中所选用的润湿剂能够将残存在被涂物表面上未被排挤走的水吸入涂层内部从而增强涂料对底材的附着力,涂料固化时,水再从涂层内部逐渐被排至涂层外。由于涂层较厚,固化时间短,涂料流平需要效果极佳的流平剂,短时间内完成涂料表面的流平。此外,消泡剂也是水下固化涂料中不可缺少的助剂。本研究选用BYK-P104、AFCONA 2723、 AFCONA 2020、AFCONA 3700作为涂料的润湿分散剂、消泡剂、流平剂。
1.5 附着力促进剂用量优选
一般涂料在干燥环境中对各种底材尤其是钢结构材料具有极好的附着力,但当涂料浸于水中时,固化后的涂膜对底材的附着力成为一大问题。附着力促进剂的作用是使涂层与底材之间形成化学桥,从而提高涂层与底材的附着力[6]。促进剂的用量与附着力的关系见图1。

由图1可见:涂层与基材的附着力随着附着力促进剂用量的增加而提高,用量超过1.5%时上升趋势变缓。综合考虑使用要求与涂料成本,确定配方中附着力促进剂用量为1.5%。此外,附着力促进剂还能起到调节黏度的作用,环境温度很低时要适当增加附着力促进剂的用量,才能满足使用要求;环境温度较高时,用少量的附着力促进剂就能达到要求。

2 基本配方
通过大量实验室试验和水下实际应用试验,确定了水下固化涂料配方。该涂料为双组分常温固化体系,甲组分为改性环氧树脂、颜填料及助剂,乙组分为固化剂与润湿剂、颜填料。基本配方如表2所示。

3 性能试验
在试验室分别对涂料的物理性能、耐介质性能进行了检测,其结果如表3所示。从表3可知:涂料的固含量高,物理性能优异,涂层不仅耐盐雾性能好,还能耐碱、盐水、水、海水、汽油等,满足实际使用要求。

4 施工工艺
4.1 表面处理
金属表面采用手工或手工机械(如:铲刀、铁刷或电动工具等)除去浮锈或海生物,若条件许可亦可采用高压 水枪处理。混凝土表面干净无淤泥、海草、海蛎子等。处理完毕须立即着手涂装,否则会有海生物附着和返锈。
4.2 施工方法
A、B两组分按规定比例混合均匀后,即可进行刮涂或刷涂。刮涂或刷涂时,利用橡皮刮刀或硬毛刷的挤压作用,把表面水排挤开,使涂料附着在钢表面上。用力来回抹压3~4次,以刮抹均匀为准。该涂料一般刮或刷涂2道,每1道用量一般在0.6~1 kg/m2。

5 应用试验
2007年对青岛港码头水下混凝土表面进行了修补。用铲刀和铁丝刷除去混凝土表面附着生物、杂质后,直接在水中涂刷该涂料,容易施工且施工过程不受海浪冲刷的影响。施工完毕后,经海浪冲击不脱落,涂层完整,见图2。12个月后查看,浸泡在海水中混凝土上的涂层不开裂、不剥落,涂膜完整,完全满足用户的使用要求。

6 结语
本试验所研制的环境友好型水下固化涂料经实际应用证明:该涂料能够直接在水下施工,且涂层的附着力、耐介质、防腐等性能优异。该涂料不仅解决了水中大型构筑物的原位修补问题,而且大大降低了维修费用,可广泛用作水中难以移动的钢结构、混凝土结构表面的防腐保护涂料。满足我国海洋工程如钻探开采设备、钻井平台、海上油气贮罐、输送管线的支撑架、栈桥、钢桩、船底,以及淡水结构工程如堤防、水库、水闸、水下管道等工程日益发展的需要。

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