阀阀门粉末涂料的设计与应用

     

阀门粉末涂料的设计与应用

Design and Application of Powder Coatings for Valves

吴希革(大庆庆鲁化工技术研究所)

 

摘要：近年来，随着科学技术的不断发展，国内阀门产品也在向高技术含量、高标准、耐强腐蚀、高寿命方向发展，这对阀门的涂层及涂装技术提出了更高的要求。文章结合阀门使用环境和特点，就如何采用新型固化剂，优选环氧树脂辅助填料、助剂等进行阀门粉末涂料的设计；应用中如何与涂装工艺配合，满足涂敷阀门的高标准要求等方面进行了重点阐述。

 

1 前言

阀门是石油、天然气、化工、电站、长输管线、造船、核工业、化学工程、航天以及海洋石油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备部件。所用阀门和管道配件得主要材料为铸铁，但铸铁不耐腐蚀，单一材质不能满足使用要求，需要对其进行适当的涂层处理，因此需要对铸铁阀门的涂层深入研究，以便正确选用涂层材料与涂装工艺。铸铁阀门材质包括灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等，其中球墨铸铁阀门在水系统中的使用越来越广泛，阀门的损坏和更换源于主体锈蚀。阀门内腔与介质接触，锈蚀极为严重，锈蚀后的阀门通径变小，流阻增大，严重影响介质传输。阀门大多安装在地面或地下，外表与潮湿的空气接触极易发生锈蚀，因此阀门主体材料必须进行腐蚀防护，以延长使用寿命。另外，铸铁阀门直接与水接触，锈蚀将对水体产生二次污染。因此，阀门涂层的性能要求以功能性防护为主，装饰性为辅。我国国民经济的发展推动了阀门工业的进步，粉末涂料与涂装行业必须充分了解阀门产品，关注对客户的产品服务，才能把与之配套的粉末涂料与涂装工作做得更好。

 

2 问题的提出

—   如何确定阀门粉末涂料体系？是环氧聚酯型，还是纯环氧、纯聚酯型，或是环氧防腐型？

—   阀门在安装、使用、维护保养过程中难免磕碰，阀门粉末涂料的机械性能(抗冲击性)要好。那么如何提高阀门粉末涂层的抗冲击性？

—   部分阀门要求外观颜色鲜艳(如艳红)，维护保养过程中要求涂层具有耐有机溶剂(如丙酮)擦拭性。为保证涂层外观艳丽涂料的耐高温黄变性一定要好，那么如何提高粉末涂层的抗黄变性及耐有机溶剂擦拭性？

—   如何确定阀门粉末涂料配方与涂装工艺的配套性？

—   粉末涂层缺欠如何应对？

 

3 试验原料的选择与配方设计

3.1 涂料体系的确定

按照ISO 12944-2划分标准，大部分工业阀门的安装使用环境属于C3、C4、C5-1和C5-M环境。C3环境指中等二氧化硫污染区或低盐度的沿海地区，如食品加工厂、洗衣店、酿酒厂、奶制品生产厂的大气环境。C4环境为工业区域和中等盐度的沿海地区，如化工厂、游泳池、沿海船舶和船厂的大气环境。C5-1环境是非常高工业化和高湿度的地区，如高污染的建筑或工业区域。C5-M环境是指沿海和近海地区高盐分的海边或海面上的大气环境。上述分析充分说明阀门用粉末涂料体系应为防腐体系。

 

3.2 环氧树脂的选择

阀门在搬运、安装、使用过程中的机械损伤比较严重，所用粉末涂层的抗冲击性应当非常好，因此宜选用双酚A型环氧树脂；双酚A型环氧树脂的醚键和C-C键使大分子具有柔顺性，苯环赋予聚合物耐热性和刚性，异丙基赋予高分子材料一定的刚性。双酚A型环氧树脂904H具有柔韧性的长链结构，环氧值0.109mol/100g，软化点100℃，赋予粉末涂层良好的抗冲击性。

 

3.3 固化剂的选择

环氧树脂本身是一种热塑性物质，需要在一定条件下与固化剂通过交联反应，才能形成立体网状结构的热固性产物，从而显现出各种优良的应用性能，真正成为具有使用价值的环氧材料。因此固化剂在环氧树脂应用中必不可少，甚至发挥着决定性作用。我们可根据表1固化剂的典型技术指标合理选择。

表1 典型的环氧树脂固化剂技术指标

固化剂型号	外观	软化点，℃	羟值*，当量/100g	挥发份，%	环氧树脂/固化剂质量比
Amanda 969B	淡黄色颗粒	86	0.52	≤0.2	100/22~26
Amanda 959-1	淡黄色颗粒	80	0.58	≤0.2	100/20~22
Amanda 959-1W	淡黄色颗粒	91	0.57	≤0.2	100/20~22
Amanda 989 C	淡黄色颗粒	95	0.42	≤0.2	100/32

*：不仅限。

 

3.4 填料的选择

填料可提高粉末涂料的机械强度和其它保护性能。阀门粉末涂料用填料应具备下列性能：(1)不溶于水和有机溶剂，有很好的分散性，无色或白色，不含杂质的超细粉粒；(2)耐酸、耐碱、耐候等性能均好；(3)成本低，但对涂膜性能无不利影响。常用填料包括硫酸钡、轻质碳酸钙、白炭黑、石英粉、硅灰石等。

 

3.5 颜料的选择

粉末涂料必须加热才能固化成膜，因此在选择颜料时需要考虑耐热稳定性。重防腐粉末涂料常用的颜料有：氧化铁红、淡铬黄、棕铬黄、炭黑、金红石型钛白、酞菁蓝、酞菁绿等。

 

3.6 助剂的选择

粉末涂料助剂包括流平剂、边角覆盖性改进剂、花纹助剂、抗划伤剂、增硬剂、促进剂、紫外光吸收剂、防针孔剂和粉末疏松剂等。

—   脱气剂：主要是安息香，为白色或浅黄色无味晶体，熔点137℃，沸点344℃，微溶于水和乙醚，溶于热丙酮和热乙醇，是粉末涂料最常用的脱气剂。

—   增韧剂：是指能增加胶黏剂膜层柔韧性的物质，如热塑性高分子化合物聚乙烯醇缩丁醛。

—   流平剂：如PV88、503、3#等。

—   促进剂： 可选用医药级2-甲基咪唑等。

—   抗划伤剂、增硬剂：主要是微晶蜡类，如GR-1、W-1等。

—   粉末疏松剂：如气相法二氧化硅、Amanda100、氧化铝C等。

 

3.7 配方设计与涂装工艺

为了通过应用试验使阀门粉末涂料与涂装工艺要求相配套，本研究的试验材料选用如下：双酚A型环氧树脂904H(广州宏昌电子材料公司)；专用固化剂为Amanda 969B、Amanda 989C和自制的Amanda 959-1、Amanda 959-1W；其中Amanda 989C分子结构中引入了部分多官能度活性组分与柔韧性长链结构，自制固化剂与普通双酚A型或酚醛改性的环氧树脂有极好的混溶性，反应活性极高，可快速固化；颜料、填料和助剂等均选用同一生产批号的材料。试验配方设计见表2。

表2 试验配方设计

,

组成	不同固化体系的配方用量，质量份
	Amanda 969B	Amanda 989C	Amanda 959-1	Amanda 959-1W
固化剂	24	32	22	22
双酚A型环氧树脂1	100	100	100	100
促进剂	0.85	0.85	—	—
流平剂	1.5	2.5	2.5	2.5
金红石型钛白粉2	6	6	6	6
填料1	25	25	25	25
填料2	30	30	30	30
抗黄安息香	0.8	0.8	0.8	0.8
铸铁专用脱气剂3	0.6	0.6	0.6	0.6
纳米材料4	0.8	0.8	0.8	0.8
PVB	2	2	2	2
BGS蓝	2	2	2	2
合计	193.55	201.55	191.55	191.55

注：1-904H，环氧当量0.10~0.12当量/100g；2-钛白粉为902；3-Amanda T70101；4-Amanda100，粒径20~40nm。

 

4 试验条件与方法

本研究中重防腐粉末涂料的制备、涂层制备以及涂料与涂层性能检测所用设备见表3。

表3 试验研究所用的仪器设备

序号	设备名称	设备供应商
1	SY-II-40双螺杆挤出机	湘潭市粉末涂装设计厂
2	101-3电热鼓风干燥箱	天津市泰斯特仪器有限公司
3	HB-90高压静电发生器	浙江华立涂料有限公司
4	静电喷枪	浙江华立涂料有限公司
5	DJ-04B粉碎机	上海淀久中乐机械制造有限公司
6	JYT-Z架盘药物天平	沈阳市万驰天平仪器厂
7	A-068测厚仪	天津市林勇科技有限公司
8	TCJ-Ⅱ型冲击仪	上海现代环境工程有限公司

 

4.1 重防腐粉末涂料制备

　　将环氧树脂、固化剂、颜填料及助剂在高速混合机中充分混合均匀(混合两次，3min/次)，然后用螺杆挤出机熔融挤出，挤出机1区温度100~105℃，2区温度85~90℃，转速300r/min。挤出片料在ACM磨粉机中粉碎，用100目筛分级得到粒度符合要求的粉末涂料。

 

4.2 涂层制备与性能检验

按检测标准要求将待检测样板底材(标准铁板100×100×6mm)进行喷砂除锈处理，预热，用静电喷枪将待测粉末涂料喷涂在样板表面至规定膜厚(250~450μm)，固化，水冷后待检测。

根据EN 14901-2006要求，涂膜性能测试包括耐冲击性、耐压痕性、孔隙率、热老化性、耐腐蚀性、耐摩擦性和安全性等。型式检验一般在选择涂层材料、或工艺参数发生变化时进行，正常生产中一般不需测试。

粉末涂料的常规检验项目包括胶化时间、密度、粒度分布、磁性物含量、附着力、流平性、耐有机溶剂擦拭性、耐高温黄变性、抗冲击性等，按表2配方制成的涂料性能测试结果见表4。

表4 阀门粉末涂料的性能测试结果

固化工艺及性能	固化体系配方
	Amanda969B	Amanda989C	Amanda959-1	Amanda959-1W
涂装工艺
球墨铸铁阀门1	50min@250℃预热→喷涂→20min@190℃固化(15min或30min也可；20min最佳) →自然冷却	50min@250℃预热→喷涂→20min@190℃固化(15min或30min也可；20min最佳) →自然冷却	50min@250℃预热→喷涂→不回烤固化→自然冷却	50min@250℃预热→喷涂→30min@190℃固化→自然冷却
涂膜性能
抗冲击性2	10J通过(20min最佳)	15J通过(20min最佳)	15J通过	10J通过
附着力3	通过	通过	通过	通过
流平性4	通过	通过	通过	通过
外观5	通过	通过	通过	通过
涂层厚度6，μm	350	420	430	390
耐有机溶剂擦拭性7	通过	通过	通过	通过
耐高温黄变性	黄变	20min不黄变(最佳)；30min略泛黄	黄变较弱	不黄变

注：1-喷涂厚度250~450μm；2-直径16mm的球形冲头，1kg落锤，室温；3-依据EN ISO 4624要求进行剥离测试，平均值≥8MPa，最小单值≥6MPa；4-目测无橘皮、平整；5-目测应光滑，颜色一致，无气孔、气泡、漏喷等缺陷；6-采用膜厚仪测量，涂层平均厚度≥250μm；7-将甲基异丁基酮(MIBK)滴在喷涂表面，然后用白布反复擦拭，观察表面变色、失光和/或污损情况。

 

4.3常见问题

阀门粉末喷涂工艺中常见的涂膜弊病及解决方案见表5。

表5 阀门粉末喷涂工艺中常见的涂膜弊病及解决方案

序号	现象	原因	解决方法
1	涂膜光泽不足或褪色	a 烘烤时间过长 b 固化温度过高 c 受其他粉末涂料污染 d 外部污染性气体进入固化烘道内 e 工件预处理不当(有锈或油) f 工件表面粗糙	a 提高输送速度或缩短固化时间 b 调整固化烘道温度 c 清洗设备，用新粉末涂料，检查回收粉使用比例 d 清除外部气源或隔断 e 检查表面处理工序，重新预处理 f 重新处理
2	涂膜光泽过高	固化烘道内温度过低或固化时间太短	提高固化温度或延长固化时间
3	涂膜上有异物	a 喷枪、喷涂室或回收系统不清洁 b 涂装车间卫生不良 c 工件预处理不当 d 搬运过程中有异物附着	a 检查气源，粉末过筛或换新粉 b 清洁车间环境卫生 c 重新预处理 d 检查运输过程
4	涂膜有缩孔或针孔	a 表面处理不当，除油污不干净 b 压缩空气中有水或油 c 受其他粉末污染 d 工件烘烤时间不足 e 工件本身有严重缺陷	a 检查工件表面处理工序并纠正 b 及时排放油水分离器里的水 c 清洁整个喷涂系统，使用新粉 d 延长烘烤时间 e 工件不适合喷涂，报废
5	涂膜附着力和机械强度不足	a 固化温度不足，固化时间过短 b 工件表面处理不当 c 固化涂膜太厚 d 固化严重过度(老化)	a 延长固化时间(注意工件大小) b 检查原因，特别是抛丸处理，并纠正 c 减少上粉量 d 严格控制固化温度和时间

 

4 结论

（1）结构不同的固化剂对环氧涂料的性能影响不同，固化剂种类及用量、基础树脂的化学反应性、最终涂膜的交联密度因应用性能要求不同而变化。固化剂选择对粉末涂层固化温度、涂层机械性能和附着力影响很大。为了实现良好的应用性能，粉末涂料配方及涂装工艺的确定需要对诸多因素(如价格、耐化学品性、机械性能、阀门使用条件、产品质量要求、设备环境状况)综合平衡。

（2）Amanda 989C固化剂较好地解决了阀门粉末涂层的抗冲击性，可以满足阀门重防腐环氧粉末涂料的新要求。在固化剂研制过程中，我们根据不同涂装作业方式与涂膜性能要求开发了系列固化剂，可满足不同应用场合的要求。

（3）环氧树脂粉末涂层附着力强，表面光滑，耐冲击、耐腐蚀、耐冲刷、耐老化，能够满足阀门的使用要求及水系统对输配水设备的要求。在粉末选用、设备配备时应当充分考虑材料、工艺和设备的匹配性。

 

参考文献

[1] 陈宏林，静电粉末喷塑在铸铁闸阀上的应用[J]，阀门，1999(2)，32~33

[2] 张继伟，周子民，铸铁阀门粉末涂层工艺探讨[J]，阀门，2009(3)，20~22

[3] GB/T 12227-2005 通用阀门球墨铸铁件技术条什

[4] GB/T 19352.3-2003 热喷涂结构的质量要求 第3部分：标准的质量要求

[5] 吴希革，功能固化剂对环氧重防腐粉末涂料性能的影响，粉末涂料与涂装，2008(5)，58~62

 

 

作者简介

吴希革（1966--）男，教授级高工、黑龙江省级重点学科专业“有机化学工程”学术（技术）带头人；大庆庆鲁化工技术研究所所长。 主要从事合成树脂与固化剂、高分子材料、重防腐涂料的研究   黑龙江大庆 163316

电话：0459—6287286

E-mail:qlamanda@163.com  

, -list: Ignore">—   脱气剂：主要是安息香，为白色或浅黄色无味晶体，熔点137℃，沸点344℃，微溶于水和乙醚，溶于热丙酮和热乙醇，是粉末涂料最常用的脱气剂。

—   增韧剂：是指能增加胶黏剂膜层柔韧性的物质，如热塑性高分子化合物聚乙烯醇缩丁醛。

—   流平剂：如PV88、503、3#等。

—   促进剂： 可选用医药级2-甲基咪唑等。

—   抗划伤剂、增硬剂：主要是微晶蜡类，如GR-1、W-1等。

—   粉末疏松剂：如气相法二氧化硅、Amanda100、氧化铝C等。

 

3.7 配方设计与涂装工艺

为了通过应用试验使阀门粉末涂料与涂装工艺要求相配套，本研究的试验材料选用如下：双酚A型环氧树脂904H(广州宏昌电子材料公司)；专用固化剂为Amanda 969B、Amanda 989C和自制的Amanda 959-1、Amanda 959-1W；其中Amanda 989C分子结构中引入了部分多官能度活性组分与柔韧性长链结构，自制固化剂与普通双酚A型或酚醛改性的环氧树脂有极好的混溶性，反应活性极高，可快速固化；颜料、填料和助剂等均选用同一生产批号的材料。试验配方设计见表2。

表2 试验配方设计

,

组成	不同固化体系的配方用量，质量份
	Amanda 969B	Amanda 989C	Amanda 959-1	Amanda 959-1W
固化剂	24	32	22	22
双酚A型环氧树脂1	100	100	100	100
促进剂	0.85	0.85	—	—
流平剂	1.5	2.5	2.5	2.5
金红石型钛白粉2	6	6	6	6
填料1	25	25	25	25
填料2	30	30	30	30
抗黄安息香	0.8	0.8	0.8	0.8
铸铁专用脱气剂3	0.6	0.6	0.6	0.6
纳米材料4	0.8	0.8	0.8	0.8
PVB	2	2	2	2
BGS蓝	2	2	2	2
合计	193.55	201.55	191.55	191.55

注：1-904H，环氧当量0.10~0.12当量/100g；2-钛白粉为902；3-Amanda T70101；4-Amanda100，粒径20~40nm。

 

4 试验条件与方法

本研究中重防腐粉末涂料的制备、涂层制备以及涂料与涂层性能检测所用设备见表3。

表3 试验研究所用的仪器设备

序号	设备名称	设备供应商
1	SY-II-40双螺杆挤出机	湘潭市粉末涂装设计厂
2	101-3电热鼓风干燥箱	天津市泰斯特仪器有限公司
3	HB-90高压静电发生器	浙江华立涂料有限公司
4	静电喷枪	浙江华立涂料有限公司
5	DJ-04B粉碎机	上海淀久中乐机械制造有限公司
6	JYT-Z架盘药物天平	沈阳市万驰天平仪器厂
7	A-068测厚仪	天津市林勇科技有限公司
8	TCJ-Ⅱ型冲击仪	上海现代环境工程有限公司

 

4.1 重防腐粉末涂料制备

　　将环氧树脂、固化剂、颜填料及助剂在高速混合机中充分混合均匀(混合两次，3min/次)，然后用螺杆挤出机熔融挤出，挤出机1区温度100~105℃，2区温度85~90℃，转速300r/min。挤出片料在ACM磨粉机中粉碎，用100目筛分级得到粒度符合要求的粉末涂料。

 

4.2 涂层制备与性能检验

按检测标准要求将待检测样板底材(标准铁板100×100×6mm)进行喷砂除锈处理，预热，用静电喷枪将待测粉末涂料喷涂在样板表面至规定膜厚(250~450μm)，固化，水冷后待检测。

根据EN 14901-2006要求，涂膜性能测试包括耐冲击性、耐压痕性、孔隙率、热老化性、耐腐蚀性、耐摩擦性和安全性等。型式检验一般在选择涂层材料、或工艺参数发生变化时进行，正常生产中一般不需测试。

粉末涂料的常规检验项目包括胶化时间、密度、粒度分布、磁性物含量、附着力、流平性、耐有机溶剂擦拭性、耐高温黄变性、抗冲击性等，按表2配方制成的涂料性能测试结果见表4。

表4 阀门粉末涂料的性能测试结果

固化工艺及性能	固化体系配方
	Amanda969B	Amanda989C	Amanda959-1	Amanda959-1W
涂装工艺
球墨铸铁阀门1	50min@250℃预热→喷涂→20min@190℃固化(15min或30min也可；20min最佳) →自然冷却	50min@250℃预热→喷涂→20min@190℃固化(15min或30min也可；20min最佳) →自然冷却	50min@250℃预热→喷涂→不回烤固化→自然冷却	50min@250℃预热→喷涂→30min@190℃固化→自然冷却
涂膜性能
抗冲击性2	10J通过(20min最佳)	15J通过(20min最佳)	15J通过	10J通过
附着力3	通过	通过	通过	通过
流平性4	通过	通过	通过	通过
外观5	通过	通过	通过	通过
涂层厚度6，μm	350	420	430	390
耐有机溶剂擦拭性7	通过	通过	通过	通过
耐高温黄变性	黄变	20min不黄变(最佳)；30min略泛黄	黄变较弱	不黄变

注：1-喷涂厚度250~450μm；2-直径16mm的球形冲头，1kg落锤，室温；3-依据EN ISO 4624要求进行剥离测试，平均值≥8MPa，最小单值≥6MPa；4-目测无橘皮、平整；5-目测应光滑，颜色一致，无气孔、气泡、漏喷等缺陷；6-采用膜厚仪测量，涂层平均厚度≥250μm；7-将甲基异丁基酮(MIBK)滴在喷涂表面，然后用白布反复擦拭，观察表面变色、失光和/或污损情况。

 

4.3常见问题

阀门粉末喷涂工艺中常见的涂膜弊病及解决方案见表5。

表5 阀门粉末喷涂工艺中常见的涂膜弊病及解决方案

序号	现象	原因	解决方法
1	涂膜光泽不足或褪色	a 烘烤时间过长 b 固化温度过高 c 受其他粉末涂料污染 d 外部污染性气体进入固化烘道内 e 工件预处理不当(有锈或油) f 工件表面粗糙	a 提高输送速度或缩短固化时间 b 调整固化烘道温度 c 清洗设备，用新粉末涂料，检查回收粉使用比例 d 清除外部气源或隔断 e 检查表面处理工序，重新预处理 f 重新处理
2	涂膜光泽过高	固化烘道内温度过低或固化时间太短	提高固化温度或延长固化时间
3	涂膜上有异物	a 喷枪、喷涂室或回收系统不清洁 b 涂装车间卫生不良 c 工件预处理不当 d 搬运过程中有异物附着	a 检查气源，粉末过筛或换新粉 b 清洁车间环境卫生 c 重新预处理 d 检查运输过程
4	涂膜有缩孔或针孔	a 表面处理不当，除油污不干净 b 压缩空气中有水或油 c 受其他粉末污染 d 工件烘烤时间不足 e 工件本身有严重缺陷	a 检查工件表面处理工序并纠正 b 及时排放油水分离器里的水 c 清洁整个喷涂系统，使用新粉 d 延长烘烤时间 e 工件不适合喷涂，报废
5	涂膜附着力和机械强度不足	a 固化温度不足，固化时间过短 b 工件表面处理不当 c 固化涂膜太厚 d 固化严重过度(老化)	a 延长固化时间(注意工件大小) b 检查原因，特别是抛丸处理，并纠正 c 减少上粉量 d 严格控制固化温度和时间

 

4 结论

（1）结构不同的固化剂对环氧涂料的性能影响不同，固化剂种类及用量、基础树脂的化学反应性、最终涂膜的交联密度因应用性能要求不同而变化。固化剂选择对粉末涂层固化温度、涂层机械性能和附着力影响很大。为了实现良好的应用性能，粉末涂料配方及涂装工艺的确定需要对诸多因素(如价格、耐化学品性、机械性能、阀门使用条件、产品质量要求、设备环境状况)综合平衡。

（2）Amanda 989C固化剂较好地解决了阀门粉末涂层的抗冲击性，可以满足阀门重防腐环氧粉末涂料的新要求。在固化剂研制过程中，我们根据不同涂装作业方式与涂膜性能要求开发了系列固化剂，可满足不同应用场合的要求。

（3）环氧树脂粉末涂层附着力强，表面光滑，耐冲击、耐腐蚀、耐冲刷、耐老化，能够满足阀门的使用要求及水系统对输配水设备的要求。在粉末选用、设备配备时应当充分考虑材料、工艺和设备的匹配性。

 

参考文献

[1] 陈宏林，静电粉末喷塑在铸铁闸阀上的应用[J]，阀门，1999(2)，32~33

[2] 张继伟，周子民，铸铁阀门粉末涂层工艺探讨[J]，阀门，2009(3)，20~22

[3] GB/T 12227-2005 通用阀门球墨铸铁件技术条什

[4] GB/T 19352.3-2003 热喷涂结构的质量要求 第3部分：标准的质量要求

[5] 吴希革，功能固化剂对环氧重防腐粉末涂料性能的影响，粉末涂料与涂装，2008(5)，58~62

 

 

作者简介

吴希革（1966--）男，教授级高工、黑龙江省级重点学科专业“有机化学工程”学术（技术）带头人；大庆庆鲁化工技术研究所所长。 主要从事合成树脂与固化剂、高分子材料、重防腐涂料的研究   黑龙江大庆 163316

电话：0459—6287286

E-mail:qlamanda@163.com