防腐聚脲的研制及其在防腐领域中的应用

2018-07-15 19:53:00
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摘要:介绍了刚性和弹性防腐聚脲的研制,重点探讨了两种防腐聚脲的力学性能和防腐性能。研制的防腐聚脲具有力学性能和防腐性能兼顾的特点,产品性能指标符合行业标准HG/T 3831—2006《喷涂聚脲防护材料》中相应的弹性材料和刚性材料的质量标准。并通过案例阐述了防腐聚脲在管道防护和石化防腐地坪中的应用。

0 引言

喷涂聚脲弹性体自20世纪90年代引入中国以来,一直以高强度和高延伸率著称,广泛应用于高档亚博体育手机网页版领域,尤其在高速铁路桥面亚博体育手机网页版的应用,使该产品在国内得到了迅速的发展。近几年,聚脲在电厂、石油、化工储罐及附属设施防腐、钢结构防腐(特别是码头钢桩防腐)、弹性防撞材料(海上浮标、护弦)、污水处理池等领域的应用也日渐广泛。应用领域的广泛和施工环境的复杂,既说明了聚脲产品本身性能的优异和施工的便捷,同时也向研发推广聚脲的企业提出了一种需求:聚脲材料需要系统化,需要针对性地满足不同应用条件的聚脲及聚脲配套产品。

目前,相比国外,国内聚脲研发大多局限于传统弹性亚博体育手机网页版型聚脲,随着聚脲应用越来越广泛,客户对于具有更高强度和硬度要求的刚性防腐聚脲和更高防腐性能的弹性防腐聚脲的需求越来越大,为了满足市场的需求广州秀珀化工股份有限公司研发了刚性防腐聚脲和弹性防腐聚脲,并在防腐工程案例中得以推广应用。

在研发之初,我们收集了相关的防腐聚脲标准,如化工行业标准HG/T 3831—2006《喷涂聚脲防护材料》和中国石油天然气集团的企业标准Q/CNPC 127—2007《钢质管道聚脲外防腐层技术规范》以及相关的防腐材料的技术标准,如石油工业标准化工业委员会SYT 0413-2002 《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》,对标准进行学习和借鉴。并通过对防腐应用领域客户的调研,了解市场的实际需求,形成研发目标:研发刚性和弹性两种防腐聚脲,对两种材料的力学性能、化学性能进行评价,并结合实际使用条件和环境,完善整体配套的技术方案,以满足聚脲材料能防腐且附着力良好的要求。


1 防腐蚀机理

能在较为严酷的腐蚀环境中使用,可保护底材(主要是钢材)免遭各类腐蚀(电化学腐蚀、化学介质腐蚀、生物污损、大气老化、机械磨损等),以获得相对长期使用的涂料称为防腐涂料。防腐涂料是在严酷使用环境下的保护涂料,涂层的防腐蚀功能大致分为2种:一种是防止涂层外部的腐蚀性物质侵入底材;另一种是依靠防腐颜填料起到抑制腐蚀的作用。由于聚脲快速固化和高温高压喷涂施工的特点,体系中基本上不含颜填料,因此从传统防锈颜填料方面抑制腐蚀的方案在此不作特别研究。

本文主要从涂层的屏蔽隔绝作用方面探讨聚脲涂层的防腐蚀机理。涂层的屏蔽作用在于使基体和环境隔离以免被腐蚀。根据电化学腐蚀原理,带涂层保护的金属所发生的腐蚀,是因为在涂层和金属的界面存在水、氧、离子等,且存在离子流通(导电)等途径。因此,要防止金属发生腐蚀,就要求涂层具有更好的屏蔽隔绝作用,阻挡水、氧和离子从外界腐蚀环境渗透过涂层而到达金属界面。所以涂层的屏蔽隔绝作用的优劣决定于涂层的抗渗透性。


2 提高耐腐蚀的配方设计

提高聚脲涂层的致密性可以最大程度地减少外界腐蚀介质入侵的途径,使聚脲材料表现出优异的耐化学介质性能,从而广泛用于各种防腐保护领域。涂层的致密性不是一个绝对的指标,总会有腐蚀介质渗透进漆膜的底层。当漆膜的内应力超过附着力而起泡离开基材表面即丧失了保护作用,开始腐蚀。因此,良好的防腐蚀漆膜除了能屏蔽水、氧、离子透过外,还必须具有并保持高度的附着力。

也就是说,仅仅以漆膜浸泡在介质中是否有变色、发泡、变脆的现象不能作为聚脲材料是否满足实际应用的依据,判断整个聚脲体系在介质中浸泡后附着力是否良好更是一个关键指标。因此,除了提高聚脲材料本身的防腐蚀性能,实际应用还需根据现场情况提供一个具有良好附着力的技术方案。

2.1 提高体系的交联密度

2.1.1 选用多官能团的聚醚树脂

聚脲材料是一种嵌段共聚物,分子链由硬段和软段相嵌而成。预聚物和树脂组分中的聚醚是软段,它赋予聚合物以弹性;苯核、氨基、脲基、低分子多元醇、胺和异氰酸酯等是硬段部分,它赋予聚合物以机械性能和粘接性。选用多官能团聚醚如聚醚三元醇或蓖麻油或低分子的多元醇使聚合物有一定的交联度,也增加了氨基甲酸酯等极性的数目,有利于提高材料力学性能。

2.1.2 提高半预聚体的NCO%

预聚物组分中异氰酸酯的含量(NCO%)对生成的聚脲材料的性能影响很大。一般采用预先合成半预聚物,将—NCO含量定为12%~25%。半预聚物组分也是软、硬段相间的嵌段共聚物,就相同的异氰酸酯类型和聚醚树脂而言,NCO%含量低,共聚物中聚醚含量多,软段部分增多,两组分反应的交联度较低,漆膜具有更好的弹性;—NCO含量越高,增加了体系中硬段部分,并增加了体系的交联度,将提高材料的力学性能。当然,—NCO设计范围必须合理,过低和过高都不好。因为聚脲体系要求反应活性适中,固化产物的微观结构才更有序,生成的聚合物力学性能才好。

防腐聚脲体系中,弹性防腐聚脲将—NCO设计在14%~16%较好,刚性防腐聚脲将—NCO设计在18%~22%较好。

2.2 工艺方面

涂层中离子、水和氧等介质的渗透性取决于孔隙率,孔隙率越高,水和氧等介质渗透率越高[1]。为提高漆膜的致密性,一方面需从配方设计角度考虑,如使两组份反应活性相当,两组分在施工温度下的黏度接近等;另一方面从生产工艺角度考虑,因为减少漆膜的微小气泡可大大降低漆膜的孔隙率,从而提高抗渗透性。从聚脲体系的反应原理可知,体系中水参与反应会生成脲基和产生气泡,因此,对体系中聚合物多元醇等原料的水分含量必须严格控制,最好对胺类扩链剂和聚醚等组成的树脂组分进行脱水处理。最后,还要从施工工艺角度考虑,采用适宜的喷涂温度和压力,使两组分能充分混匀,提高漆膜的性能。

2.3 不同基材采用不同配套材料方案

影响工程质量的主要原因是涂层与基层的粘结力不好,局部鼓泡、翘起或大面积脱落,严重的整体如卷材般被揭下来的情况在施工中也时有出现。由于聚脲反应很快,造成它本身与基材粘结力不够,所以一定要施工配套底漆。不同基材要采用不同的配套底漆,提高涂层的附着力还能提高涂层的耐腐蚀性能。


3 产品性能

3.1 刚性聚脲

主要力学性能和化学性能指标见表1。

3.2 弹性聚脲

弹性聚脲的主要力学和化学性能见表2。

注:刚性聚脲和弹性聚脲的化学性能检测不局限于上述所列的范围,实际应用中由于防腐环境的复杂性,需综合考虑介质类型、介质浓度、使用温度及基材等情况,科学评估漆膜本身性能及整体技术方案是否符合长期的使用。


4 应用案例

4.1 刚性聚脲在防腐地坪中应用

(1) 车间概况

江西某化工厂提炼生产车间材料为矿泥,地坪需承载重为5~10 t的铲(叉)车。现车间混凝土腐蚀严重出现坑蚀,主要腐蚀原因是酸腐蚀。由于矿泥颗粒、粉尘散落于表面,溶化渗入砼内,腐蚀砼,造成砼强度降低、粉化、剥落,混凝土地面损坏严重,影响正常的生产安全。

(2) 腐蚀机理分析

混凝土地坪由于长期处于矿泥颗粒、粉尘的含酸环境中,遇水冲洗或在潮湿空气中吸湿潮解,极易渗透到微孔混凝土中。在自然干燥条件下,又重新形成结晶物,促使体积迅速膨胀,产生的结晶胀力远远超出混凝土的30 N/mm2极限强度。随着酸的渗透分解,对混凝土结构层的破坏力也越强,使混凝土粉化、脱落、开裂、坑蚀。当混凝土受酸的分解破坏后,混凝土的微孔结构便扩大为微裂纹,使水、氧气和其它化学介质快速渗入混凝土从而加速了混凝土失效的速度。

(3) 防腐设计

车间地面防腐质量的好坏关键在于设计和施工,其中某一环节都直接关系到混凝土地坪防腐工程的质量,从而影响防腐地面的使用寿命。根据实际情况决定采用喷涂刚性聚脲防腐材料作整体防腐耐磨地坪。

施工工艺流程是对原有基面进行打磨除尘处理后,用专用底漆薄涂,封闭混凝土毛细孔,增强与上层材料的附着力;用修补料刮砂对孔洞进行修补及找平,避免后续喷涂聚脲起泡;整体喷涂刚性聚脲防腐材料。施工中对四周的收边和门口叉车经常经过易磨损的区域进行特别的细节处理。

(4) 部分施工图片

图1~图3为聚脲在防腐地坪应用的场景。

图1 混凝土基面情况

图2 打磨基面

图3 喷涂聚脲后地面效果图


4.2 弹性聚脲在埋地管道防护中应用

(1) 工程概况

广州新塘某在建小区,已开挖沟槽准备埋热水保温管道,直管和弯头、三通等管件在工厂预喷聚脲后直接拉到现场堆放,现场将管道焊接后将包括接口在内的未喷涂的区域用聚脲进行涂刷,以保证整体无缝。管道埋于土壤中。

(2) 腐蚀机理

影响管道腐蚀的因素可分为地下水腐蚀、土壤腐蚀、杂散电流腐蚀等。地下水腐蚀受溶氧度、水温、溶解离子Cu2+、Fe3+、Hg2+等因素的影响;土壤腐蚀受其均匀性、通气性、含水量、温度、电阻率、溶解离子的质量和数量、pH值、氧化还原电位、有机质及存在的微生物等因素的影响[2]。

(3) 性能要求

因为管道聚脲层在生产、运输、堆放和施工的过程中难免造成自身损伤,要求聚脲涂层耐冲击、耐磨损等机械性能好;管内输送热水,经过保温层后,管外壁温度仍可达50 ℃,特别是冬季,与外界温度相差较大,既要求聚脲材料耐高低温变化不变脆,又要求黏结力更强、吸水率低、抗阴极剥离。当然涂层需耐植物根茎穿透,化学稳定性好。

(4) 施工设计

管道经抛丸除锈设备喷砂处理后刷涂底漆,后采用弹性防腐聚脲材料进行自动化喷涂。喷砂处理和刷涂底漆都为聚脲附着提供保障。

(5) 施工图片

图4~图6为聚脲在埋地管道防护的施工应用现场。

图4 管道正进入抛丸除锈设备

图5 工厂自动喷涂生产线

图6 现场焊接后涂刷手工聚脲后埋地

5 结语

聚脲作为一种特殊的涂膜材料有着广阔的应用前景。目前聚脲已在国内高铁亚博体育手机网页版、屋面亚博体育手机网页版领域、火力发电、城市供排水、化工、海岸工程及矿产等行业中,获得了日益广泛的应用。涉及的基材多是混凝土和钢质金属结构。

应用领域的广泛,应用环境的复杂,也使客户越来越希望聚脲材料系统化、功能细化,以更有针对性地满足实际应用中多变的要求。研制的刚性防腐聚脲和弹性防腐聚脲,相比传统亚博体育手机网页版聚脲具有更优良的抗渗性和耐腐蚀性,可为客户提供更多的选择。三分材料,七分施工,施工设计和施工工艺合理化和规范化对工程效果影响更大。因此,在应用中关注工程的概况,摸清腐蚀机理、性能要求,以提出合理的设计方案,进行规范化施工。


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