温度对无溶剂环氧内减阻涂料施工的影响

徐腊梅，娄月霞 （中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司，湖北荆州 434001）

0 引言

无溶剂环氧涂料综合防腐性能好，应对苛刻腐蚀环境能力强，在高压流动介质的冲刷下，具有良好的附着力和耐磨性，施工效率高，无挥发组分，可避免固化时溶剂挥发造成涂层出现微孔而影响其耐腐蚀性能，同时也减少了溶剂中毒现象以及环境污染［1］。无溶剂环氧涂料的固含量在99.5%以上，其黏度约为20～50 Pa·s，远高于溶剂型涂料（0.1～0.3 Pa·s）［2］，因此，在喷涂施工过程中要对涂料进行预热保温以降低其黏度，方便喷涂施工［3］。同时无溶剂环氧涂料的固化时间和要求的操作时间就大大缩短，例如喷涂漆膜厚度达300 μm的无溶剂环氧涂料，常温下1 h内漆膜就能实现表干，而喷枪中残留的涂料若15 min内不清理就会固化。因此，在喷涂无溶剂环氧涂料时，一定要找到合适的施工条件［4］。

无溶剂环氧涂料的黏度是涂料从喷涂施工到成膜过程中的关键因素。采用高压无气喷涂施工时，高黏度下是难以雾化的，因此需要合适的喷涂黏度。成膜过程中，黏度太高流平性差；黏度太低，容易流挂。为了控制无溶剂环氧内减阻涂料的喷涂质量，本研究探讨了喷涂过程中，控制黏度的关键因素——温度对喷涂的影响以及无溶剂环氧涂料在不同温度下的适用期，最后确定了无溶剂环氧内减阻涂料的喷涂参数。

1 原材料与主要仪器设备

原材料：无溶剂环氧涂料（双组分），无溶剂环氧涂料专用稀释剂。

主要仪器和设备：DV3TRVCJ0锥板黏度计，BROOKFIELD；DSC测试仪，梅特勒托利多；坩埚；红外线测温枪，UNI-T/优利德；双组分油漆混合器Twincontrol 75-150，瓦格纳。

2 试验内容

2.1 无溶剂环氧内减阻涂料的黏度试验

将涂料A组分温度从30 ℃升至90 ℃，检测其表观黏度的变化，转子型号CPA-41Z，转速0.5 r/min，测试时间120 s。

2.2 无溶剂环氧内减阻涂料的热特性试验

将无溶剂环氧内减阻涂料的A、B组分按生厂商推荐的比例混合，设置DSC升温程序和恒温程序，绘制无溶剂环氧内减阻涂料在不同温度下的固化曲线。

2.3 喷涂机调试试验

调整喷涂机的喷涂压力和涂料的加热温度，考察涂料的喷涂量和喷嘴雾化时的温度。固定喷涂时间20 s。

3 结果与讨论

3.1 温度对涂料A组分黏度的影响

无溶剂环氧内减阻涂料A组分黏度与温度的关系见图1。

图1 无溶剂环氧内减阻涂料A组分黏度与温度的关系Figure 1 Relationship between viscosity and temperature of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings A component

从图1中可以看出：无溶剂环氧内减阻涂料A组分的黏度随温度的升高急剧下降，在60 ℃时，出现了转折点，此时黏度为初始黏度的48.9%，降低了一半。主要是因为相对分子质量较低的环氧树脂对温度比较敏感，黏度指数低，是典型的非牛顿流体，随温度的升高，黏度呈指数级下降。从图1中可以看出，为保证无溶剂环氧内减阻涂料进行高压无气喷涂，其最佳预热温度应为50～60 ℃。

3.2 无溶剂环氧内减阻涂料适用期与温度的关系

对于无溶剂环氧涂料这种热固性聚合物而言，温度越高，固化反应将会越快，当温度达到一定值时，涂料一混合即迅速固化，则无法实现喷涂。这主要是因为温度升高后，环氧树脂基料与固化剂的反应速率加快的缘故。在树脂浓度相同的情况下，体系的反应速度与反应速率常数成正比，可以用反应速率常数来表示其反应速度的高低。反应速率常数与温度的关系可用Arrhenius方程［2］表示：

式中：Ea为活化能，A为碰撞因子。

对于同牌号的无溶剂环氧涂料，Ea和A为定值，从上式可以看出，温度升高，必将导致体系反应速率常数的增加。

应用DSC数据分析并确定固化过程中的动力学参数是较为常见的分析方法［5］。在固化反应中，等温条件下最常用的普适动力学方程如下：

式中：k（T）为与温度相关的反应速率常数，可用Arrhenius方程式（1）来表示；f（α）为反应模型；α为固化度。

反应至某时刻t时，体系的固化度α通常可以表示如下：

式中：∫t0（dH/dt）dt表示固化反应从开始到t时刻的放热量（在DSC曲线中，dH/dt为曲线的纵坐标，又称热流率，与反应速率成正比）；ΔH为固化完全时的总放热量，ΔH可由动态固化反应热求得。对于某一个固化反应而言，当原料的配比和固化工艺确定时，ΔH恒为定值。

参照标准Q/J 2508研究了无溶剂环氧内减阻涂料的动态固化曲线。试样质量8.8 mg，升温程序：以10 ℃ /min从30 ℃升温至220 ℃，冷却至30 ℃，再从30 ℃升温至150 ℃。无溶剂环氧内减阻涂料的DSC曲线见图2。无溶剂环氧内减阻涂料的放热量ΔH为275.45 J/g。由玻璃化转变温度看为100%固化。无溶剂环氧内减阻涂料的起始固化温度在50 ℃左右。厂家推荐的施工温度为45～55 ℃。

一般反应程度低于5%以前都属于稳定期［2］。本研究以固化度达到15%以前为适用期，采用等温固化的方法考察涂料的固化度与反应时间的关系［5］，从而确定适用期。

图2 无溶剂环氧内减阻涂料的DSC曲线Figure 2 DSC curve of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings

图3是无溶剂环氧内减阻涂料的等温固化曲线，图中后期的反应非常缓慢。由于液态涂料转化为玻璃态，涂料需要在很长的一段时间内逐渐发生变化，直至最终完全固化。这也是涂料的实干一般需要1周时间的原因。

图3 DSC等温固化曲线Figure 3 DSC isothermal curing curve

将图3 DSC曲线中的纵坐标dH/dt对时间t积分，得到不同固化温度下无溶剂环氧内减阻涂料固化度C随时间t的变化曲线图，见图4。

图 4 无溶剂环氧内减阻涂料不同温度下的适用期Figure 4 The pot life of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings at different temperature

从图4中可以看出，涂料在不同的温度下固化时，固化度为15%。60 ℃时的适用期为7 min，50 ℃时的适用期为15 min，40 ℃时的适用期为31 min。可见涂料的适用期或者凝胶时间随温度升高会缩短。

按照不同黏度对应的温度考察无溶剂环氧内减阻涂料的固化性能。结合黏度与温度的关系，可以选出黏度低且适用期也稍长的温度，该温度即为最佳喷涂温度，应为50 ℃。

3.3 不同温度与无溶剂环氧内减阻涂料喷涂量的关系

采用瓦格纳双组分油漆喷涂机，喷嘴直径0.533 mm，喷涂时间为20 s。

为了研究最佳的喷涂条件，达到优质增产的目的，考察了不同温度下无溶剂环氧内减阻涂料的喷涂量，结果如表1所示。

表1 不同温度下无溶剂环氧内减阻涂料的喷涂量Table 1 Spraying amount of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings at different temperature

由表1可见，当压力相同时，温度越高涂料的喷涂量越大。当压力过低时，无溶剂环氧内减阻涂料雾化不良。温度相同时，随压力增加，无溶剂环氧内减阻涂料的雾化状况逐渐变好，喷涂量也随之提高，但是增加量不如升高温度来得快。可见涂料的温度是影响喷涂过程的首要因素。无溶剂环氧内减阻涂料喷涂条件为：温度≥45 ℃，喷涂压力≥12 MPa。根据无溶剂环氧内减阻涂料的喷涂厚度要求，喷涂量应达到1 L/min。将喷涂温度与该温度下的黏度联系起来进行对比，见表2。

表2 无溶剂环氧内减阻涂料不同黏度下的喷涂量Table 2 Spray amount of solvent-free epoxy internal drag-reducing coatings at different viscosity

由表2可见，温度高，喷涂条件相对宽松，主要是因为涂料的黏度随温度的升高而降低，使得涂料流动时的黏滞阻力减小，较小的压力下也可以获得较大的喷涂量。由表2可见，泵压力为10 MPa下，涂料黏度低于63.37 Pa·s时，涂料的雾化状况和喷涂量均能达到要求。

4 结语

无溶剂环氧内减阻涂料的黏度随温度升高而降低，适用期随温度的升高而缩短。喷涂量相同时，无溶剂环氧内减阻涂料的喷涂压力随温度的升高而降低。同样的喷涂压力下，无溶剂环氧内减阻涂料的雾化状况也随温度的升高逐渐变好。

［1］ 张雅洁，刘学勤.无溶剂液体环氧管道内防腐技术［J］.油气田地面工程，2015，34（11）：82-84.

［2］ 洪啸吟，冯汉保.涂料化学［M］.第2版.北京：科学出版社，2006：8-10，18-19.

［3］ 杨继平，毛浓召，杜华，等.输气管道内壁无溶剂内减阻环氧涂层的应用研究［J］.焊管，2015，38（1）：33-37.

［4］ 徐振海.无溶剂环氧涂料在大型储罐防腐中的应用［J］.腐蚀研究，2017，31（6）：68-72.

［5］ 代晓青，肖加余，曾竟成，等.等温DSC法研究RFI用环氧树脂固化动力学［J］.复合材料学报，2008，25（4）：18-23.