大口径钢管热滚涂专用熔结环氧粉末涂料的研究

http:/www.sansenpaint.net 大口径钢管热滚涂专用熔结环氧粉末涂料的研究

摘要：目前对于Ф100mm以上的大管径防腐输水管道，大多采用喷涂或浸涂的方法进行涂装，但这些涂装方法施工困难，耗能较高。本文通过与以往涂装工艺的比较，开发了一种适用于Ф100mm以上防腐管道的热滚涂工艺，大大提高了涂装效率，节省了能耗，具有很好的发展前景。

1 前言 重防腐涂料是一种在严酷的腐蚀环境下能长期有效使用的涂料，为了实现重防腐目标，涂层厚膜化成为必然，同时对涂料基体树脂与助剂的选用、基材的表面处理与涂装施工、维护等要求也十分严格。这类防腐材料以往大多采用液体涂料，通常需要多道涂装才能达到要求。随着科技的进步，新材料的涌现，粉末涂料具有的安全高效、无污染等优点在重防腐涂装中发挥着越来越重要的作用。 与普通粉末涂料相比，重防腐粉末涂料在功能上有所不同。常规粉末涂料虽然也注重对基材的保护，但其装饰作用往往处于较重要的位置，但重防腐粉末涂料侧重于对底材的保护功能，且主要用作工业涂料，批量大，生产作业速度快，涂装方式往往采取快速地加热熔化与固化的方式，因此国外将这类粉末涂料称之为热结环氧(Fusion Bonded Epoxy，简称FBE)粉末涂料。

2 FBE涂层钢管和PE涂塑钢管 改革开放以来，国外的先进技术逐渐引入国内，涌现出PE涂塑钢管、衬塑钢管等技术和产品，近期国内研制开发并生产出重防腐粉末涂层钢管。如图1所示，涂塑用的PE树脂大多是线性高聚物，分子量10000以上，分子极性键少而弱，因此对基材的粘附力差。重防腐粉末涂料用的热固性环氧树脂分子量多在1500~3000，分子小，对经过“抛丸”或“喷砂”处理的工件浸润性好，附着力强，这就是3PE管道内涂层采用FBE的原因所在。从图2可以看出，热塑性PE涂层的孔隙率明显高于热固性环氧涂层，小分子很容易通过孔隙渗进涂层，腐蚀底材。

图1 高聚物PE分子链(a)和环氧树脂分子链(b、c)的比较 http:/www.sansenpaint.net (a) (b) 图2 热塑性PE涂层模拟图(a)和热固性粉末涂层电镜图(b) http:/www.sansenpaint.net 热塑性PE和热固性环氧的树脂结构有着很大差异，因此形成的涂膜性能也有所不同。如表1所述，熔结环氧的配方和涂装工艺较之以前的涂塑钢管有了很大改进，配方更加合理，涂膜耐化学品性、柔韧性和附着力更优异，各项性能更完善，使用寿命延长。除静电喷涂外，熔结环氧粉末涂料还可采用多种方法涂装，涂装后的管材适用于各行各业，显示出十分广阔的市场前景。 表1 熔结环氧粉末涂覆钢管和PE涂塑钢管的比较 性能 PE涂塑钢管 FBE单涂层钢管 附着力 不含极性基团，附着性差 含有极性基团，附着性好 硬度 低 高 耐候性 好 差 适用温度 相对较低，不能用于消防管道 相对较高，可用于消防管道 耐水性 差 好 浸润性 差 好 表面张力 高，流平差 低，流平好 喷涂难易 不可以静电喷涂 可以静电喷涂 耐腐蚀性 弱 强 涂膜孔隙率 高 低 堵管 涂层易脱落，易堵管 涂层不易脱落，不易堵管

3 钢管的涂装方法 3.1 常规方法 目前重防腐粉末涂料常用的涂装方法有：热喷涂、冷喷涂、热浸涂、热甩涂和热吸涂等。 热喷涂是最普遍也是最常见的重防腐粉末涂装方法，适用于Ф50mm以上的管道外涂装。经过严格前处理的被涂管件用预热炉或中频设备加热，预热温度没有严格限定，一般不高于250℃。预热后的管件进入喷室进行粉末静电喷涂，然后进入固化炉烘烤固化，并自然冷却或水冷却。这种涂装方式可流水线作业，也可间歇式生产，前者生产效率较高。但这种生产方式能耗高，并且只能涂装管径适中的管道，大管径钢管涂装比较困难。 冷喷涂省去了预热过程，可以直接喷涂，但加强级防腐管道的外涂装其涂膜厚度难以满足要求(SY/T0315-2005单层熔结环氧外涂技术规范)，喷涂过程中当管件达到静电饱和状态时，就会出现上粉困难和振动落粉情况，膜厚难以达到600μm以上。涂膜固化过程所需时间更长。虽然这种方法可以用在Ф1000mm以上的大管径内涂装，但存在涂膜厚度不均和涂装效率低的问题。 热浸涂技术也是最近几年发展起来的一种简便的涂装方法，可以实现钢管的内外壁同时涂覆，省去了喷涂环节的时间，生产效率更高。这种方法需要一口底部带有流化设备的竖井，将粉末倒入井中并使其流化，然后将预热好的管件放入竖井，浸涂3~8s后取出(浸涂时间与预热温度有关)，即可完成钢管的内外壁同时涂覆。这种方法涂覆的钢管膜厚较均匀，施工简单，设备占地面积小，生产效率高，不适合带有法兰的钢管浸涂，法兰的阻力和挂粉对涂装生产带来不便。 http:/www.sansenpaint.net 热甩涂也是一种较新的钢管涂覆方式，仅用于大管径钢管的内涂装。该涂覆方法需要专门的输粉设备，将其探入热管内，通过旋转将粉末离心甩出并附着在已经预热的管道内壁，粉末熔融固化。这种方法形成的涂膜均匀性不佳，操作繁琐。 热吸涂主要针对Ф50mm以下的小管径钢管的内涂，采用特殊设备将粉末从管道的一端吸入粉末涂料，并将其送至管道另一端，粉末在管内受热熔融并附着在管壁上，完成内壁涂装。该方法涂装效率高，但回收粉不宜重复再利用。

3.2 热滚涂工艺 以上所阐述的几种涂装方式几乎可以完成所有中小管径钢管的内外涂装，但是对于在Ф200mm以上的偏大型钢管的涂装都存在一定的难度，尤其是Ф1000mm*8mm-2000mm*8mm范围的超大口径钢管，对于涂膜厚度的均匀性和高的固化程度都提出了更高的要求。 对于大管如果采用冷喷涂再固化的方法，会降低涂装效率，并且很难实现厚涂装和均匀的涂装，另外在搬运过程中可能会遇到粉末掉落或者蹭掉的可能性。 如果采用热喷涂，因为钢管处在高温状态，人不能进入里面喷涂，如果采用设备喷涂，必然要求有一定的支撑受力点，并且考虑设备耐温性和根据管件直径的变化要作相应的调整，操作起来很繁琐。另外喷涂需要时间，这段时间内管件会随之降温，等喷涂完成时，管件前后温度存在差异，因此涂装会有很大难度。 另外，热浸涂不适合超大口径管道。竖井直径及流化板耐气压问题解决不了。也不适合口径在50mm以下口径，更不适合超长（10米以上）管道，后序仍需加热，效率低。吸涂最适合小口径50mm以下管径，只有用此法内涂，300mm以上直径没法吸涂。甩涂工艺涂覆效率相对比较低，操作困难，都不能达到很好的效果。 因此，我们设计开发了一种针对大口径钢管热滚涂专用的熔结环氧粉末涂料，这种粉末涂料和以往的熔结型环氧重防腐粉末涂料不同。无论从配方还是工艺上，都有所改进，不仅一次解决内涂装问题，甚至还可以内外一起涂装。并且能耗低，符合国家环保要求，解决了以往大口径钢管防腐粉末涂装上的困难。 滚涂工艺，也叫旋转成型或回转成型工艺，是五十年代由欧洲发展起来的, 以后传入美国、日本等地。这种成型工艺开始只是用液状、糊状树脂作原料, 成型玩具等, 且只是把它作为注射成型、中空成型、热成型的一个补充，60年代初粉状问世, 滚塑工艺便因为热塑性塑料的粉末成型法而获得较大的发展。到七十年代, 这种工艺不仅可成型小制品, 而且可成型大型制品和超大型制品,并且制品可为开放式, 也可为密闭式。滚塑工艺也在不断发展，设备模具在不断改进，制品品种在不断增加，制品质量在不断提高，所用原料不仅限于热塑性塑料, 用热固性树脂也成功地做出了优良制品。随着自动化水平不断提高, 程序控制及微处理机已成功应用于滚塑过程, 整个成型过程都可为自动控制。目前, 欧洲、美国、日本都在争相使用和研究发展该工艺，我国已有几家采用该工艺, 滚塑设备有的是引进设备, 也有自己设计制造的设备。 http:/www.sansenpaint.net 热滚涂工艺是无压成形, 离心力也不会施加制品上,无内应力, 无取向性或残余应变, 也不致发生凹陷、变形和开裂等弊病。并且都是整体成形, 几乎所有的原料都转换成制品, 无浪费、无费弃物污染环境。成型件壁厚均匀,仅仅改变加料量并调节钢管转速即可生产预想膜厚的涂层。通过不同材料的组合, 可得到综合性能好的兼有各原料特点的涂层。该工艺成型简单, 适应性强, 设备及涂覆工具结构简单, 加工制造方便迅速, 成本低廉。 我们结合重防腐熔结型环氧粉末涂料的特点，配合热滚涂工艺，解决了Ф100mm以上大口径钢管的涂装难的问题。

3.3 大口径钢管热滚涂的设备和流程 这种涂覆方法设备简单，只需要一个固定炉，两个固定脚轮，和一个送料槽。轮子可以有单机带动，也可以人工转动。将粉末倒入热管中，转动钢管即可涂覆。操作流程如下： 前处理 → 230-240℃预热 → 置于脚轮上滚动 → 加粉 → 转动固化 → 冷却 热滚涂设备见图三

图三 大管径的专用热滚涂设备 3.4 钢管涂装方式的比较 几种涂装方式可以针对不同的钢管直径采用不同的涂装方法。热滚涂工艺和其他几种涂装方式相比，尤其是在大口径钢管的涂装上有很大优势。见表二： http:/www.sansenpaint.net 表二 几种常见环氧涂覆钢管的涂覆方法比较 方式 项目 冷喷涂 热喷涂 热浸涂 热吸涂 热滚涂

大管径 困难 困难 困难 困难 容易 小管径 一般 容易 容易 容易 困难 适用内外涂 外涂 外涂 内外涂 内涂 内外涂 同时内外涂 可以 可以 可以 可以 可以 人工喷涂 需要 需要 不需要 不需要 不需要 预热 不需要 需要 需要 需要 需要 法兰管件 可以 可以 困难 困难 可以 加强厚度 困难 容易 容易 容易 容易 粉末使用率 低 低 低 低 高 膜厚均匀性 不易均匀 不易均匀 相对均匀 不易均匀 最均匀 回炉固化 需要 需要 需要 需要 不需要 占地面积 一般 一般 小 一般 一般 涂装效率 低 低 一般 一般 高 能耗 最高 高 高 高 相对较低

从表二中可以看出，热滚涂工艺对于大口径管道的涂装具有现实意义，它具有很多其他涂装方式没有的优势。 1、余热固化。先将管道采用加热炉加热或中频加热，滚涂好后，就不再加热，固化完成率高，涂层性能优异。 2、生产效率高。整个滚涂过程可在十秒至四十秒内完成。 3、适合超大管径。108mm---3000mm均可采用此工艺涂装。 4、膜厚均匀，比喷涂和浸涂更容易控制膜厚。 5、无损耗，所有粉末全部转化为涂层，成本低。 6、内、外可同时滚涂，一次完工。