聚氨酯面漆低温固化性能分析

2022-11-16王长军曲春钊刘继霞程晋宜吴栋

电镀与涂饰 2022年20期

王长军，曲春钊，刘继霞，程晋宜，吴栋

（海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520）

通常情况下，国内外海洋环境属于ISO 12944:2017标准中的C5-M级别。在LNG(液化天然气)工厂周边，高温、高湿、高盐和化学环境会加剧腐蚀的发生。对处在这种环境中的设备而言，腐蚀防护工作显得尤为重要。涂层的防护机理主要有3种：一是作为阻挡层，减缓腐蚀性粒子向涂层/金属界面的扩散；二是涂层中的缓蚀型颜料可以在腐蚀性粒子到达涂层/金属界面时，起到抑制基体腐蚀的作用；三是涂层与金属之间一般具有良好的粘结性，可以防止腐蚀剥离的发生[1]。C5-M 环境中的涂层通常采用环氧底漆+聚氨酯面漆或者富锌底漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆的配套，一旦在低温环境下施工或固化，往往出现固化缓慢或固化不良的现象。本文针对青岛冬季的特点，对聚氨酯面漆室外低温下的固化性能进行实验分析。事情的起因是这样的：在某LNG项目中，某甲板片部分区域出现聚氨酯面漆涂层剥落现象(如图1所示)，油漆配套为：富锌底漆60 μm，环氧云铁中间漆200 μm，聚氨酯面漆60 μm。2021年1月甲板片安装后，现场沿破损位置出现面漆呈锯齿状剥离的现象，部分位置可用铲刀剥离面漆，剥离形式为中间漆与面漆层之间剥落，剥离后的面漆较软，露出的中间漆固化良好，无污染物。

图1 面漆打磨边缘锯齿状剥离照片Figure 1 Photos showing the peel-off of topcoat with jagged edge during power tool cleaning

1 初步原因分析

首先从原材料入手，对相同批号的中间漆、面漆取样进行实验，结果均固化良好。查找已施工的含该批次中间漆和面漆的涂层，也未出现剥离现象。

施工工艺分析：面漆施工前中间漆已固化36 h，涂层表面无可见油污及污染物，满足涂装要求。面漆施工后室内固化2 h，再运至室外，室外温度最低−16 °C，故初步分析是低温固化导致面漆性能发生变化。

2 低温面漆固化实验

2.1 干燥性能测试

选择某国际品牌(GJ)和国内品牌(GN)的环氧云铁中间漆及丙烯酸聚氨酯面漆，准备若干150 mm ×70 mm × 5 mm的碳钢试板，施工2种不同的聚氨酯面漆60 μm，分别在5 °C和15 °C的低温培养箱中进行固化，用吹棉球法测试表干时间[2]。同时在玻璃板上分别施工2种不同的面漆，放置在干燥时间记录仪上，分别在5 °C和15 °C下测试面漆的硬干时间。

2.2 涂层系统固化及附着力测试

(1) 取若干150 mm × 70 mm × 5 mm规格的碳钢试板进行喷砂处理，清理等级达到ISO 8501-1:2007标准的Sa 2.5级，灰尘度等级达到ISO 8502-3:2017标准的1级，粗糙度达到60 ~ 80 μm，表面处理后分别喷涂2种类型中间漆，在25 °C下固化48 h以上。

(2) 低温固化及附着力测试：取某国际品牌油漆(白色)于室内温度15 °C、相对湿度65%的环境下施工12块试板，完成后每隔2 h将编号1−10的试板按顺序每次将2块转移至−5 °C的培养箱中，11号和12号试板保存在15 °C的环境中固化。4 d后将培养箱中编号为2、4、6、8和10的试板转移至15 °C的环境中固化。每隔24 h用划叉法进行附着力测试和观察外观，施工14 d后采用液压拉拔仪按照ASTM D4541标准进行附着力测试。

(3) 室温固化及附着力测试：在25 °C下取上述试板分别施工2种品牌的聚氨酯面漆。施工1 h后将1号试板(2种品牌各1块，后同)转移到5 °C培养箱中，2号试板一直处于25 °C的环境中；4 h后将3、4号试板分别移至5 °C和15 °C的环境中；6 h后将5、6号试板分别移至5 °C和15 °C的环境中；24 h后将7、8号试板分别移至5 °C和15 °C的环境中。

2.3 面漆弯曲试验及耐冲击性测试

在12块马口铁上施工厚度为60 μm的聚氨酯面漆，平均分成2组分别放置在−5 ℃和−10 ℃的培养箱中。每隔2 h将1−5号和6−10号的试板中按顺序各取一块分别转移至−5 ℃和−10 ℃的培养箱中，11号和12号试板保存在15 ℃环境中固化。4 d后将培养箱中的试板转移至15 ℃的环境中固化。20 d后按照GB/T 6742–2007《色漆和清漆弯曲试验(圆柱轴)》进行弯曲试验，按照GB/T 1732–2020《漆膜耐冲击测定法》进行耐冲击性测试。

3 试验结果

3.1 干燥时间的对比

从表 1可以看出，2种不同面漆的表干时间与产品数据表基本相符合，但国内品牌的硬干时间存在较大差异。此外，国内品牌涂料的表干时间明显短于国外品牌，硬干时间也略短。

表1 2种品牌面漆的干燥测试结果Table 1 Drying test results of two brands’ topcoats

3.2 低温固化及附着力测试结果

第2天，1−4号油漆成膜不佳，整体性不良，但分层剥离现象不可见；7−10号样板基本成膜；11、12号试板已经硬干，未见分层现象。

第3天，1号试板已基本成膜，分层剥离现象轻微可见，如图2a所示。

第4天，1号试板未见分层剥离现象，转移至15 °C环境中的2号试板表面变硬，未见分层剥离现象，如图2b所示。

第5天，1号试板划开后可见分层，划痕边缘呈锯齿状破损，漆膜在破损边缘翘起。

第7天，1号试板开始硬干，漆膜稍软，分层可见，而2号试板漆膜偏硬，也有分层现象，如图2c所示。

图2 低温下GJ品牌面漆的固化情况Figure 2 Photos of brand GJ’s topcoat during curing at low temperature

14 d后进行的附着力测试结果见表2。

表2 −5 °C下GJ品牌面漆固化后的附着力测试结果Table 2 Adhesion test results of brand GJ’s topcoat after being cured at −5 °C

3.3 室温下固化及附着力测试结果

施工后第3天，5 °C环境中的油漆基本成膜，整体性较好，分层剥离现象不可见，而15 °C环境中的对比板固化良好，硬度较高。15 d后进行的附着力测试结果列于表3，均满足规格书的要求。

表3 5 °C和15 °C下2种品牌面漆固化后的附着力测试结果Table 3 Adhesion test results of two brands’ topcoat after being cured at 5 ℃ and 15 °C

3.4 面漆弯曲试验及耐冲击测试结果

从低温培养箱取出前，−5 ℃马口铁样板已表干(指压无痕)，6、7、8号马口铁样板仍存在未表干现象，说明在−10 ℃的情况下，聚氨酯面漆几乎停止固化。固化后按照GB/T 6742–2007采用2 mm和3 mm轴径开展面漆弯曲试验，结果表明：3 mm轴径上，−10 ℃固化的面漆出现明显开裂现象(见图3)，−5 ℃和15 ℃固化的面漆未出现裂纹和剥落现象；2 mm轴径上，−5 ℃固化面漆出现开裂现象，15 ℃固化的面漆未出现开裂现象。

图3 −10 °C固化的7号(a)和10号(b)样板的弯曲试验照片Figure 3 Photos of No.7 (a) and No.10 (b) specimens cured at −10 °C after bending test

按照GB/T 1732–2020在25 cm的高度开展耐冲击性试验，结果(见图4)表明−10 ℃和−5 ℃环境下固化的面漆内圈冲击位置出现细微开裂，外圈未出现开裂现象，15 ℃固化的面漆未出现开裂现象。

图4 −5 °C固化的1号样板和−10 °C固化的6号样板的耐冲击性试验照片Figure 4 Photos of No.1 specimen cured at −5 °C and No.6 specimen cured at −10 °C after impact resistance test

3.5 光泽测量结果

按照GB/T 9754–2007标准，使用三恩驰NHG268型三角度光泽度计对−5、−10和15 ℃条件下固化的1、6、11号样板面漆的光泽进行测量，结果如图5所示。它们的60 ℃光泽均达到75以上的高光要求，说明低温固化对面漆的光泽影响不大。

图5 面漆光泽测量照片Figure 5 Photos of gloss measurement for topcoats

4 试验结果分析

由低温下固化附着力试验结果可知，1、3、5、7、9号样板虽然转入低温前在15 °C环境下维持的时间不一样，但漆膜附着力差别不大；2、4、6、8号试板的漆膜附着力比1、3、5、7号试板均有所提升，说明影响附着力的主要原因在于后期的固化温度。11号和12号样板的附着力明显高于低温固化样板(1−10号)，说明低温固化对附着力影响较大。通过划叉法观察可见，低温固化边缘呈锯齿状破坏，说明低温固化对油膜的柔韧性产生了一定的影响，弯曲试验结果印证了这一点。

由5 °C和15 °C条件下固化样板的附着力测试结果可知，只要在5 °C以上固化，漆膜附着力无明显差别，与−5 ℃条件下固化相比提升了60%。

通过面漆弯曲试验可知，随着固化温度降低，固化时间需成倍延长。当固化温度为−10 ℃时，固化反应几乎停止，即使恢复到高温固化，面漆的柔韧性和耐冲击性也会显著降低。