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浅析环氧煤焦沥青涂料的研究现状及进展

信息来源:hunningtu.biz  时间:2011-04-11  浏览次数:1675

  摘要:对环氧煤焦沥青涂料的研究现状进行了综述,概述了采用环氧树脂改性煤焦油沥青的技术,并对环氧煤焦沥青涂料未来的研究及应用重点进行了展望。
  关键词:环氧树脂;改性;煤焦沥青;涂料
  0引言
  环氧煤焦沥青涂料是20世纪60年代出现的一类防腐涂料[1]。这类涂料综合了煤焦沥青的耐酸、碱性、耐水性和环氧树脂的附着力、机械强度和耐溶剂性,为优良的防腐蚀涂料品种[2]。当前,我国已研发了大量环氧煤焦沥青涂料产品。这类涂料采用环氧树脂改性煤焦沥青,制得的涂料广泛用于水利、石油化工、造船和运输等行业。作者概述了采用环氧树脂改性煤焦沥青的技术,对环氧煤焦沥青涂料的应用现状及研究进展作了介绍,并就其未来的研究及应用重点进行了展望。
  1环氧树脂改性煤焦沥青的技术
  煤焦沥青改性就是在煤焦沥青中添加外掺剂从而达到克服煤焦沥青缺点的目的。下面从环氧树脂改性煤焦沥青的优势,环氧煤焦沥青涂料的配方、性能以及应用几个方面来介绍。
  1.1环氧树脂改性煤焦沥青的优势
  由于煤焦沥青涂料具有如下优点:耐水性优良,浸入水中10a,其吸水率仅0.1%~0.2%;漆膜不透水并耐一些化学品的侵蚀;涂料对未充分除锈的钢铁表面仍具有良好润湿性;价格低廉;固体含量高,可获厚膜[3]。故将煤焦沥青作为涂料涂在金属表面抵抗腐蚀的应用历史很久[4]。
  如黑漆和沥青搪瓷,都有较强的抗腐蚀性,但它们色黑且塑性温度范围较窄,即在高温时变得流动,低温时发脆,并受天气的影响。而将环氧树脂与煤焦沥青相结合,既发挥了环氧树脂优异的成膜性能和防腐蚀性能,又较好地解决了沥青材料高温流淌、低温冷脆等难题。采用环氧树脂和价格低廉、施工方便的煤焦沥青配制成的涂料结合了二者的优点,为优良的防腐蚀涂料品种。
  1.2环氧煤焦沥青涂料配方
  一般而言,环氧煤焦沥青涂料主要由树脂和固化剂两大组分配制而成。
  1.2.1树脂组分
  树脂组分包括煤焦沥青、环氧树脂和溶剂等。
  (1)煤焦沥青
  煤焦沥青中含有92%左右的碳,4.5%的氢,C/H原子比为1.7左右,故耐水性较好。又由于煤焦沥青中大部分为芳香族化合物,故其与双酚A型环氧树脂混溶性好。
  (2)环氧树脂
  配制环氧煤焦沥青这类防腐蚀涂料一般选用低相对分子质量的双酚A型环氧树脂,如E20、E51、E44、E42。
  环氧树脂分子结构中具有环氧端基、羟基及醚键等极性基团,这些基团的存在使环氧树脂分子与相邻界面产生电磁吸附或化学键[5],有助于提高环氧煤焦沥青涂料在基体表面的附着程度。配制过程中所选环氧树脂的相对分子质量大小取决于所采用的固化体系,涂料施工性和涂膜性能等。
  (3)溶剂
  溶剂对环氧煤焦沥青涂料的溶解性十分重要。不仅用来溶解树脂、降低黏度及改善加工性能,而且还对涂料的粘结性、防腐性等有影响。采用混合溶剂如甲苯、二甲苯、重质苯、丁醇、丙二醇、乙醚等,它们对环氧树脂和煤焦油都有很好的溶解性且不会发生析出现象。
  1.2.2固化剂组分
  环氧煤焦沥青涂料的固化剂有脂肪胺类(如己二胺,二亚乙基三胺等)和低分子聚酰胺树脂。固化剂的选取取决于所配制的环氧煤焦沥青涂料的性能,有时为了获得特定的性能还需对固化剂进行改性等工作。
  1.3环氧煤焦沥青涂料的性能
  针对不同的对象,环氧树脂煤焦沥青涂料的配方也有所差别,因而涂料的性能也各有所异。如为突出用于钢铁表面的环氧煤焦沥青涂料漆膜的附着力,优异的耐水、耐化学品性能,可采用己二胺固化。常西亮等[6]采用环氧树脂E20改性煤焦沥青,并以650#聚酰胺树脂作固化剂制得沥青环氧树脂重防腐涂料,实现了涂料的附着力强、软化点要高于80℃、干燥时间短(<2d)、耐盐和耐酸碱性高及硬度大等性能。
  尽管环氧煤焦沥青涂料防腐蚀性能优异,但在实际应用过程中还需根据具体的应用情况对环氧煤焦沥青涂料进行改性,以取得良好的应用效果。
  1.4环氧煤焦沥青涂料的应用
  1.4.1水利行业
  随着过河管道、江心取水头部与岸边连接井管道、污水深水排放管道、长距离江底或海底输水管线的修建,水下管道防腐涂料应运而生。而环氧煤焦沥青涂料耐水性突出,适宜涂刷水下管道工程。唐志坚[7]等提到一种环氧煤焦沥青(厚浆型)防腐涂料,这种涂料以厚膜、长效和适用于严酷腐蚀环境条件为主要特征,具有良好而稳定的防腐性能,尤其是耐海水、江水的腐蚀,在水下钢质管道防腐工程中也得到了广泛应用。实践证明将厚浆型环氧煤焦沥青涂料应用在水下管道工程,只要施工方法得当,并对施工质量严格进行检查,就能保证管道防腐的设计要求,延长管道的使用年限。
  1.4.2石油化工业
  国内石油与天然气工业的输送管道、埋地金属罐绝大部分采用石油沥青外壁防腐。而石油沥青外防腐管道不宜铺设在水下或沼泽及芦苇地带。近年来,国内许多大型油漆厂以及石油天然气行业都致力于环氧煤焦沥青涂料的研究、生产与应用。谌贵宇[8]等根据四川自贡及其附近地区土壤潮湿、地下水位较高、氯离子和硫酸根离子浓度高、微生物多、植被丰富、根茎多等特点,选用聚氨酯改性环氧煤焦沥青涂料作为埋地金属储罐外壁防腐,具有附着力好,耐水、耐化学介质、耐微生物腐蚀能力强,施工方便等优点,是理想的涂层品种,且涂料无毒,施工时对环境无污染。
  1.4.3造船业
  环氧煤焦沥青涂料由于具有很好的防水性,可以在严重的腐蚀环境下保护金属基体免遭腐蚀。因此,环氧煤焦沥青作为一种常用的涂料成膜物而广泛应用于船舶的重防腐。但在环氧煤焦沥青与胺类或聚酰胺类固化剂发生固化反应时所形成的大分子之间可能形成微孔与微裂纹,使环氧煤焦沥青涂层的防护性能受到损害。因此,通过在涂料中添加玻璃、石墨纤维或者TiO2、SiO2颗粒在金属基体表面形成复合涂层,以改善环氧煤焦沥青涂层的结构、光学以及导电性。张秀芝[9]采用10%纳米钛粉改性环氧煤焦沥青涂层并研究其在流动人工海水中的性能,结果证明在4种不同流速的实验中,涂层电阻在所测试期间都保持具有较好的防护性能。
  1.4.4运输业
  我国铁路货车用的醇酸厚浆漆涂装体系在耐磨、防腐性能方面存在严重不足,很难适应铁路货车防腐要求。某些运煤车在运行几个月后便出现漆膜大面积脱落,车体严重腐蚀,被迫停运检修,这对铁路货运的发展形成了严重的制约。彭时贵[10]等根据铁路货车的特点和要求,采用综合性能较好的环氧树脂与改性酚醛胺固化剂作为主要成膜物质,用经硅烷偶联剂表面处理的玻璃鳞片作为主要填料,辅以多种性能优异的助剂制得环氧沥青玻璃鳞片涂料。涂料综合性能完全可以与进口同类产品相媲美,而价格仅为进口同类产品的60%~70%。在铁路货车上使用效果良好,因此该涂料完全可以替代进口,作为醇酸厚浆漆的更新换代产品,以满足飞速发展的铁路货运的需要。
  2研究进展
  近年来世界各个国家对VOC(挥发性有机化合物)排放限制要求越来越高,且许多国家都制定了相关的法规来约束、引导涂料工业朝有利于世界环境的方向发展。而目前的环氧煤焦沥青涂料产品的溶剂含量在20%以上,有的甚至高达50%[11],施工中有大量溶剂挥发,污染了环境,影响操作人员身体健康。作为涂料工业中占着极为重要地位的防腐类涂料正朝低VOC的无溶剂、高固体分及水性涂料体系转变。
  无溶剂环氧煤焦沥青涂料是在溶剂型环氧煤焦沥青涂料的基础上出现的新品种。刘小平等[1]采用以E51为主的混合环氧树脂和自主研制的一种新型环氧树脂固化剂改性蒽油与煤焦沥青的混合物,制得无溶剂环氧煤焦沥青涂料。该涂料不含溶剂,除具有溶剂型环氧煤焦沥青涂料的优良电绝缘性、抗微生物侵蚀性及耐化学品性外,其附着力、低吸水率、抗阴极剥离等性能也大大提高。
  彭志强[11]将精细水洗石英粉添加入环氧煤焦沥青涂料中,制备出高固体分环氧煤焦沥青砂浆涂料。这种高固体分涂料不但符合环保需求,同时由于涂料的固体含量高(>96%)和单位涂布率高而相对可减少涂料使用量,一道施工即可获得所需膜厚,减少施工道次及涂刷费用,节省重涂间隔时间,特别适宜空气不流通的场合。由于其性能优于普通溶剂型环氧煤焦沥青涂料,可应用于码头、埋地管道、海洋设施、贮罐、舱室等。
  刘宗晨[12]将煤焦沥青和环氧树脂预乳化后,再用水性聚酰胺固化剂乳化,制得水性环氧煤焦沥青涂料。这种水性涂料使用时安全方便,有利于环境保护和使用者的健康;其性能同溶剂型环氧煤焦沥青涂料相当,适合于工业涂装,特别是地下室、水下等相对潮湿、封闭的环境。
  可是其色较深、不能制成浅色涂料,对面涂渗色严重,仍需考虑助剂的毒性等。
  3前景展望
  环氧煤焦沥青涂料的研究起步虽早,但在推广应用方面进展较为缓慢。涂料的整体性能还需改善,应用领域也有待拓展。美国洛斯阿拉莫斯国家实验所JohnnyRH[13]等在一个受氚污染实验室的退役过程中将沥青涂料应用于封闭氚污染不锈钢,能有效地防止氚扩散,取得良好的封闭效果。而国际原子能机构一份含氚及14C的废物管理报告[14]中提到采用环氧材料与其他材料结合的涂层或用煤焦油涂料作涂层时,能降低混凝土中放射性核素氚的释放率。据此作者认为研究一种新配方的低VOC环氧煤焦沥青涂料应用于辐射防护是值得探索的一个领域。

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