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海洋腐蝕環境下純聚脲重防腐涂層耐久性研究,通過FTIR、DSC 等方法,研究了在海洋大氣環境戶外自然曝曬老化和紫外線人工加速老化條件下
2019年10月31日    閱讀量:518    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿


0 引言

海洋腐蝕環境下的金屬腐蝕速度是一般大氣中的8~10 倍,海洋產業腐蝕損失約占我國全部腐蝕損失的1/3,而如果采取有效的防護措施,則可以挽回其中25%~40% 的腐蝕損失。


海洋的開發利用在我國國民經濟中所占的比重越來越高,碼頭鋼樁、跨海大橋、鉆井平臺、海底輸油管道等,都必須采取有效的防腐措施,以保證工程質量和結構耐久性要求。而涂裝重防腐涂料是最有效、最經濟、應用最普遍的方法之一涂料在線coatingol.com


常用的重防腐涂料在實際應用中取得了較好的效果,但仍存在防腐性能欠佳、污染環境、封閉性不足、施工復雜、耐久性差等諸多弊病。新型重防腐涂料產品正朝綠色環保、高固體分、無溶劑、厚膜、超長壽命和施工簡便的方向發展。


純聚脲是一種新型無溶劑、無污染的綠色環保、超長耐久的防護材料。涂層力學性能及耐老化、耐腐蝕、防滲漏、抗沖擊、抗疲勞破壞等理化性能優異,一次涂裝厚度可達2 mm 以上,施工簡便、高效,代表了國際最新重防腐技術的發展潮流。


目前,對于許多重大工程,其防腐蝕設計壽命要求已提高至50~100 a,因此涂層的有效服役壽命對其防腐效果、構件服役壽命和工程質量至關重要。本文對純聚脲重防腐涂層(Qtech-412)在海洋大氣腐蝕環境下的耐久性進行了研究,為工程應用提供基礎數據支持。

 

1 實驗部分

1.1 原料及設備

原料:青島理工大學功能材料研究所研制的Qtech-412 純聚脲材料,A 組分為—NCO 組分的半預聚體,B 組分由端氨基聚醚、胺類擴鏈劑和助劑組成。

設備:GUSMER 公司的H20/35 主機,GX-7-400噴槍,MZ-4000D 型微機控制電子萬能材料試驗機,XGP 鏡向光澤度儀,美國Atlas UC-1 人工紫外老化箱,Nicolet iS10 型傅立葉變換紅外光譜儀,Q200 型DSC 差示掃描量熱儀。

1.2 試樣制備及試驗

采用專業噴涂設備,在模板上噴涂厚約2.0 mm的Qtech-412 涂層。另外,在若干鋼板上分別涂裝3 種防腐涂層:普通防腐涂料、環氧重防腐涂料和Qtech-412。對Qtech-412 涂層試樣:按照ASTM G7—2005《非金屬材料大氣環境暴露測試規程》進行戶外自然曝曬老化試驗;按照GB/T 1865—1997《色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射暴露(濾過的氙弧輻射)》進行紫外線人工加速老化試驗。對涂裝了不同防腐涂料的鋼板試樣:參照GB/T1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》對涂層進行劃叉處理,并將試樣固定在人造海水池中的曝曬架上進行耐腐蝕試驗。

1.3 性能測試

測試Qtech-412 涂層試樣老化前后拉伸強度、斷裂伸長率和光澤度的變化;對戶外自然曝曬試樣進行FTIR 測試;對紫外線人工加速老化試樣進行DSC測試;對比觀察不同防腐涂層的實際防腐效果。

 

2 結果與分析

2.1 戶外自然曝曬老化

2.1.1 力學性能及光澤度

Qtech-412 涂層試樣戶外自然曝曬老化試驗前后光澤度和力學性能的變化如表1 所示。

自然曝曬老化前后試樣性能變化

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由表1 可見:試樣經自然曝曬老化600 d 后,其拉伸強度和斷裂伸長率變化都很小;而表面光澤度嚴重降低,下降了94.53%,幾乎完全失光,且在前期下降較快。因此可以初步斷定:經自然曝曬老化600 d后,涂層表面的分子鍵發生斷裂,進而導致試樣發生化學降解,出現老化現象。而試樣的力學性能基本沒有降低,說明其內部結構并未受到光老化因素的破壞,試樣表面的失光現象并未對涂層的耐腐蝕性能和服役壽命造成影響,但試樣保光保色性較差。

2.1.2 紅外光譜分析

試樣自然曝曬老化前后的FTIR 圖譜如圖1 所示。試樣老化600 d 后,用砂紙對其表面進行打磨,去除表層厚約3~5 μm 的失光部分,之后再進行紅外光譜測試,結果如圖2 所示。

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自然曝曬老化前后試樣的FTIR 圖譜

圖1、2 中3 360 cm-1 處是N—H 的伸縮振動峰,在2 965.55~2 870.16 cm-1 附近是C—H 的伸縮振動峰,1 600~1 700 cm-1 處是C=O 的特征峰,1 530 cm-1 處為C—N 和N—R 的伸縮振動峰,這一系列特征峰的出現表明試樣中有脲鍵—NHCONH—的存在。圖1 中自然曝曬老化前與老化150 d、360 d 和600 d 后的圖譜相比,N—R 鍵峰值在自然老化過程中減弱得較為明顯;


2 965.55~2 870.16 cm-1 附近的C—H 鍵的伸縮振動峰明顯減弱,老化至600 d 時的峰值幾乎難以分辨;1 600~1 700 cm-1 處C=O 鍵的特征峰在自然老化過程中有明顯的減弱和變寬現象;1 530 cm-1 附近的C—N鍵的伸縮振動峰在老化過程中明顯減弱,表明C—N鍵發生了斷裂;


1 100~1 016 cm-1 附近C—O—C 鍵的特征峰隨著老化的進行也有較為顯著的減弱。試驗結果表明:涂層在自然曝曬老化過程中有化學鍵的斷裂現象。圖2 中將老化600 d 后的試樣表面輕微打磨以去除失光部分并和老化前的FTIR 圖譜進行對比,由圖2 可見,二者保持一致,沒有任何鍵斷裂或者是氧化、還原等化學反應的發生。

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老化前和老化600 d 并打磨表面后試樣的FTIR 圖譜



結合表1、圖1 及圖2 的試驗結果可知,涂層光澤度嚴重下降是由于其表面(厚約3~5 μm)發生了降解變化,部分化學鍵斷裂;而涂層力學性能保持穩定是因其內部分子鍵沒有斷裂,結構沒有明顯變化,還未發生老化現象。


2.2 紫外線人工加速老化

2.2.1 力學性能及光澤度

太陽光中的短波紫外光通常是引起聚合物破壞的主要原因,而海洋大氣環境下紫外線輻射較為強烈。分別測試紫外光人工加速老化前后試樣光澤度和力學性能的變化,所得結果如表2 所示。

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紫外線人工加速老化前后試樣性能變化

由表2 可見:涂層試樣在15 000 h 的紫外線人工加速老化過程中,拉伸強度和斷裂伸長率均未出現大的波動,老化前后其力學性能相差無幾,但試樣光澤度顯著下降。人工加速老化2 000 h 之內的光澤度下降較為明顯且幅度較大,超過2 000 h 后,試樣光澤度下降趨緩,且在老化時間達到5 000 h 時,失光率高達94.19%,人工加速老化時間達到10 000 h 時,已無法測定試樣的光澤度。


由于紫外老化箱中高溫高濕環境及紫外光源的照射強度較大,足以打斷聚合物體系中的許多單鍵。因此人工加速老化過程中,紫外光的照射打斷了純聚脲表面的化學鍵結構,而導致表面光澤度下降,并使得試樣老化15 000 h 后表面有機紅染料褪色、變黑。


但用水磨細砂紙輕微打磨試樣表面后,發現試樣內部顏色變化不大,試樣在打磨后很快出現鮮紅色。結合試樣經過15 000 h 人工加速老化后力學性能基本不變的情況可初步判斷:紫外線的照射僅使試樣表面發生變化,內部結構和大分子鏈段并未被破壞。


2.2.2 差示掃描量熱分析為進一步驗證上述結論,對經過不同時間段紫外線人工加速老化的Qtech-412 涂層試樣進行DSC分析,結果如圖3 所示。

人工加速老化前后試樣的DSC曲線

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由圖3 可見:試樣在人工加速老化前(a)與老化2 000 h(b)、5 000 h(c)、10 000 h(d)、15 000 h(e)后的DSC 曲線均未出現明顯的吸熱或放熱峰,因此試樣在15 000 h 的紫外線人工加速老化前后均未有明顯的相轉變、還原、氧化、聚合和結晶等現象,其內部結構沒有明顯的變化。


2.3 實際防腐效果對比

人工模擬海洋環境下,不同防腐涂層劃叉處鋼板的腐蝕程度見圖4。如圖4(a)所示,Qtech-412 涂層的右邊正常劃叉,但純聚脲涂層的高彈性隨即使叉痕愈合,無法使鋼板底材暴露,因此在左邊刻意剔除部分涂層,形成寬2~3 mm 的凹槽,以便暴露鋼板底材。每4 h 往試樣上噴灑海水,加速鋼板的腐蝕及涂層的老化速度。6 個月后,各試樣的腐蝕情況如圖4 所示。

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人工模擬海洋環境下不同防腐涂層劃叉處鋼板腐蝕程度

由圖4 可見:經過6 個月的腐蝕試驗后,涂裝了普通防腐涂料的鋼板腐蝕最嚴重,最先在劃叉處開始起泡并剝落,之后迅速擴展至整塊鋼板,產生大面積銹蝕和剝落,涂層已基本失效。涂裝了環氧重防腐涂料的試板,在劃叉部位出現了明顯的腐蝕現象,產生黃色銹斑,但僅在劃叉處有輕微的鼓起,且涂層并不脫落,防護效果較好。而Qtech-412 涂層試樣,在右邊正常劃叉部位沒有明顯銹跡,這是由于涂層的高強彈性使細微縫隙迅速愈合,有效阻止了外界腐蝕介質的侵入;左邊2~3 mm 的凹槽處的鋼板底材完全暴露在腐蝕環境下,出現了明顯的銹蝕現象,但未見涂層產生翹邊、銹蝕、鼓包和剝落現象,涂層外觀堅實,與鋼板結合緊密,附著力很好。


綜合上述試驗結果:Qtech-412 涂層防腐效果最好,涂層與基材結合力牢固;對外力產生的細小縫隙具有自愈合效果,短期內無腐蝕現象發生;外力產生的較大尺寸的損傷具有不擴展性,無鼓包、開裂及脫落現象。

 

3 工程應用

基于以上研究結果可知:Qtech-412 涂層具有優異的耐候性和耐腐蝕性,在海洋大氣腐蝕環境下能長久、有效地保護鋼和混凝土等基材。2011 年7月,青島海灣大橋滄口航道橋主橋墩的承臺,采用了Qtech-412 做防護涂層。


承臺周圍既有鋼筋混凝土也有鋼制結構,常年處于海洋氣候腐蝕環境中,并且在漲潮時海水容易從排水口倒灌進入承臺,海鳥的排泄物以及周邊漁民海上作業等因素,對承臺大體積澆注混凝土時殘留裂縫的破壞比較嚴重。


噴涂純聚脲材料,形成連續、致密、高彈性、高強度的涂層,有效阻止腐蝕介質、離子的滲透,有效抵御人為因素的損壞,及時地保護承臺結構。現場檢測服役1 a 后的Qtech-412 涂層,涂層表面未見任何起泡、脫落、粉化、開裂等破壞現象,僅顏色發生改變,產生一定程度的“黃變”,光澤度下降,這與本文進行的自然曝曬老化、紫外線人工加速老化的試驗結果相吻合。世界上最長的跨海大橋——港珠澳大橋的超級沉管式預應力隧道,將采用Qtech-412 涂層對其伸縮縫進行防腐、防水、防護綜合處理,累計施工面積將達到近12 萬m2,如圖5 所示。

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純聚脲用于港珠澳大橋伸縮縫防護

目前第一節沉管式隧道的純聚脲伸縮縫處理已經結束,將由拖輪運往錨地定位、注水、下沉、對接。


4 結語

海洋大氣環境下因腐蝕造成的損失巨大,重防腐涂層能有效地保護基材,減少損失。Qtech-412 涂層具有優異的力學性能、耐戶外自然曝曬老化及耐紫外線人工加速老化等性能。具體總結如下:

(1) 戶外自然曝曬老化600 d 后,Qtech-412 涂層力學性能基本沒有變化,但光澤度嚴重降低,幾乎失光。結合宏觀及微觀試驗:老化僅使涂層表面部分分子鍵斷裂,內部分子結構沒有變化,強度保持率在95% 以上。

(2) 紫外線人工加速老化15 000 h 后,Qtech-412涂層表面染料變黑,失去光澤,但力學性能變化不大。DSC 試驗表明,涂層未出現明顯的相轉變、還原、氧化、聚合和結晶等現象,內部結構沒有明顯變化。

(3) 在人工模擬海洋環境中,Qtech-412 涂層經6 個月戶外曝曬同時每4 h 噴淋一次人造海水試驗后,無任何起泡、脫落、開裂現象,與鋼板附著力較高。涂層對細微缺陷具有彌合效果,而缺陷較大時,基材腐蝕區域不擴展。

由上述結果可知:Qtech-412 純聚脲重防腐涂層在海洋大氣腐蝕環境中防腐性能突出,具有超長的使用壽命且耐久性能優異。


海洋腐蝕環境下純聚脲重防腐涂層耐久性研究

黃微波,謝遠偉,胡 曉,伯忠維,呂 平 ( 青島理工大學功能材料研究所,山東青島 266033)


標簽:行業資訊原料動態化工百科產品資訊化工應用市場評論技術中心精細化學品化工原料化學試劑染料及顏料涂料與油漆膠粘劑催化劑及助劑
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