石家烽，鮮 俊，王 磊，崔燦燦，韓忠智，丁 超，郭曉軍

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300451；2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

長(zhǎng)距離輸氣管道是國(guó)家能源“大動(dòng)脈”，建設(shè)長(zhǎng)輸管道可以?xún)?yōu)化國(guó)內(nèi)能源供需格局、滿(mǎn)足能源使用需求、提升清潔能源供應(yīng)、治理空氣霧霾。在輸氣管道的內(nèi)部涂覆一層薄薄的涂層，可以降低管道內(nèi)部的粗糙度，達(dá)到減少阻力的效果，降低氣體輸送磨阻系數(shù)，大大提高了輸送效率［1］。

目前溶劑型和無(wú)溶劑型減阻耐磨涂料已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用。溶劑型減阻涂料VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）含量高，在施工過(guò)程中揮發(fā)大量的有機(jī)溶劑，不利于安全環(huán)保，同時(shí)其施工適應(yīng)性較差［2］。無(wú)溶劑型減阻涂料VOC含量低，但是其黏度較高，通常需要將涂料加熱到50 ℃以上才能夠正常施工作業(yè)，噴涂厚度較厚，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也浪費(fèi)了資源。因此，開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保并在常溫條件下能夠施工作業(yè)的水性減阻耐磨涂料具有十分重要的意義。

樹(shù)脂一般通過(guò)乳化劑或接枝親水基團(tuán)來(lái)實(shí)現(xiàn)水性化，乳化劑、親水基團(tuán)會(huì)影響涂層的防腐蝕性能和附著力［3］。本研究通過(guò)對(duì)樹(shù)脂體系、顏填料體系以及助劑體系的研究，研制出具有良好抗彎曲性能、耐沖擊性能、耐磨性以及耐鹽霧性能的水性減阻耐磨涂料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料和設(shè)備

水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液1#~9#、水性環(huán)氧固化劑（改性脂肪胺加成物），某樹(shù)脂公司；乙二醇丁醚、氧化鐵紅、硅灰石，江天化工；磷酸鋅、三聚磷酸鋁，諾誠(chéng)化學(xué)有限公司；水性助劑，德國(guó)畢克化學(xué)。

電子天平、高速分散機(jī)、錐型磨、鹽霧試驗(yàn)箱等。

1.2 涂料的制備

水性減阻耐磨涂料的配方見(jiàn)表1。

表1 水性減阻耐磨涂料的配方Table 1 The formula of waterborne drag reduction and wear resistant coatings

將去離子水以及除增稠劑外的其他助劑加入到料缸中，高速攪拌分散，隨后依次加入粉料，分散后研磨。隨后加入樹(shù)脂乳液進(jìn)行低速分散，待分散均勻后，加入增稠劑，得到水性減阻耐磨涂料的A組分。

1.3 樣板的制備

將水性減阻耐磨涂料的A、B組分按比例混合均勻后，制板。用于測(cè)試耐沖擊性能的涂層厚度為25 μm，用于測(cè)試抗彎曲性能的涂層厚度為150 μm，用于測(cè)試耐鹽霧性能的涂層厚度為80 μm（1道）。將樣板放置在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成膜物體系的選擇

2.1.1 成膜樹(shù)脂的選擇

通過(guò)調(diào)研，采用市面上常見(jiàn)的9種不同廠(chǎng)家、不同環(huán)氧當(dāng)量的水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液進(jìn)行性能對(duì)比研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 清漆的綜合性能對(duì)比Table 2 Comprehensive performance comparison of varnish

從表2結(jié)果中可以看出，9#水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液的相對(duì)分子質(zhì)量較大、同時(shí)在鏈段中含有大量的甲基，能賦予涂層良好的抗彎曲性能［4］，但相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大，交聯(lián)密度較小，導(dǎo)致其耐腐蝕性能和附著力差［5］。3#水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液的相對(duì)分子質(zhì)量小于9#樹(shù)脂乳液，柔韌性相對(duì)較差，但是涂層具有良好的附著力以及耐腐蝕性能。因此，選擇將3#和9#水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液進(jìn)行物理共混改性，綜合提高涂層的抗彎曲性能、耐沖擊性能以及耐腐蝕性能?；炱礃?shù)脂乳液對(duì)涂層性能的影響見(jiàn)表3。

表3 混拼樹(shù)脂乳液對(duì)涂層性能的影響Table 3 Effect of mixing resin emulsion on coating properties

從表3結(jié)果中可以看出，隨著9#樹(shù)脂乳液用量的增加，涂層的附著力逐漸減小，而抗彎曲性能和耐沖擊性能提高了。當(dāng)兩者質(zhì)量之比為0.7∶0.3時(shí)，涂層具有良好的綜合性能，因此本研究選擇將3#樹(shù)脂乳液和9#樹(shù)脂乳液進(jìn)行物理共混改性，混拼質(zhì)量比為0.7∶0.3。

水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液和固化劑的配比［n（環(huán)氧基）∶n（活潑氫）］對(duì)涂層性能的影響見(jiàn)表4。

表4 n（環(huán)氧基）/n（活潑氫）對(duì)涂層性能的影響Table 4 Effect of n（epoxy group）/n（active hydrogen）on coating properties

從表4結(jié)果中可以看出，當(dāng)n（環(huán)氧基）∶n（活潑氫）為（0.8~0.9）∶1時(shí)，涂層的抗彎曲性能、耐沖擊性能以及防腐蝕性能均較差，這是因?yàn)楣袒瘎┻^(guò)量，固化劑中多余的氨基沒(méi)有相應(yīng)的環(huán)氧基反應(yīng)，從而導(dǎo)致了涂層的綜合性能較差［6］。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n（環(huán)氧基）/n（活潑氫）為（1~1.1）∶1時(shí)，涂層具有良好的抗彎曲性能、耐沖擊性能以及耐腐蝕性能，最終選擇n（環(huán)氧基）/n（活潑氫）為1.1∶1。

2.1.2 成膜助劑的選擇

本研究從涂層性能以及環(huán)保的角度考慮，選擇丙二醇甲醚（PM）、二丙二醇甲醚（DPM）以及丙二醇苯醚（PPH）作為成膜助劑，按照3 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的添加量進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 成膜助劑對(duì)清漆性能的影響Table 5 Influence of coalescing agents on properties of varnishes

從表5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，以丙二醇甲醚作為成膜助劑，雖然涂料表干時(shí)間短，但是涂層外觀(guān)差、機(jī)械性能和附著力較差。這是因?yàn)楸技酌逊悬c(diǎn)低，揮發(fā)速度較快，涂層表面很快干燥，涂層內(nèi)部的溶劑揮發(fā)不出去，因而形成涂層表觀(guān)不光滑的缺陷。同時(shí)，溶劑殘留在涂層內(nèi)部，對(duì)涂層的附著力、抗彎曲性能等有一定的影響［7］。綜合考慮，本研究通過(guò)混拼丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚來(lái)調(diào)整水性減阻耐磨涂料的表干時(shí)間。

2.2 顏填料體系的選擇

涂料中加入顏填料的目的：有效提高涂層的抗?jié)B透、耐腐蝕性能、耐候性與物理機(jī)械性能，填充成膜樹(shù)脂中的空隙，降低涂料成本［8］。

顏填料的主要選擇依據(jù)：1）在涂層中所發(fā)揮的功能；2）礦物的物理性狀；3）與樹(shù)脂的相容性；4）吸油量；5）價(jià)格適中。

硅灰石具有硬度大和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以提高涂層的耐磨性、耐沖擊性能。氧化鐵紅具有防銹功能，可以作為防銹顏料及著色顏料［9］。磷酸鋅和三聚磷酸鋁是常見(jiàn)的防銹填料，可以很好地提高涂層的耐鹽霧性能［10］。

首先研究了硅灰石的粒徑以及添加量對(duì)涂層性能的影響，重點(diǎn)考察對(duì)耐磨性、硬度、附著力以及抗彎曲性能等的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6中可以看出，不同粒徑硅灰石的加入均提高了涂層的耐磨性能。其中粒徑為10 μm的硅灰石添加量在3 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，涂層具有良好的外觀(guān)、耐磨性、硬度、附著力、抗彎曲性能以及耐沖擊性能。隨著其添加量的進(jìn)一步增加，涂層外觀(guān)開(kāi)始變得粗糙，抗彎曲性能以及耐沖擊性能也受到影響，這是因?yàn)楣杌沂奶砑恿窟^(guò)大，導(dǎo)致其在涂層中分散不均勻而發(fā)生團(tuán)聚。因此確定水性減阻耐磨涂料中硅灰石的添加量為3 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

表6 硅灰石的粒徑以及添加量對(duì)涂層性能的影響Table 6 Effects of wollastonite mesh and addition amount on coating properties

氧化鐵紅、磷酸鋅和三聚磷酸鋁均能提高涂層的耐鹽霧性能。下面通過(guò)正交試驗(yàn)，研究不同的氧化鐵紅、磷酸鋅和三聚磷酸鋁添加量組合對(duì)涂層性能的影響，篩選出最優(yōu)的添加量組合。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 氧化鐵紅、三聚磷酸鋁以及磷酸鋅的添加量對(duì)涂層性能的影響Table 7 Effect of addition amount of iron oxide red，aluminum tripolyphosphate and zinc phosphate on coating properties

從表7中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著氧化鐵紅、三聚磷酸鋁以及磷酸鋅添加量的增加，水性減阻耐磨涂料的耐鹽霧性能得到提高。研究發(fā)現(xiàn)，編號(hào)為11的組合條件下，涂層抗彎曲性能和耐沖擊性能良好，且耐鹽霧性能達(dá)到了1 000 h。因此，確定水性減阻耐磨涂料中氧化鐵紅的添加量為12 %、三聚磷酸鋁的添加量為7 %、磷酸鋅的添加量為5 %，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)成膜樹(shù)脂體系、成膜助劑以及顏填料體系進(jìn)行研究，得到水性減阻耐磨環(huán)氧涂料的基本配方。通過(guò)將中等相對(duì)分子質(zhì)量和高相對(duì)分子質(zhì)量的水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液進(jìn)行物理共混改性、優(yōu)化樹(shù)脂與固化劑用量配比、復(fù)配丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚作為成膜助劑，使涂層具有合適的表干時(shí)間、良好的抗彎曲性能和耐沖擊性能。搭配不同類(lèi)型的防銹填料，通過(guò)正交試驗(yàn)篩選出最佳的防銹填料添加量組合，涂層耐鹽霧試驗(yàn)達(dá)到1 000 h，不起泡、不開(kāi)裂、不脫落、不生銹。