儲罐外壁用無溶劑聚脲涂料的研制及性能研究

王兆坤 劉江 董斌 李建忠

摘 要：目前國內(nèi)儲罐涂料多為溶劑型涂料，對環(huán)境及施工人員身體損害嚴重，并且儲罐防腐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工藝繁瑣、施工成本較高，本文針對這些問題以聚天門冬氨酸酯、HDI三聚體、紫外光吸收劑等為原料合成了無溶劑聚脲耐候防腐涂料，可一次涂刷滿足復(fù)合結(jié)構(gòu)性能指標。本文討論了樹脂、固化劑、紫外光吸收劑對涂層性能的影響并通過掃描電鏡、紅外光譜、能譜分析比較了聚氨酯涂層和聚脲涂層老化前后的微觀形貌與化學(xué)結(jié)構(gòu)成分的變化，探討了涂層的耐紫外老化機理。

關(guān)鍵詞：儲罐；耐候性；紫外光老化；聚脲

一、實驗部分

（一）實驗原料

支化聚酯聚醚多元醇A，工業(yè)品，Bayer公司；聚天門冬氨酸酯樹脂B，自制；HDI三聚體N3300，工業(yè)品，Bayer公司；紫外光吸收劑Tinuvin1130，汽巴公司；觸變劑氣相二氧化硅；消泡劑BYK085；流平劑EFKA3239；分散劑BYK-108；催干劑采用桂月二丁錫；顏填料采用沉淀硫酸鋇、三聚磷酸二氫鋁、金紅石鈦白粉、分子篩。

（二）制備方法

采用一步法制備涂料，合成工藝如下：

本實驗采用雙組分體系，無溶劑耐候防腐涂料A組分由成膜樹脂、金紅石鈦白粉、三聚磷酸二氫鋁、沉淀硫酸鋇、分子篩、紫外光吸收劑、分散劑、消泡劑、流平劑、反應(yīng)促進劑等組成。B組分為帶有-NCO基的脂肪族異氰酸酯，使用時將兩組份混合，利用-OH或-NH與-NCO反應(yīng)固化成聚脲涂層或聚氨酯涂層。

生產(chǎn)工藝：首先將樹脂在120℃左右真空干燥箱中脫水2h以上，測得含水率低于0.05%后密封儲存?zhèn)溆谩Ｈ缓笤诿撍蟮臉渲幸来伟幢壤尤腩A(yù)先干燥的顏料、填料、分散劑、消泡劑、觸變劑、分子篩、催干劑，采用高速分散機高速分散30min，將分散后的涂料通過研磨分散設(shè)備進行充分分散，分散和研磨過程中采用冷水機提供冷卻水循環(huán)降溫，溫度控制在80℃以下，分散研磨后測量涂料細度，滿足細度要求后通過100目過濾篩網(wǎng)去除各種雜質(zhì)和大顆粒，制得成品涂料A組分。

B組分為含-NCO基團的異氰酸酯固化劑。將A、B組分按照一定的比例混合均勻后涂刷制備涂層，常溫固化7天后測試性能。

（三）性能測試與結(jié)構(gòu)表征

彎曲性能按照SY/T 0315《鋼制管道單層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的方法進行測量；附著力按照SY/T 0315《鋼制管道單層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的方法進行測量；涂層拉伸強度按照標準GB/T 528《硫化橡膠和熱塑性塑料橡膠拉伸性能的測定》方法測試；耐鹽霧性能按照GB/T 1771《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》規(guī)定測試。人工氣候加速老化試驗采用SY/T 0320《鋼質(zhì)儲罐氯磺化聚乙烯外防腐層技術(shù)標準》，試驗條件為60℃、4h熒光紫外照射與40℃、4h冷凝暴露交替循環(huán)，每隔250h進行一次光澤測定和色差測定。

二、結(jié)果與討論

（一）樹脂對涂層性能的影響

試驗測定了兩種材料聚氨酯A和聚脲涂層B的物理性能和耐中性鹽霧性能。從表1可以看出聚氨酯涂層對鋼附著力為5Mpa，而且均為內(nèi)聚破壞，說明聚氨酯涂料耐破壞性能差于聚脲材料，聚酯聚醚多元醇與HDI三聚體形成的涂膜韌性較好，為彈性體材料，這點也可從拉伸強度得以體現(xiàn)，聚脲涂層拉伸強度均大于40Mpa，顯著高于聚氨酯涂層[2]。

聚天門冬氨酸酯和聚氨酯都具有良好的耐鹽霧腐蝕性能，非劃痕處均未起泡。聚天門冬氨酸酯較聚氨酯耐鹽霧性能稍好。聚脲涂層對鋼附著力為10Mpa，而聚氨酯材料為彈性材料，對鋼附著力只有5Mpa。聚天門冬氨酸酯與金屬附著牢固，抑制了鹽霧及銹蝕沿涂層與金屬的界面向內(nèi)滲透。

（二）樹脂用量對涂層性能的影響

試驗采用聚天門冬氨酸酯B樹脂研究樹脂含量對涂層性能的影響，隨樹脂含量的增加，涂層附著力和光澤增加，拉伸強度略有降低。樹脂用量在一定范圍內(nèi)對涂層機械性能影響不大，但是對耐紫外、耐鹽霧性能影響較大，樹脂含量取35%～40%較為合適。

（三）固化劑的選擇

耐候性聚氨酯和聚脲涂料的固化劑選擇為含-NCO基團的異氰酸酯固化劑，其中芳香族多異氰酸酯，如TDI廣泛用于防腐蝕涂料，價格便宜，但是戶外耐候性較差。脂肪族多異氰酸酯具有優(yōu)異的抗黃變性。試驗選取HDI三聚體N3300和H12MDI，由于異氰酸酯固化劑可與空氣中的潮氣反應(yīng)，反應(yīng)活性低時不可避免的會與潮氣反應(yīng)生成CO2氣體，殘留在涂層中造成涂層中斷面孔隙率增多。H12MDI不適合一步法反應(yīng)工藝，而HDI三聚體反應(yīng)時間較為合適，表干時間在5-20min，因此選取HDI三聚體為反應(yīng)固化劑。

（四）紫外光助劑吸收劑對涂層耐紫外老化性能的影響

由于光降解反應(yīng)先是吸收紫外光后，形成自由基，再和氧氣反應(yīng)形成過氧化物，過氧化自由基屬于高活性物質(zhì)，和聚合物骨架反應(yīng)，破壞化學(xué)鍵，降解涂層。因此除需選擇耐老化性良好的樹脂，還可在涂料中添加紫外助劑，一反面可以減少涂層本體的光氧化，為涂層下的底層涂料提供紫外屏蔽作用，另一方面可以將來自樹脂或雜質(zhì)初始氧化產(chǎn)生的自由基在進一步反應(yīng)前封閉掉，使其失活[3]。圖1為聚天門冬氨酸酯樹脂B中添加不同含量的紫外助劑1130在1000h紫外老化實驗后涂層的失光率實驗結(jié)果曲線。可以看出添加紫外助劑量低于1.5%時對涂層耐紫外老化性能提高顯著，當添加量大于1.5%后，并無更多的性能提升。

四、結(jié)論

通過SEM、EDS、FTIR分析可知，聚脲涂層耐紫外老化性能明顯優(yōu)于聚氨酯涂層。SEM測試表明，聚脲涂層耐紫外老化后涂層孔洞明顯少于聚氨酯涂層，涂層更致密；EDS測試表明經(jīng)紫外老化后聚氨酯涂層C含量降低，O含量增加，表明涂層中的共價鍵同時發(fā)生斷裂，放出CO2氣體，使得涂層變得疏松，孔隙率增加。聚脲涂層C含量變化不大，而O含量增多明顯，這說明水氧對涂層的氧化對聚氨酯和聚脲涂層均影響均較大。FTIR測試表明聚氨酯涂層氨基甲酸酯發(fā)生斷裂，而聚脲涂層前后變化不大。

參考文獻

[1]虞兆年.涂料工藝[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版杜，1996.

[2]劉婭莉， 徐龍貴. 聚氨酯樹脂防腐蝕涂料及應(yīng)用[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]耿舒，高瑾，李曉剛等.丙烯酸聚氨酯涂層的紫外老化行為[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31（6）：752-757.