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作者

文/劉玉昆，周偉，崔志剛

廊坊艾格瑪新材料科技有限公司

摘要：標準EN877規定，建筑排水鑄鐵管需要滿足溫度循環試驗，對鑄鐵管的防腐材料提出了更高的要求。本文討論并驗證了影響環氧粉末涂料配方設計中涂層耐溫性循環性能的因素，并介紹了適用于粉末制造商實驗室的溫度循環試驗設備的設計和應用。

熔結環氧粉末涂料（FBE）是一種耐腐蝕性高、機械性能好的熱固性粉末涂料，廣泛應用于建筑材料、管道、閥門配件、船舶、地下設施、海底設施、電子產品、家居用品等，是建筑排水鑄鐵管內外壁防腐的最佳選擇。《BS EN 877 1999 A1 -2006 Cast ironpipes and fittings,their joints and accessories for the evacuation of water from buildings-Requirements,test methods and quality assurance》本標準對排水管道溫度循環試驗有規定，主要考慮人們日常用水溫度范圍較寬，生活排水冷熱水交替。水環境中的冷熱交替是對材料的嚴格考驗。如果環氧粉末涂料選擇不當，涂層很容易剝離和起泡。水環境中的冷熱交替是對材料的嚴格考驗。如果環氧粉末涂料選擇不當，涂層很容易剝離和起泡。實驗結束后，小管徑涂層對大管徑涂層的損壞較嚴重，入口位置涂層對其他部位涂層的損壞較嚴重。因此，對FBE測試涂層的耐溫循環性是非常必要和有預防意義的。同時，設計一種簡單有效的溫度循環檢測設備，對粉末制造商的相關檢測試驗和研究尤為重要。同時，實驗室進行溫度循環檢測時所用設備的設計，對相關檢測試驗的進行也發揮著重要作用。

1 EN介紹877標準規定的溫度循環試驗方法

EN877標準規定的溫度循環試驗方法如下：

（1）（30±1）L，（93±2）℃水，1min持續流過管道系統的時間；

（2）排空并停留1min；

（3）（30±1）L，（15±5）℃水，1min持續流過管道系統的時間；

(4)排空并停留1min；

(5)循環1500次。

如圖1所示。

2 影響配方設計FBE涂層耐溫循環的因素

鑄鐵管的內孔、砂眼和表面處理質量FBE涂層的溫度循環試驗影響很大，這里就不深入研究了。本文主要探討環氧粉末涂料本身的因素。

FBE涂層故障是由于腐蝕介質（水、氧等）滲透到基底，基底腐蝕損壞，涂層泡沫、開裂或基底腐蝕體積膨脹導致涂層脫落（如圖2所示）。因此，如何防止腐蝕介質的滲透是有效防止環氧涂層故障的主要途徑。

由于環氧涂層是一種剛性聚合物聚合物，在溫度變化引起的應力作用下不能及時完成屈服，導致涂層損傷，形成銀線，為腐蝕介質的滲透提供了渠道。此外，環氧樹脂和固化劑含有大量的極性基團。除了官能團之間的反應外，極性基團之間還會形成氫鍵，從而提高涂層的致密性。水分子的滲透會破壞這種作用（如圖3所示），使涂層松動，聚合物膨脹，增加內部自由空間，使水和氧氣更容易滲透。從以下幾個方面進行驗證。

2.1 填料量的影響

粉末涂料中的填料可增加涂層硬度，提高涂層致密性，有效防止水、氧、鹽等腐蝕介質的滲透。涂層的膨脹系數隨填料量的增加而逐漸下降。涂膜的附著力主要來自涂膜與底材之間的物理咬合和極性基團之間的鍵合作用，如氫鍵。涂層受溫變形越小，越難破壞這種鍵合作用，附著力越不容易受到影響。然而，填料的添加也是有限的。過量的填料會阻礙膜的連續性，降低膜的力學性能，增加孔隙率，使腐蝕介質更容易滲透。試驗配方見表1。

從表1可以看出，當填料量增加到40%（3號配方）左右時，溫度循環試驗結果相對最好（試驗實驗均為實驗室設備，方法見設備設計介紹的部分）。如果填料太少，整個涂層很容易脫落；如果填料太多，氣泡會顯著增加。事實上，無論涂層是脫落還是起泡，都是由于水和氧的滲透，導致基材腐蝕，涂層與基材分離。

2.2 影響填料類型

填料種類的選擇對涂膜抗滲透性至關重要，使用一些片狀結構的填料可有效阻止腐蝕介質的滲透；而球狀填料則更易被樹脂完美包裹，降低涂膜孔隙率，二者復配使用可以獲得抗滲透性極佳的涂膜。確定填料的質量分數為40%，進行填料種類對涂層耐溫度循環性能影響的實驗，結果如表2所示。

實驗表明，涂膜耐溫循環試驗結果最佳(配方4)采用球形和片狀填料。

2.3 影響涂膜交聯密度(玻璃轉化溫度)

涂膜的交聯密度在很大程度上決定了涂膜結構的致密性和玻璃轉化溫度（Tg）。在相同的環氧樹脂系統下，Tg能反映涂膜交聯密度的尺寸。涂層交聯密度越高，結構越緊，聚合物內部自由體積越小，腐蝕介質滲透越困難。涂膜的Tg決定了涂膜的耐熱性，Tg下面，涂層保持堅硬的玻璃狀態，限制鏈段運動，保持結構、性能和附著力不變。然而，交聯密度越高越好。在固化成膜的過程中，過高的交聯密度往往會產生較大的內應力，降低涂膜的穩定性；此外，涂層剛度的增加降低了材料的屈服能力。面對外力或溫度變化引起的應變，應力積累，造成涂層損傷。

環氧當量為400~500酚醛改性環氧EP2#提高涂層的交聯密度，驗證不同比例Tg）下FBE涂層溫度循環試驗效果(普通填料用于突出對比效果)見表3。

1號：Tg2=97℃；2號：Tg2=105℃；3號：Tg2=112℃；

1號配方涂膜交聯密度最小（Tg最低)，涂層致密性差，腐蝕介質易滲透，導致氣泡和脫落；EP2#含量增加，2號和3號配方的實驗結果最好；雖然4號配方涂膜的交聯密度最高（Tg最高)，密度最好，但涂膜屈服能力最差，應力損傷最嚴重，試驗結果較差。

2.4 固化劑類型的影響

有許多環氧樹脂固化劑，主要包括酚、胺、酸（酸酐）、催化劑（咪唑及其衍生物）等。本實驗選擇了最常用的酚類固化劑和雙氰胺固化劑（普通填料用于突出對比效果）。實驗結果見表4。

實驗表明，雙氰胺的試驗結果較差，這應該是由于雙氰胺本身的耐水性較差，尤其是熱水(80℃以上)會分解，與環氧樹脂相容性差，熔點高(209年)℃），熔化擠壓不能與環氧樹脂混合。在固化過程中，只有雙氰胺顆粒表面的活性基團參與反應，雙氰胺顆粒在水中溶解或分解，導致交聯點斷裂（如圖4所示）。

此外，雙氰胺不僅可以作為環氧樹脂的固化劑，還可以催化環氧樹脂中羥基的活性，使環氧樹脂自聚合，降低固化后環氧涂層中的羥基，降低與基材的附著力。綜上所述，環氧粉末涂料配方設計可有效提高涂層的耐溫性。

(1)填料量控制在40%左右；

(2)選擇片狀和球形填料復合使用；

（3）適量添加酚醛改性環氧，一定程度提高涂膜的交聯密度；

(4)避免使用胺使用酚類固化劑。

配方(如表5)按上述思路設計，中試生產，試驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，鑄鐵管采用上述配方制備的環氧粉末涂料，溫度循環試驗后表面狀況良好，無變化。

3 實驗室溫度循環試驗設備的設計與應用

對于一般規模的粉末制造商，標準的溫度循環試驗條件難以滿足，需要不同管徑的管段和閥門配件，以及內壁涂層的涂層設備。因此，有必要為粉末制造商設計一個實驗室測試設備。我公司與設備公司設計的溫度循環設備見下圖。

①控制電柜；②升降桿；③180度旋轉器；④樣品固定器(強磁)；⑤15℃冷水鍋；⑥冷水鍋電磁控制閥；⑦熱水鍋；⑧支撐架。

儀器必須安裝在水平臺上。實驗中使用的熱水是熱水鍋本身加熱的自來水，冷水是冷卻器冷卻的自來水。冷熱水鍋中有熱電偶感溫裝置。實驗前，在控制電柜處設置升降桿升降后的停留時間，調整升降桿降落后的高度，使樣品涂層表面浸泡在液體表面以下，未涂層表面暴露在空氣中（模擬管道實際情況，管壁溫度梯度）；兩個水浴缸的液體表面自動保持在排水孔位置，由于試件攜帶的熱量，冷水鍋中的水溫逐漸升高。電磁閥啟注水模式降至15℃；由于水溫高(93)℃），因此，注水管保持小水流不間斷注水，以保證液位處于排水口高度。實驗開始后，樣品隨升降桿降至涂層表面以下，停留1min提升桿后，通過旋轉器交換兩個試件位置，在空中停留1min，再次下跌，如此循環1500次。

由于成品鑄鐵管的耐溫循環性與鑄造質量和表面處理密切相關，儀器采用6mm厚檢測鐵板作為試件，與管道明顯不同，不考慮水壓、流速等方面的影響，因此試驗結果一般優于標準方法。該儀器主要適用于環氧粉末耐溫循環試驗的平行比較試驗和優缺點判斷（如圖7所示）EN判斷877中相關等級。

4 結語

排水鑄鐵管環氧粉末涂料的耐溫性和循環性受鑄造質量、表面處理質量、涂層生產工藝條件、粉末質量等多種方面的影響。本文僅討論了粉末制造商的配方設計因素，以及實驗室檢測設備的推廣。對于生產經營活動中遇到的實際問題，應根據具體情況分析從哪里開始改進。

封面圖：Pexels 上的Avinash Patel拍攝的圖片

音樂：Alone in kyoto（Air）-Kitchen

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