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作者

文/劉玉昆、周偉、崔志剛

廊坊艾格瑪新材料科技有限公司

摘要：標準EN877規(guī)定，建筑排水鑄鐵管需要滿足溫度循環(huán)試驗，對鑄鐵管的防腐材料提出了更高的要求。本文討論并驗證了影響環(huán)氧粉末涂料配方設(shè)計中涂層耐溫性循環(huán)性能的因素，并介紹了適用于粉末制造商實驗室的溫度循環(huán)試驗設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用。

熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料（FBE）是一種耐腐蝕性高、機械性能好的熱固性粉末涂料，廣泛應(yīng)用于建筑材料、管道、閥門配件、船舶、地下設(shè)施、海底設(shè)施、電子產(chǎn)品、家居用品等，是建筑排水鑄鐵管內(nèi)外壁防腐的最佳選擇。《BS EN 877 1999 A1 -2006 Cast ironpipes and fittings,their joints and accessories for the evacuation of water from buildings-Requirements,test methods and quality assurance》本標準對排水管道溫度循環(huán)試驗有規(guī)定，主要考慮人們?nèi)粘Ｓ盟疁囟确秶^寬，生活排水冷熱水交替。水環(huán)境中的冷熱交替是對材料的嚴格考驗。如果環(huán)氧粉末涂料選擇不當(dāng)，涂層很容易剝離和起泡。水環(huán)境中的冷熱交替是對材料的嚴格考驗。如果環(huán)氧粉末涂料選擇不當(dāng)，涂層很容易剝離和起泡。實驗結(jié)束后，小管徑涂層對大管徑涂層的損壞較嚴重，入口位置涂層對其他部位涂層的損壞較嚴重。因此，對FBE測試涂層的耐溫循環(huán)性是非常必要和有預(yù)防意義的。同時，設(shè)計一種簡單有效的溫度循環(huán)檢測設(shè)備，對粉末制造商的相關(guān)檢測試驗和研究尤為重要。同時，實驗室溫度循環(huán)檢測中使用的設(shè)備的設(shè)計對相關(guān)檢測試驗也起著重要作用。

1 EN介紹877標準規(guī)定的溫度循環(huán)試驗方法

EN877標準規(guī)定的溫度循環(huán)試驗方法如下：

（1）（30±1）L，（93±2）℃水，1min持續(xù)流過管道系統(tǒng)的時間；

（2）排空并停留1min；

（3）（30±1）L，（15±5）℃水，1min持續(xù)流過管道系統(tǒng)的時間；

(4)排空并停留1min；

(5)循環(huán)1500次。

如圖1所示。

2 影響配方設(shè)計FBE涂層耐溫循環(huán)的因素

鑄鐵管的內(nèi)孔、砂眼和表面處理質(zhì)量FBE涂層的溫度循環(huán)試驗影響很大，這里就不深入研究了。本文主要探討環(huán)氧粉末涂料本身的因素。

FBE涂層故障是由于腐蝕介質(zhì)（水、氧等）滲透到基底，基底腐蝕損壞，涂層泡沫、開裂或基底腐蝕體積膨脹導(dǎo)致涂層脫落（如圖2所示）。因此，如何防止腐蝕介質(zhì)的滲透是有效防止環(huán)氧涂層故障的主要途徑。

由于環(huán)氧涂層是一種剛性聚合物聚合物，在溫度變化引起的應(yīng)力作用下不能及時完成屈服，導(dǎo)致涂層損傷，形成銀線，為腐蝕介質(zhì)的滲透提供了渠道。此外，環(huán)氧樹脂和固化劑含有大量的極性基團。除了官能團之間的反應(yīng)外，極性基團之間還會形成氫鍵，從而提高涂層的致密性。而水分子的滲入會破壞這種作用(如圖3)，使涂膜變得疏松，高分子發(fā)生溶脹，內(nèi)部自由空間變大，這樣一來水分和氧氣就更易滲入了。從以下幾個方面進行驗證。

2.1 填料量的影響

粉末涂料中的填料可增加涂層硬度，提高涂層致密性，有效防止水、氧、鹽等腐蝕介質(zhì)的滲透。涂層的膨脹系數(shù)隨填料量的增加而逐漸下降。涂膜的附著力主要來自涂膜與底材之間的物理咬合和極性基團之間的鍵合作用，如氫鍵。涂層受溫變形越小，越難破壞這種鍵合作用，附著力越不容易受到影響。然而，填料的添加也是有限的。過量的填料會阻礙膜的連續(xù)性，降低膜的力學(xué)性能，增加孔隙率，使腐蝕介質(zhì)更容易滲透。試驗配方見表1。

從表1可以看出，當(dāng)填料量增加到40%（3號配方）左右時，溫度循環(huán)試驗結(jié)果相對最好（試驗實驗均為實驗室設(shè)備，方法見設(shè)備設(shè)計介紹的部分）。如果填料太少，整個涂層很容易脫落；如果填料太多，氣泡會顯著增加。事實上，無論涂層是脫落還是起泡，都是由于水和氧的滲透，導(dǎo)致基材腐蝕，涂層與基材分離。

2.2 影響填料類型

填料類型的選擇對涂層的抗?jié)B性至關(guān)重要。使用一些片狀結(jié)構(gòu)的填料可以有效防止腐蝕介質(zhì)的滲透；球形填料更容易被樹脂完美包裹，降低涂層的孔隙率。兩者的復(fù)合使用可以獲得優(yōu)異的抗?jié)B性。確定填料的質(zhì)量分數(shù)為40%。填料類型對涂層耐溫性和循環(huán)性能的影響，如表2所示。

實驗表明，涂膜耐溫循環(huán)試驗結(jié)果最佳(配方4)采用球形和片狀填料。

2.3 影響涂膜交聯(lián)密度(玻璃轉(zhuǎn)化溫度)

涂膜的交聯(lián)密度在很大程度上決定了涂膜結(jié)構(gòu)的致密性和玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）。在相同的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)下，Tg能反映涂膜交聯(lián)密度的尺寸。涂層交聯(lián)密度越高，結(jié)構(gòu)越緊，聚合物內(nèi)部自由體積越小，腐蝕介質(zhì)滲透越困難。涂膜的Tg決定了涂膜的耐熱性，Tg下面，涂層保持堅硬的玻璃狀態(tài)，限制鏈段運動，保持結(jié)構(gòu)、性能和附著力不變。然而，交聯(lián)密度越高越好。在固化成膜的過程中，過高的交聯(lián)密度往往會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，降低涂膜的穩(wěn)定性；此外，涂層剛度的增加降低了材料的屈服能力。面對外力或溫度變化引起的應(yīng)變，應(yīng)力積累，造成涂層損傷。

環(huán)氧當(dāng)量為400~500的酚醛改性環(huán)氧EP2#提高涂層的交聯(lián)密度，驗證不同比例Tg）下FBE涂層溫度循環(huán)試驗效果(普通填料用于突出對比效果)見表3。

1號：Tg2=97℃；2號：Tg2=105℃；3號：Tg2=112℃；

1號配方涂膜交聯(lián)密度最小（Tg最低)，涂層致密性差，腐蝕介質(zhì)易滲透，導(dǎo)致氣泡和脫落；EP2#含量增加，2號和3號配方的實驗結(jié)果最好；雖然4號配方涂膜的交聯(lián)密度最高（Tg最高)，密度最好，但涂膜屈服能力最差，應(yīng)力損傷最嚴重，試驗結(jié)果較差。

2.4 固化劑類型的影響

有許多環(huán)氧樹脂固化劑，主要包括酚、胺、酸（酸酐）、催化劑（咪唑及其衍生物）等。本實驗選擇了最常用的酚類固化劑和雙氰胺固化劑（普通填料用于突出對比效果）。實驗結(jié)果見表4。

實驗表明，雙氰胺的試驗結(jié)果較差，這應(yīng)該是由于雙氰胺本身的耐水性較差，尤其是熱水(80℃以上)會分解，與環(huán)氧樹脂相容性差，熔點高(209年)℃），熔化擠壓不能與環(huán)氧樹脂混合。在固化過程中，只有雙氰胺顆粒表面的活性基團參與反應(yīng)，雙氰胺顆粒在水中溶解或分解，導(dǎo)致交聯(lián)點斷裂（如圖4所示）。

此外，雙氰胺不僅可以作為環(huán)氧樹脂的固化劑，還可以催化環(huán)氧樹脂中羥基的活性，使環(huán)氧樹脂自聚合，降低固化后環(huán)氧涂層中的羥基，降低與基材的附著力。綜上所述，環(huán)氧粉末涂料配方設(shè)計可有效提高涂層的耐溫性。

(1)填料量控制在40%左右；

(2)選擇片狀和球形填料復(fù)合使用；

(3)在一定程度上增加酚醛改性環(huán)氧樹脂，提高涂層的交聯(lián)密度；

(4)避免使用胺使用酚類固化劑。

配方(如表5)按上述思路設(shè)計，中試生產(chǎn)，試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，鑄鐵管采用上述配方制備的環(huán)氧粉末涂料，溫度循環(huán)試驗后表面狀況良好，無變化。

3 實驗室溫度循環(huán)試驗設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用

對于一般規(guī)模的粉末制造商，標準的溫度循環(huán)試驗條件難以滿足，需要不同管徑的管段和閥門配件，以及內(nèi)壁涂層的涂層設(shè)備。因此，有必要為粉末制造商設(shè)計一個實驗室測試設(shè)備。我公司與設(shè)備公司設(shè)計的溫度循環(huán)設(shè)備見下圖。

①控制電柜；②升降桿；③180度旋轉(zhuǎn)器；④樣品固定器(強磁)；⑤15℃冷水鍋；⑥冷水鍋電磁控制閥；⑦熱水鍋；⑧支撐架。

儀器必須安裝在水平臺上。實驗中使用的熱水是熱水鍋本身加熱的自來水，冷水是冷卻器冷卻的自來水。冷熱水鍋中有熱電偶感溫裝置。實驗前，在控制電柜處設(shè)置升降桿升降后的停留時間，調(diào)整升降桿降落后的高度，使樣品涂層表面浸泡在液體表面以下，未涂層表面暴露在空氣中（模擬管道實際情況，管壁溫度梯度）；兩個水浴缸的液體表面自動保持在排水孔位置，由于試件攜帶的熱量，冷水鍋中的水溫逐漸升高。電磁閥啟注水模式降至15℃；由于水溫高(93)℃），因此，注水管保持小水流不間斷注水，以保證液位處于排水口高度。實驗開始后，樣品隨升降桿降至涂層表面以下，停留1min提升桿后，通過旋轉(zhuǎn)器交換兩個試件位置，在空中停留1min，再次下跌，如此循環(huán)1500次。

由于成品鑄鐵管的耐溫循環(huán)性與鑄造質(zhì)量和表面處理密切相關(guān)，儀器采用6mm厚檢測鐵板作為試件，與管道明顯不同，不考慮水壓、流速等方面的影響，因此試驗結(jié)果一般優(yōu)于標準方法。該儀器主要適用于環(huán)氧粉末耐溫循環(huán)試驗的平行比較試驗和優(yōu)缺點判斷（如圖7所示）EN判斷877中相關(guān)等級。

4 結(jié)語

排水鑄鐵管環(huán)氧粉末涂料的耐溫性和循環(huán)性受鑄造質(zhì)量、表面處理質(zhì)量、涂層生產(chǎn)工藝條件、粉末質(zhì)量等多種方面的影響。本文僅討論了粉末制造商的配方設(shè)計因素，以及實驗室檢測設(shè)備的推廣。對于生產(chǎn)經(jīng)營活動中遇到的實際問題，應(yīng)根據(jù)具體情況分析從哪里開始改進。

封面圖：Pexels 上的Avinash Patel拍攝的圖片

音樂：Alone in kyoto（Air）-Kitchen

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