涂料技术
研究海上风力发电机塔筒用湿固化富锌底漆的制备
在全球低碳经济不断发展的背景下,风力发电作为一种取之不尽的清洁能源,已成为当前世界各国竞相发展的新能源[1]。截至2008年底,全球风电装机总容量为121188MW,风力发电量超过总发电量的1.5%。我国2008年风力发电装机容量增长超过100%,总装机容量超过12000MW,成为亚洲第一,世界第三的风电大国。我国10m深近海的风能资源约1亿kW,30m深近海的风能资源约4.9亿kW,风能的量值是陆上风能的3倍,海洋风力发电正在逐步成为主要发展方向。风电机组主要由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔筒、电子系统等组成。其中,塔筒所处的环境最为恶劣,同时处于海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区之中[2]。塔筒又起支撑、固定整个风电机组的作用,对防腐性要求最高。由于风电机组投资昂贵,一次安装需运行几十年,且其高度在30m以上,一次小小的维修,也免不了使用船舶或直升机,往往因风浪大,不易靠近,造成维护、维修成本很高。如果防腐处理不到位,风力发电机组会很快报废,因此涂层设计通常要求达到15a基本不需维修的水平。传统海洋环境钢结构防腐底漆为无机富锌底漆或环氧富锌底漆,多组分混合使用,对温度及底材表面处理要求较高。
本文合成了一种单组分聚氨酯树脂并添加鳞片状锌粉,配制出一种单组分湿固化富锌底漆,有优异的施工性、低温固化性和耐腐蚀性,可取代传统富锌底漆,用于高防腐要求的风电机塔筒。
1实验部分
1.1原材料
E-12环氧树脂:壳牌;间苯二甲酸:工业级,北京燕山石化;己二酸:工业级,辽阳石油化工公司;2-甲基-1,3丙二醇:工业级,台湾;三羟甲基丙烷:工业级,无锡百川化工;钛酸正丁酯:分析纯,上海试剂厂;醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、甲苯二异氰酸酯(TDI):德国拜耳;片状锌粉:北京北矿锌业;苯甲酰氯:南通新盛化工;4-乙基-2-甲基-2-(3-甲基丁基)-1,3恶唑烷:分析纯,Aldrich;铁钛粉:无锡万达;有机膨润土SD-2:海名斯。
1.2聚酯树脂的合成
在四口烧瓶中加入一定量的2-甲基-1,3丙二醇、三羟甲基丙烷及二甲苯,搅拌,依次加入间苯二甲酸、己二酸、钛酸正丁酯,通CO2,并逐步升温至
140~145℃,回流后以10℃/h升温至200℃,在200℃下保温2h,回流脱水,再以10℃/h升温至225℃,继续保温,回流脱水,待酸值小于4mgKOH/g时,冷却到80℃,加入其余溶剂,搅拌,过滤,出料。聚酯树脂技术指标:黏度在0.8~2Pa·s,羟基含量为3.6%。
1.3环氧改性聚氨酯树脂的合成
在烧瓶中加入质量分数为25%的E-12环氧树脂溶液、自制聚酯树脂,升温至125℃开始共沸脱水,再升温至140~145℃,脱水完成后,冷却至45℃,加入TDI,搅拌30min,缓慢升温至90℃,保温3h后冷却到45℃,加入质量分数为0.05%的苯甲酰氯,搅拌,过滤,出料,密封贮存。
1.4涂料的制备
依次往容器中加入一定量的丁酮、甲苯、磷片状锌粉、铁钛粉、膨润土,高速搅拌均匀,加入适量脱水剂4-乙基-2-甲基-2-(3-甲基丁基)-1,3恶唑烷,密闭贮存24h,待水分完全脱除后,加入聚氨酯树脂,搅拌均匀,过滤,包装。
1.5湿固化富锌底漆的性能

表1 湿固化富锌底漆的性能指标
本文合成了一种单组分聚氨酯树脂并添加鳞片状锌粉,配制出一种单组分湿固化富锌底漆,有优异的施工性、低温固化性和耐腐蚀性,可取代传统富锌底漆,用于高防腐要求的风电机塔筒。
1实验部分
1.1原材料
E-12环氧树脂:壳牌;间苯二甲酸:工业级,北京燕山石化;己二酸:工业级,辽阳石油化工公司;2-甲基-1,3丙二醇:工业级,台湾;三羟甲基丙烷:工业级,无锡百川化工;钛酸正丁酯:分析纯,上海试剂厂;醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、甲苯二异氰酸酯(TDI):德国拜耳;片状锌粉:北京北矿锌业;苯甲酰氯:南通新盛化工;4-乙基-2-甲基-2-(3-甲基丁基)-1,3恶唑烷:分析纯,Aldrich;铁钛粉:无锡万达;有机膨润土SD-2:海名斯。
1.2聚酯树脂的合成
在四口烧瓶中加入一定量的2-甲基-1,3丙二醇、三羟甲基丙烷及二甲苯,搅拌,依次加入间苯二甲酸、己二酸、钛酸正丁酯,通CO2,并逐步升温至
140~145℃,回流后以10℃/h升温至200℃,在200℃下保温2h,回流脱水,再以10℃/h升温至225℃,继续保温,回流脱水,待酸值小于4mgKOH/g时,冷却到80℃,加入其余溶剂,搅拌,过滤,出料。聚酯树脂技术指标:黏度在0.8~2Pa·s,羟基含量为3.6%。
1.3环氧改性聚氨酯树脂的合成
在烧瓶中加入质量分数为25%的E-12环氧树脂溶液、自制聚酯树脂,升温至125℃开始共沸脱水,再升温至140~145℃,脱水完成后,冷却至45℃,加入TDI,搅拌30min,缓慢升温至90℃,保温3h后冷却到45℃,加入质量分数为0.05%的苯甲酰氯,搅拌,过滤,出料,密封贮存。
1.4涂料的制备
依次往容器中加入一定量的丁酮、甲苯、磷片状锌粉、铁钛粉、膨润土,高速搅拌均匀,加入适量脱水剂4-乙基-2-甲基-2-(3-甲基丁基)-1,3恶唑烷,密闭贮存24h,待水分完全脱除后,加入聚氨酯树脂,搅拌均匀,过滤,包装。
1.5湿固化富锌底漆的性能

表1 湿固化富锌底漆的性能指标
2结果与讨论
2.1树脂的选择
本试验采用高分子环氧树脂、柔性聚酯树脂与TDI反应合成的湿固化聚氨酯树脂为基体树脂。由于该树脂的分子链上带有环氧、-NCO等极性基团,与金属基材结合具有良好的渗透性和附着力;树脂固化后形成的聚脲结构使涂膜具有良好的强度、耐磨性、屏蔽性和耐化学介质性,又因湿固化聚氨酯树脂的固化机理是靠分子链的-NCO基团和空气中的水分反应交联,生成具良好湿附着力的聚脲结构,能除去金属基材表面微量的水分,解决了一般涂料在潮湿表面附着力差的缺点,提高了涂膜的防腐性能,尤其在空气湿度大的沿海环境下作用非常明显。湿固化聚氨酯树脂的另一个优点是具有良好的低温反应性能,甚至在-10℃仍可固化,而传统的环氧富锌底漆在5℃以下就基本停止反应。
2.2防锈颜料的选择与添加量
目前市场上的富锌涂料多以球状锌粉为防锈颜料,其球锌之间是以点接触的形式来传输电子,电流导通性能差[3]。为了保证涂层的导通性和使用寿命,料浆中锌粉的用量通常高达80%以上。这样高的PVC值导致涂层结构的多孔性,孔隙度大,屏蔽性差。本试验采用鳞片状锌粉,其片之间是面接触,大大提高了电流导通性能。经检测当锌含量在70%时,使用鳞片状锌粉的湿固化富锌底漆体积电阻约104Ω·m,而传统环氧富锌底漆体积电阻约106Ω·m,两者相差100倍。试验还发现:湿固化富锌底漆中鳞片状锌粉的用量降低到40%,其体积电阻无明显变化,说明低锌粉含量仍能够保证涂层良好的电化学保护性能。由于锌粉价格比较昂贵,因此通过在涂料中适当拼混其它较为廉价的防锈颜料(如铁钛粉等),可以大幅度降低成本,同时不影响防腐性能。
本试验所用鳞片状锌粉的粒径为15μm,厚度在0.1μm左右。
2.3助剂的选用
2.1树脂的选择
本试验采用高分子环氧树脂、柔性聚酯树脂与TDI反应合成的湿固化聚氨酯树脂为基体树脂。由于该树脂的分子链上带有环氧、-NCO等极性基团,与金属基材结合具有良好的渗透性和附着力;树脂固化后形成的聚脲结构使涂膜具有良好的强度、耐磨性、屏蔽性和耐化学介质性,又因湿固化聚氨酯树脂的固化机理是靠分子链的-NCO基团和空气中的水分反应交联,生成具良好湿附着力的聚脲结构,能除去金属基材表面微量的水分,解决了一般涂料在潮湿表面附着力差的缺点,提高了涂膜的防腐性能,尤其在空气湿度大的沿海环境下作用非常明显。湿固化聚氨酯树脂的另一个优点是具有良好的低温反应性能,甚至在-10℃仍可固化,而传统的环氧富锌底漆在5℃以下就基本停止反应。
2.2防锈颜料的选择与添加量
目前市场上的富锌涂料多以球状锌粉为防锈颜料,其球锌之间是以点接触的形式来传输电子,电流导通性能差[3]。为了保证涂层的导通性和使用寿命,料浆中锌粉的用量通常高达80%以上。这样高的PVC值导致涂层结构的多孔性,孔隙度大,屏蔽性差。本试验采用鳞片状锌粉,其片之间是面接触,大大提高了电流导通性能。经检测当锌含量在70%时,使用鳞片状锌粉的湿固化富锌底漆体积电阻约104Ω·m,而传统环氧富锌底漆体积电阻约106Ω·m,两者相差100倍。试验还发现:湿固化富锌底漆中鳞片状锌粉的用量降低到40%,其体积电阻无明显变化,说明低锌粉含量仍能够保证涂层良好的电化学保护性能。由于锌粉价格比较昂贵,因此通过在涂料中适当拼混其它较为廉价的防锈颜料(如铁钛粉等),可以大幅度降低成本,同时不影响防腐性能。
本试验所用鳞片状锌粉的粒径为15μm,厚度在0.1μm左右。
2.3助剂的选用
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