热反射隔热防腐蚀涂料的研制

2015-11-29倪余伟董建民

石油化工腐蚀与防护 2015年3期

倪余伟，董建民，张松

(中国人民解放军92117 部队，北京 100072)

地面金属油罐受到强烈的太阳辐射，会引起罐壁温度的大幅升高，高于油沸点时形成油气，油气的累积导致设备内部压力急剧上升，不但造成油品损耗，还存在着较大的爆炸风险。本文研制了一种能用于地面金属油罐及各种金属表面的太阳热反射隔热防腐蚀涂料，它能有效地反射、阻隔、辐射太阳光的能量，使其在不消耗能量的情况下，能有效地降低夏季暴露在太阳光下的物体的表面温度，从而在源头上阻止热的传导，不但减少轻质油产品的呼吸损耗，同时免去水喷淋的效能，达到节省能源、降低消耗、提高安全的目的。该涂料在配方设计时，还兼顾了防腐蚀性能，以满足地面金属油罐户外长期经受自然环境侵蚀的要求。

1 实验部分

1.1 主要原材料

羟基丙烯酸树脂、环氧树脂;流平剂、分散剂、消泡剂、缩二脲;硅烷偶联剂、空心玻璃微珠、纳米红外粉料、钛白粉、玻璃鳞片、氧化铁红。

1.2 底漆的研制

1.2.1 成膜物质的选择

环氧树脂涂料是目前防腐蚀涂料的主要品种，防腐蚀性能优异。环氧树脂因分子结构中含有强极性的羟基和难水解的醚键，故使涂层对基体附着牢固且耐腐蚀，又因分子链中兼有刚性的芳环又有柔性的烃链，故使涂层强韧而耐磨。国产环氧树脂的牌号众多，本文选择分子量和环氧值居中的E-20 作为主要成膜物质。

1.2.2 防锈颜料的选择

本文按物理作用型防锈底漆的配方原理设计底漆。物理作用防锈颜料主要有氧化铁红、云母氧化铁、铝粉及玻璃鳞片等，这些颜料均是不易被腐蚀介质分解破坏的化学性质稳定的惰性颜料，颜料微粒具有良好的填充作用，使涂层的结构十分致密。其中，玻璃鳞片因呈鳞片状态，在漆膜中能发挥良好的抗渗作用，适于在海洋气候区和湿热带地区使用，用于户外金属设备、桥梁等钢结构保护。但是，玻璃鳞片质轻、脆性大，与有机高分子树脂的相容性较差，因此，选择玻璃鳞片作为主要防锈颜料，适量加入氧化铁红以提高涂料的固体含量和涂膜的物理机械性能。

1.2.3 隔热填料的选择

用于热反射隔热涂料的填料应具备低导热系数特性。根据研究可知，满足要求的填料主要为高填充结构材料，如空心微珠、软木粉等。目前，使用最多的是空心玻璃微珠或中空陶瓷微珠。在相同配方下，采用不同的功能性填料，测定涂膜的反射比和稳定性能。结果发现空心微珠对近红外光的反射比远远高于普通填料，玻璃微珠与陶瓷微珠的反射比接近，陶瓷微珠略高于玻璃微珠，但其储存稳定性差［1］。所以，本文选择空心玻璃微珠为主要隔热填料。经试验确定，隔热涂料底漆采用了三种不同粒径分布的微珠进行复配，微珠质量分数为8%。

1.3 面漆的研制

1.3.1 树脂的选择

树脂是涂料中必不可少的组份，对于功能填料来说，树脂则是一个重要的载体，它起着将功能填料与基材连结起来的作用。可选择透明度高，对可见光和近红外吸收小的合成树脂［2］。综合考虑户外耐久性、快干性等因素，经试验确定采用改性含羟基丙烯酸树脂作为热反射隔热防腐涂料的主要成膜物质。

1.3.2 主要功能填料的选择

功能填料是热反射隔热涂层中最重要的组份。热反射隔热涂层所选择的功能填料要求对太阳热辐射具有高反射、低吸收的性质。综合考虑反射和隔热效果，TiO2无疑是最好的选择。金红石型TiO2是太阳热反射隔热涂层中首选的功能填料［3］。试验确定，钛白粉的适宜质量分数为24%。

1.3.3 纳米红外粉料的选用

在涂料中加入适量纳米红外粉料，可以提高涂层的辐射性能，使涂层具有高辐射率。添加适量红外粉料的隔热涂料，不但能够延缓外部热量(太阳热量)向内部的传递，还能够持续的将内部热量转换为远红外线辐射到外太空，降低内部热量，储存涂层的热量，减缓涂层的热量向基体传递，使远红外粉料能吸收更多基体的热量，从而提高远红外粉料向外辐射热量的效果。试验证明，添加3%～4%(质量分数)的红外粉料可以大大提高涂层的红外辐射能力。加量超过5%时，涂层的辐射系数开始下降。

1.3.4 空心玻璃微珠的选用

由于面漆对太阳光反射率和装饰性的要求，不宜选用粒度较大的微珠，选用了粒度分布较适中的美国3M 公司生产的微珠。空心微珠具有较强的消光性，对提高涂层的太阳光不利，空心微珠在面漆中的加入量不宜超过5%(质量份数)。

1.4 配方

依据上述配方设计原则，经过大量配方试验，确定了热反射隔热防腐蚀涂料的底漆、面漆的配方组成，它们配套使用作为地面金属油罐及管线外壁防腐蚀涂装体系。

2 工艺研究

2.1 空心玻璃微珠的表面处理

空心玻璃微珠具有导热系数低、空间体积大等优点，但同时存在机械强度低、吸水性强、耐水性差等缺点。为了克服这种缺点，使用有机硅氧烷对空心玻璃微珠进行表面处理。处理后的空心玻璃微珠具有较好的流动性，易于分散，涂层的耐水性也有很大的提高。

2.2 纳米红外粉料的表面处理

本项目采用的红外粉料平均粒径72 nm，系纳米水溶性材料，在涂料体系中如果分散不好，将大大降低其远红外线辐射能力和阻隔红外线等性能。必须对其进行表面处理。

2.2.1 改性

先用配制涂料用的混合溶剂300 mL，与红外粉料100 g 混合，用超声波分散机或高速分散机分散15～20 min，使用高速分散机搅拌速率控制在1 000 r/min 以上。再用少量的混合溶剂将硅烷偶联剂稀释搅拌均匀后倒入分散好的胶料中，再次搅拌，分散15～20 min，分散完成后，纳米材料与混合溶剂的混合物呈浆状物。

2.2.2 分散

分散剂可以根据涂料体系确定，将分散剂2～4 g 加入到上述的浆料中，再次用超声波分散机或高速分散机分散15～20 min，防止纳米材料二次团聚，达到纳米材料均匀分散在混合溶剂当中。

3 性能试验及结果

对热反射隔热防腐蚀涂料分别进行了机械性能试验、耐中性盐雾试验、人工气候老化试验，以考查该涂料的物理机械性能、耐腐蚀性能及耐老化性能。对于热反射隔热涂料，太阳光反射比和半球发射率是两个非常重要的技术指标。另外，隔热温差可以直观地描述热反射材料降温的程度，因此，隔热温差也是热反射材料研发、隔热评价必不可少的手段［4］。导热系数是反映材料的导热性能的重要参数之一。涂层导热系数λ 不大于0.25 W/(m·K)，一般被认为具有较好的隔热降温功能［5］，因此，本文还对热反射隔热涂料的导热系数进行了测试。试验方法及结果见表1。