给水涂塑钢管内防腐涂层综合性能分析

2017/03/29

给水涂塑钢管内防腐涂层综合性能分析:

2.1管道内防腐涂层种类

a)单层聚乙烯涂层

b)环氧粉末涂层

管道内涂敷层主要有两个功能：

·防腐，提高输水管线的使用寿命；

·减阻，提高输水管线的输水能力。

2.1.1 环氧树脂的分子结构与性能

双酚A型环氧树脂的各结构单元赋予树脂不同的功能，见图2

1)环氧基和羟基赋予树脂反应性，使树脂固化物具有很强的内聚力和粘接力；

2)醚键和羟基是极性基团，有助于提高浸润性和粘附力；

3)醚键和C-C链使大分子具有柔顺性；

4)苯环赋予聚合物以耐热性和刚性；

5)异丙基也赋与环氧大分子具有一定的刚性；

6)-C-O-键的键能高，从而提高了树脂的耐碱性。

图2 双酚A环氧树脂各结构单元赋于树脂的性能

· 环氧树脂卓越的附着力

环氧树脂经与固化剂反应，充分交联之后才发挥其优良性质，最突出的是其与接触物的附着力。这是由于其分子中含有极性的羟基、醚键等，即使对湿面也能有一定的附着。其附着机理与图2的搭扣机理有关。由于羟基和醚基的极性使环氧树脂分子和相邻表面之间产生引力，而且环氧基和含活泼氢的金属表面形成化学键，因此大大提高了其对金属表面的附着力及耐化学防腐性能。

固化时体积收缩率仅有2%左右，而且环氧分子中的醚键使分子链便于旋转，可消除内应力，所以附着力高。

图2 环氧树脂附着力搭扣原理

·环氧树脂的化学性

环氧树脂中含有亲水的羟基及醚键，但该树脂中的双酚A链段（二个苯环和一个异丙基，共15个碳原子的烃基）则有疏水性，两个苯环的刚性屏蔽了羟基和醚键，保持了整体涂层的耐水性。固化后的环氧树脂的玻璃化温度较高，有利于其耐水性。环氧树脂分子中没有酯键，耐碱性优良。在腐蚀微电池的阴极部位呈碱性。一般优良的防腐蚀涂层必须有耐碱性和附着力，所以环氧树脂是优良的防蚀涂料的基料。

·环氧树脂的老化性能

环氧树脂中含有醚键，涂层经日光紫外线照射后易降解断链，其链式反应可见图3

图3. 环氧树脂的老化断链反应

所以环氧涂层不耐户外日晒，涂层易失去光泽，然后粉化，不宜作户外用面漆。环氧涂层老化破坏主要表现为逐渐粉化而涂层减薄。

2.1.2 聚乙烯的分子结构与性能

聚乙烯粉末涂料是目前钢管涂塑的主要原料，且以线性低密度为主。线性低密度是乙烯和—烯烃的共聚物，其分子结构和密度有较大变化，它的结构、结晶度和密度介于高密度聚乙烯和低密度聚乙烯之间，虽然也是线性结构，但分子排列整齐，支链短小且有规则，导致分子间排列不紧密，破坏了分子链段的近程有序性，降低了聚乙烯分子的结晶倾向，因此抗冲击性能好，结构通式为

R为：CH3（甲基）；C2H5（乙基）；C4H9（异丁基）

由结构可看出聚乙烯是以—CH2—为主体的链状高分子聚合物，R侧链或支链的存在会降低聚乙烯的结晶度。

聚乙烯的分子结构使其具有优异的耐环境应力裂化性能及耐腐蚀性能。

2.2两种内防腐涂层综合比较

1) EP附着力更强。涂层与钢管内表面的附着力与涂塑钢管的使用寿命有密切关系，而涂层的附着力主要取决于所用防腐涂层材料的自身性能。环氧（EP）涂层附着力强，远大于聚乙烯涂层的附着力。环氧树脂结构中含有不易水解的脂肪基（－C－）和醚键（－C-O-C-），能够产生电磁引力。另外，在固化过程中活泼的环氧基和钢材表面上的游离氢键起反应而形成牢固的化学键，从而赋予环氧固化物对钢管基材以极好的附着力以及抗阴极剥离能力。

2）EP具有更优异的防腐蚀性能

环氧树脂固化涂层，含有稳定的苯环、醚键等，结构致密，耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐水。漆膜对金属附着力好，结构气孔小，使各种腐蚀介质难以渗透到金属表面，所以耐腐蚀性极好。

3）EP固化收缩率低

环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，通过加成反应方式进行固化，固化过程中没有水和其它挥发性副产物放出。另外，环氧树脂本身具有仲羟基，再加上环氧基固化时派生的部分残留羟基，它们的氢键缔合作用使分子排列紧密，因此环氧树脂的固化收缩率是热固性树脂中最低的品种之一，一般为1～2％。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度；

4）PE塑料的热容较大（熔融时吸收热量大，冷却时放出的热量也多），因此当内层防腐使用PE涂塑时，随着塑膜厚度增大，在冷却时体积收缩也大，内应力就随之增大。防腐要求越高，所需涂膜厚度越大，这就使厚塑膜的耐环境应力开裂随膜厚增加而变差。

5）环氧粉末与单层聚乙烯内涂层相比，成本较低，使用寿命长，现场连接补口工艺成熟、操作方便；

6）EP涂层具有很高的玻璃化温度，应用温度范围宽，能在–30～100℃之间保持最佳性能；环氧粉末（EP）涂层使用用温度高于涂聚乙烯PE产品，消防管道更加适用。

熔结环氧粉末涂料（FBE）国外最早开发于上世纪50年代，在60年代实现了工业化生产。由于FBE具有优良的机械性能、抗腐蚀性能和耐久性能，所以被广泛应用于陆上、水下、海底等管线的防腐涂装，为处于各种环境中的管线长期低维护运行提供了可靠的保证。40多年来，经过不断的发展完善，这项技术已经走向成熟。迄今为止，全球已有20余万公里以上的管道使用了熔结环氧粉末，铺设于世界各地—从陆地到海洋，从城市到乡村，从赤道到极地，从平原到山地、河流、湖泊，从西伯利亚草原到非洲沙漠，从美洲大陆到中东海湾，都有熔结环氧粉末的应用实例。

熔结环氧粉末涂层能够在各种极端的气候条件和苛刻的机械应力作用、化学介质侵蚀的环境中得到广泛应用，足以证明熔结环氧粉末涂层是一种可靠的保护涂层，经得起实践和时间的考验。

据美国《管道文摘》统计，熔结环氧粉末防腐层以其优良的机械性能和防腐性能、极强的附着力和与阴极保护相融性等特点，一直是世界管道工程的首选防腐层。