“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程用氟碳涂料.doc

1、引言 我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展帶動了涂料工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。近幾年，氟樹脂涂料技術(shù)逐漸成熟，市場需求日益增多。氟樹脂涂料以其優(yōu)異的耐候性、耐腐蝕性及抗污染性等一系列優(yōu)點，已被越來越多地應(yīng)用于建瓶、機(jī)械、設(shè)備、體育設(shè)施、大型鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。2005年9月22日，備受關(guān)注的北京2008年奧運(yùn)會主體育場國家體育場(簡稱“鳥巢”)鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料招標(biāo)終于塵埃落地，大連振邦公司 的氟碳配套防腐涂料以絕對優(yōu)勢一舉中標(biāo)。 實際上振邦在2004年就瞄準(zhǔn)了“奧運(yùn)”這個涂料大市場，積極著手做一些前期技術(shù)準(zhǔn)備，例如：新氟樹脂的開發(fā)，國內(nèi)外主要廠商氟樹脂的對比試驗，研制、開發(fā)耐腐蝕性更好的無機(jī)富鋅底漆，選擇高性能、耐黃變的異氰酸酯交聯(lián)劑等工作。本文著重就氟碳金屬漆和罩面氟碳清漆的研制進(jìn)行小結(jié)和討論。 2、氟碳金屬漆和罩面氟碳清漆的研制 2.1 “鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)防腐對配套涂料主要性能的要求 “鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料招標(biāo)文件中對配套涂料的王要性能要求如下： (1)防護(hù)年限：25a，長效防腐，抗紫外線、雨水、冰雹、風(fēng)沙； (2)抗紅外線輻射：顏色為金屬銀灰色，對紅外線反射能力強(qiáng)，太陽輻射吸收系數(shù)不大于0.45； (3)抗紫外線輻射：紫外線人工加速老化試驗6000h，保光率大于90%，、變色E1.0； (4)耐大氣老化性：防靜電、不吸塵，抗沾污性強(qiáng)，耐磨性不大于60mg/1000r； (5)耐腐蝕：耐鹽霧試驗5000h，無明顯變化； (6)耐干、濕、溫變腐蝕：NORSOK M-501(挪威標(biāo)準(zhǔn))4200h，劃痕腐蝕不大于1mm。 以上6項指標(biāo)要求除了最后2項需要由富鋅底漆和環(huán)氧云鐵中涂漆來保障以外，其余4項指標(biāo)都要靠高性能的氟碳面漆來滿足“鳥巢”工程的要求。 2.2 技術(shù)路線的確定 為保證“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)涂層具有25a的長效使用壽命，選擇性能優(yōu)異的防腐涂料、合理的涂料配套體系、嚴(yán)格的涂裝施工是確保鋼結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵因素。對于氟碳面漆而言，選擇合適的成膜物質(zhì)及確定恰當(dāng)?shù)?NCO/-OH物質(zhì)的量的比在配方設(shè)計中尤其重要。2.2.1 氟樹脂的篩選 目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的各種牌號的FEVE氟樹脂品種很多，從幾個主要廠商的代表性樹脂品種中進(jìn)行篩選，通過QUV人工加速老化試驗，篩選適用于氟碳金屬漆和氟碳罩光清漆的氟樹脂。6種國內(nèi)外FEVE氟樹脂的基本特征見表1。用6種FEVE氟樹脂分別配制成鋁粉金屬漆和罩光清漆進(jìn)行QUV人工老化試驗。試驗結(jié)果見圖1(略)和圖2(略)。 根據(jù)QUV 5500h的老化試驗，各種樹脂間已有明顯差距。旭硝子樹脂保光、保色性最好。大連振邦的醚型氟樹脂接近旭硝子產(chǎn)品。3個國產(chǎn)酯型氟樹脂的保光、保色性較差。根據(jù)QUV老化試驗結(jié)果選用大連振邦的醚型氟樹脂作為奧運(yùn)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)用氟碳漆的主體成膜物。 2.2.2 多異氰酸交聯(lián)劑的篩選 在常規(guī)氟碳漆中，用HDI縮二脲(N75)作為交聯(lián)劑。對于“鳥巢”這樣的重大工程項目，要選擇更好的交聯(lián)劑。拜耳公司推薦耐候性和機(jī)械強(qiáng)度比N75更好的Desmodur N3390 BA和Desmodur N3375 BA/SN。兩者都是HDI三聚體異氰脲酸酯，只是固體含量不同，考慮到施工和配料方便，N3375更合適。通過用N75和N3375按相同-NCO/-OH物質(zhì)的量的比配漆，做性能檢測和QUV老化試驗。2種交聯(lián)劑的規(guī)格特征見表2；2種交聯(lián)劑的漆膜性能比較見表3；2種交聯(lián)劑的漆膜QUV老化試驗對比結(jié)果見圖3(略)和圖4(略)。從表2可以看出，拜耳公司的N3375 BA/SN(HDI三聚體)具有明顯的低黏度特點，有利于提高施工固體含量和改善豐滿度。從表3中可以看出N3375BA/SN比N 75的漆膜硬度、耐酸性、耐堿性、耐鹽霧性指標(biāo)更好。從圖3和圖4中可以看出，N3375BA/SN比N75在抗紫外線老化性、保光性、保色性方面更突出一些。最后確定采用N3375BA/SN HDI三聚體作為“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)氟碳面漆用交聯(lián)劑。 2.2.3 -NCO/-OH物質(zhì)的量比的確定 確定恰當(dāng)?shù)?NCO/-OH物質(zhì)的量比也是保障氟碳漆綜合性能的重要因素之一。理論上-NCO/-OH物質(zhì)的量比應(yīng)該為1/1，使活性基團(tuán)完全反應(yīng)。而實際上是不可能的，羥基是親水性基團(tuán)，應(yīng)盡量使羥基反應(yīng)完全，因此，-NCO含量應(yīng)稍過量一些；另外，涂膜在干燥過程中，與空氣接觸，空氣中的水分也會與-NCO發(fā)生反應(yīng)，消耗一些-NCO。從這兩方面考慮，應(yīng)適當(dāng)增大一點-NCO/OH的物質(zhì)的量比。根據(jù)以往經(jīng)驗，一NCO/-OH物質(zhì)的量比為1.05-1.10較好，如-NCO過量太多，多余的-NCO與潮氣反應(yīng)，生成較多的CO2，導(dǎo)致漆膜氣泡增多，影響涂層的防腐蝕性。對不同-NCO/-OH物質(zhì)的量比的漆膜進(jìn)行了硬度及耐10% NaOH溶液的性能對比，結(jié)果見圖5(略)、圖6(略)。 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及以往經(jīng)驗，同時考慮到經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)行了多組試驗篩選對比，從而找出最佳的-NCO/-OH物質(zhì)的量比。最后確定-NCO/-OH物質(zhì)的量比為1.08時最經(jīng)濟(jì)，而且各方面性能較為理想。 2.3 制漆配方篩選試驗 根據(jù)氟樹脂QUV老化試驗及交聯(lián)劑的對比篩選試驗，優(yōu)選出振邦的醚型FEVE氟樹脂作為氟碳金屬漆及氟碳罩光清漆用樹脂，拜耳公司的N3375BA/SN HDI三聚體作為交聯(lián)劑，分別對制漆配方進(jìn)行研究試驗。通過選擇不同粒徑的非浮型強(qiáng)閃效應(yīng)鋁顏料漿、定向助劑、特效溶劑以及不同的啞粉對金屬漆閃光效果和罩光清漆光澤的影響等一系列排列組合對比試驗，最終選擇出最合理的氟碳金屬漆和氟碳罩光清漆配方，詳見表4和表5。3、 氟碳涂料配套體系的特點及性能檢測 大連振邦針對“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)防腐工程性能的要求，并根據(jù)ISO12944中對腐蝕環(huán)境的分類和耐久性25a的要求，制訂出科學(xué)合理的氟碳金屬漆配套體系，見表6。4、 結(jié)果與討論 通過以上氟樹脂、HDI多異氰酸酯、-NCO/-OH物質(zhì)的量比及制漆配方的篩選對比試驗及性能檢測，新研制成功的氟碳金屬漆和罩面氟碳清漆性能完全達(dá)到了“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計要求。在研制過程中，對不同類型的氟樹脂以及HDI多異氰酸酯對氟碳涂料性能的影響有了更深刻地認(rèn)識，歸納、總結(jié)如下。 4.1 FEVE氟樹脂性能差異的探討 目前國產(chǎn)FEVE氟樹脂大都是以CTFE(三氟氯乙烯)與乙烯基酯為主的多元共聚物；而進(jìn)口旭硝子的FEVE氟樹脂是CTFE與乙烯基醚為主的四元共聚物；大金的FEVE氟樹脂是TFE(四氟乙烯)與乙烯基醚為主的多元共聚物。FEVE氟樹脂是一個共聚樹脂，只有交替共聚性很好的乙烯基單體才能夠與氟單體形成分布均勻的交替共聚物，共聚物交替性好，氟單體才能保護(hù)非氟單體，使整體耐候性提高。由于乙烯基醚與乙烯基酯對氟單體的競聚率不同，前者比后者更容易形成交替共聚物，這從QUV老化試驗結(jié)果已得到證實。進(jìn)口樹脂雖好，但價格高，難以推廣。振邦新開發(fā)的醚型FEVE氟樹脂與旭硝子Lumiflon LF-200型氟樹脂性能相近，而成本只是它的一半，在重大鋼結(jié)構(gòu)防腐工程上應(yīng)用，完全能夠接受。 4.2 關(guān)于HDI多異氰酸酯的比較 4.2.1 分子結(jié)構(gòu)對涂料性能的影響 HDI縮二脲(N75)是應(yīng)用最為廣泛的脂肪族多異氰酸酯交聯(lián)劑，它的分子結(jié)構(gòu)與HDI三聚體(N3375)相比(見圖7略)可以看出，由于HDI三聚體分子結(jié)構(gòu)中N原子上沒有H，所以分子間不會產(chǎn)生氫鍵。而HDI縮二脲分子結(jié)構(gòu)中N原子上有1個H原子，較容易在分子間形成氫鍵，互相吸引使黏度增高。另外，HDI三聚體的-NCO摩爾質(zhì)量(216)比HDI縮二脲的-NCO摩爾質(zhì)量(255)低，也就是相對分子質(zhì)量小，因此，HDI三聚體較HDI縮二脲黏度低很多，使涂料施工固體含量較高，一次成膜性好，光澤、豐滿度更好。而且降低了涂料中的VOC含量，有利于環(huán)境保護(hù)。 4.2.2 HDI三聚體與HDI縮二脲漆膜硬度的比較 從圖7可以看出，N3375呈菱形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，剛性好；而N75是枝鏈形結(jié)構(gòu)，柔韌較好。對二者進(jìn)行漆膜機(jī)械性能檢測，結(jié)果見表8。 從表8可以看出，采用N3375 BA/SN交聯(lián)劑固化后的漆膜機(jī)械性能整體優(yōu)于N75，主要體現(xiàn)在漆膜硬度及干性指標(biāo)，這主要是HDI三聚體分子結(jié)構(gòu)中的異氰酸酯環(huán)呈現(xiàn)出相對剛性決定的。而且，漆膜硬度的增大可進(jìn)一步提高漆膜的抗擦傷性和耐沾污性。采用N3375 BA/SN交聯(lián)劑固化后的漆膜的附著力、柔韌性、抗沖擊性都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。 4.2.3 HDI三聚體與HDI縮二脲耐腐蝕性的比較 固化后涂膜的氨酯鍵在堿性或酸性催化作用下會逐步水解，其酸催化的水解穩(wěn)定性優(yōu)于堿催化的水解穩(wěn)定性。以堿性介質(zhì)水解為例，HDI三聚體和HDI縮三脲漆膜的氨酯鍵的水解反應(yīng)歷程見圖8(略)。 從圖8可以看出，HDI三聚體分子結(jié)構(gòu)中，a處為仲胺，在堿的催化作用下，可以發(fā)生水解反應(yīng)。而b處為叔胺，由于空間位阻效應(yīng)，使b處的N原子(或稱為酰胺基)難以發(fā)生水解反應(yīng)。與a處N原子連接的烷基作為供電子基團(tuán)，但由于b處酰胺基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，使得電子云整體向酰胺基方向偏移，a處N原子的電子云密度減少，所以a處N原子發(fā)生水解反應(yīng)的速率會減慢。與之相反，HDI縮二脲分子結(jié)構(gòu)中a和b位置的N均為仲胺，雖然b處也為酰胺基，但吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)明顯降低，加上b處空間位阻較小，所以a處和b處均可發(fā)生水解反應(yīng)，a處較b處相對容易些?？傊?，從圖8可以清晰看出，HDI三聚體發(fā)生水解反應(yīng)較HDI縮二脲慢些，且生成的相對分子質(zhì)量小的產(chǎn)物較少。因此，HDI三聚體漆膜的耐堿性優(yōu)于HDI縮二脲。 4.2.4 HDI三聚體與HDI縮二脲漆膜耐光老化性的比較 已固化漆膜中的氨酯鍵經(jīng)過光老化會發(fā)生下列反應(yīng)(略)。 氨酯鍵受紫外線照射后會分解生成胺及其他小分子產(chǎn)物，致使高分子斷鏈，導(dǎo)致漆膜失光、粉化。分解物越多，則漆膜受紫外線照射后的保光性及保色性越差。HDI三聚體和HDI縮二脲漆膜光老化后發(fā)生分解的位置，見圖9(略)。 從圖9可以看出，在N3375BA/SN中，a處為叔胺，N原子上沒有H，并且被三聚的異氰酸酯環(huán)所穩(wěn)定，