摘 要:根据风电机组法兰面的耐磨性能要求，从理论和实验方面分析了水性无机富锌漆的技术性能，通过实验验证了水性无机富锌漆的耐磨性能，归纳和总结了耐磨涂层的施工方法和检测要点。
关键词:耐磨涂层; 水性无机富锌漆; 性能和特点; 涂装方法
在风力发电机组的金属零部件装配过程中，大部分零部件一般采用高强度螺栓和法兰进行装配连接，但是用高强度螺栓连接的风电零部件法兰接触面需要一定的摩擦系数来增大摩擦力，以达到法兰相互接触面的啮合力，从而确保风力发电机组零部件的连接紧密和装配技术条件实现，也确保零部件的结构配合。为此，需要研究和分析提高风电零部件的法兰接触面耐磨性能的技术和方法。一般常用的提高钢铁零件表面摩擦系数的措施有: 在法兰接触面喷丸( 砂) 后直接连接; 在法兰接触面喷丸( 砂) 再喷锌( 铝) 涂层。考虑到风电机组的实际使用情况和防腐防护的要求，只是在法兰面喷丸( 砂) 后直接连接，虽然法兰的接触面具备一定的粗糙度，但是其表面腐蚀问题没有得到根本解决，显然只是在法兰面喷丸( 砂) 的方法不可行; 而在法兰面进行热喷铝( 锌) 的方法不仅工艺操作复杂，而且容易受到零件待喷涂面的现状、涂装设备及操作工人的熟练程度等因素的制约，并且由于喷锌层的空隙率较大，腐蚀介质容易渗透至基材而产生腐蚀，因而这两种方法都存在一定的局限性，可选择性不强。为此，在综合分析和实验总结的基础上，本研究从水性无机富锌涂料和环氧富锌涂料的性能出发进行实际对比，实验分析和总结二者的耐磨性能和防腐性能，从而归纳出采用水性无机富锌涂料作为风电零部件法兰面耐磨涂层的涂装技术和工艺。
1 耐磨涂层的性能分析
1. 1 涂料产品的性能分析
考虑到风电法兰接触面需要优良的表面耐磨性和防腐蚀性能等要求，从常用的富锌涂料( 包括有机环氧富锌涂料和水性无机富锌涂料) 进行理论分析，二者的技术性能对比如下。
1. 1. 1 表面摩擦系数
在风电机组的设计中要求金属法兰等零部件连接面的表面摩擦系数≥0. 25，而环氧富锌涂料固化后漆膜表面光滑，经实验测算其漆膜表面的摩擦系数一般在 0. 25 以下，不能满足风电机组的金属法兰连接面所要求的摩擦系数，而水性无机富锌涂料的摩擦系数经实验测算则达到 0. 45 以上，能够满足金属法兰的耐磨性能要求。
1. 1. 2 附着力
由于水性无机富锌涂料在无机硅酸盐与锌粉反应的同时还与钢铁反应形成硅酸锌铁络合物，因而与钢铁表面形成很强的化学键，只要表面处理和粗糙度达到技术要求，在增加漆膜与基材接触面积的同时，也能确保锌粉与钢铁的紧密接触，从而可抵抗海水、氯化物等腐蚀介质的侵蚀。而环氧富锌涂料的附着力主要是树脂与钢铁表面的粘结力，属于物理吸附作用，初始附着力较好，由于有机物耐候性较差，在恶劣环境下更易老化，从而导致附着力慢慢下降，因此在附着力方面水性无机富锌涂料优于环氧富锌涂料。
1. 1. 3 耐腐蚀性
水性无机富锌涂料具有阴极保护作用和自修复性能。由于水性无机富锌涂料与钢铁基材反应生成硅酸锌铁络合物，是化学键结合，而环氧富锌涂料是一种高分子有机涂料，基本上为物理吸附，且成膜有机物的导电性能较差，在相同锌粉含量的情况下，水性无机富锌涂料的阴极保护作用效果要优于环氧富锌涂料。另据( 美国) 国家航空航天总署( NASA) 的报告，在各类富锌涂料中，耐腐蚀性最佳的是水性无机富锌涂料，其防腐防护寿命在海洋大气条件下可达 25 a 以上。
1. 1. 4 耐热性
风电机组在运行过程中，高强度螺栓连接的法兰接触面存在摩擦，可能导致摩擦面局部温度迅速升高，这就要求防腐涂层具有一定的耐热性能。水性无机富锌涂料固化而形成硬化膜是以聚硅氧烷( Si—O—Si) 相结合，Si—O键的结合能为445. 2 kJ / mol，比有机高分子C—C键结合能( 346. 9 kJ / mol) 要大得多，因此无机富锌漆固化后的耐热性更优，其能够耐受的最高连续温度为 400 ℃。而环氧富锌涂料是高分子有机物固化后成膜的，其通常耐受温度在 120 ℃以下。
综上分析所述，针对风电零部件法兰接触面的耐磨涂层的性能要求，选择了水性无机富锌涂料进行相关涂装实验和应用分析。
1. 2 材料的选择
1. 2. 1 涂料品种的选择
从涂料固化后的漆膜耐磨性能和防腐性能的要求来看，国内著名几大品牌的油漆厂商如: 赫普涂料公司、PPG 涂料公司、阿克苏诺贝尔( IP 国际) 涂料公司都有相应的涂料产品。从 3 家涂料公司生产无机富锌涂料的技术性能分析: 赫普涂料公司生产的无机富锌涂料( 15700) 是一种双组分、溶剂型、自固化的无机硅酸锌涂料，具有优异的耐候性和耐磨性，符合美国标准 ASTM －490 中 B 级规定的关于滑动系数及蠕变阻隔力的条件，其挥发性有机化合物( VOC) 含量为 535 g/L( 最大) ; PPG 涂料公司生产的无机富锌涂料( SIGMAZINC158) 是一种双组分、溶剂型、湿气固化无机硅酸锌底漆，具有优异的耐冲击及耐磨性能，符合美国标准 ASTM － 490 摩擦系数“B”级证书，其 VOC 含量为 507 g/L( 最大) ; IP 涂料公司生产的无机富锌涂料( Interzinc697) 是一种双组分、低 VOC 的水性无机锌硅酸盐底漆，适用于 TL918300 所要求的有高摩擦系数表面。从涂料性能及涂装施工的绿色环保和无污染角度出发，选 择 了 IP 涂 料 公 司 生 产 的 水 性 无 机 富 锌 底 涂 料( Interzinc697) 产品进行了涂装实验分析。
1. 2. 2 稀释剂的选择
按照 IP 涂料公司提供的水性无机富锌涂料( Interzinc 697) 产品说明书要求，需要使用水性稀释剂，而普通的矿物质水或城市饮用水含有较多的离子和矿物质，若使用其作为稀释剂对水性无机富锌进行稀释，则可能导致涂料溶解性变差，从而引起性能和施工质量问题。为此，选用几种不同品牌的瓶装饮用水作为稀释剂进行对比实验，测试不同品牌的瓶装饮用水的导电率来分析其洁净度，其实验结果见表 1。
从表 1 可以看出，根据导电率越大其洁净度越差的原则，判断出娃哈哈纯净水的洁净度更好，因此本实验选用娃哈哈纯净水作为水性无机富锌涂料( Interzinc697) 的稀释剂。
2 耐磨涂层的施工技术
2. 1 施工准备
水性无机富锌涂料( Interzinc697) 在固化过程中与钢铁表面形成化学键，必须保证涂料与钢铁表面充分接触，为此，要求待涂装的零部件表面粗糙度应达到 Sa2 1/2 级( 40 μm≤Rz≤75 μm) 的要求，因此必须对零部件表面进行喷砂处理。在零部件法兰面进行喷砂处理时，考虑到零部件的相关要求和对周围作业环境的影响程度，不推荐采用开放式喷丸( 砂) 机进行表面粗糙处理。经过对市场上几种品牌喷砂机的调查和试用分析，选用北京亿州科技有限公司生产的 YZR －2D 型循环回收式环保喷砂机，该型喷砂机不仅能够满足零部件表面处理过程中进行局部喷砂的要求，而且不破坏其他不需要处理或已涂装涂料的区域，并且喷砂后的磨料可以自动回收，对周围环境基本不产生影响。
该喷砂机使用 G40 和 G25 混合磨料，磨料混合质量比为3∶1，喷砂工作压力为 0. 4 ～ 0. 5 MPa，喷砂后使用 TR200 粗糙度测定仪测定已喷砂处理零部件表面的粗糙度。经实验检测，喷丸处理后的表面粗糙度 Rz 一般在50 ～70 μm 范围内，符合风电法兰面40 ～75 μm 的粗糙度及表面处理 Sa2 1/2 级的要求。
2. 2 涂装施工要点
为了保证涂装施工质量，根据 IP 涂料公司水性无机富锌涂料( Interzinc697) 的说明书，结合我公司风电机组零部件法兰面的施工要求和实际应用情况，总结归纳出相关施工要点:
( 1) 所有待涂表面应清洁、干燥且无污染物，应按照 SSPC－ SP1 标准的溶剂清理要求除去油和油脂，应严格遵守所有清洁度标准的要求。
( 2) 喷砂清理至 Sa2 1/2 级( ISO8501—1: 1988) 标准，如果在喷砂清理后施工 Interzinc697 时，如发现待涂基材表面已发生氧化生锈现象，应重新进行喷砂处理达到规定的要求。
( 3) 水性无机富锌涂料 Interzinc697 为两罐分装: 液体基料组分( A) 和锌粉末( B) ，使用时将 A、B 组分按照质量比 1∶ 4进行称量。混合时，把 B 组分缓慢加入到 A 组分中，切不可反过来操作，把液体加入锌粉中很容易导致结团，用机械搅拌器充分搅拌混合。
( 4) 施工前，混合的涂料应进行过滤。涂料一经混合，应在规定的活化使用期内用完。
( 5) 喷涂前用纯净水彻底清洗喷涂工具，以免污染涂料。若采用空气喷涂进行施工，由于水性无机富锌涂料锌粉含量很高，锌粉易沉淀在喷灌底部，导致漆料成分不均匀，故喷涂时需不断搅拌涂料。推荐采用重力式喷枪进行喷涂，保证锌粉和基料充分混合。根据喷涂技巧，可加入少量纯净水进行稀释，加入过多会导致漆膜厚度过低产生流挂和其他漆膜弊病。
( 6) 在整个贮存和使用期内均应确保 Interzinc697 不会产生冰冻的现象。
( 7) 施工时基材表面最低温度不应低于 10 ℃，且基材表面温度必须高于露点 3 ℃以上。施工和固化期间周围环境的相对湿度应在 50% ～60% 之间，否则漆膜固化和涂层复涂时间的间隔将会延长。
3 耐磨涂层的检测
3. 1 固化状况
水性无机富锌涂料喷涂后，表干很快( 30 ℃下约20 min) ，漆膜固化的检测方法有两种: 简易的方法可以用硬币或小刀刮擦已喷涂的漆面，如果仅有少量的锌粉刮下，漆面闪亮，说明固化 已 完 成。标 准 的 检 测 方 法 是 MEK 测 试 法，根 据ASTM4752，用白色棉布蘸上 MEK 试剂，来回在漆面上擦拭 50次，如果没有或者只有很轻微的变色说明漆膜固化已完成，如果变色严重，说明漆膜还未完成固化。
3. 2 厚度检测
采用 TT220 磁性测厚仪对涂层厚度进行测量，在对早期的实验涂层进行测量时发现其厚度高达 200 μm 以上，容易出现开裂的现象。规范喷涂工艺后，使用测厚仪测试涂层厚度，厚度范围在 60 ～ 80 μm，满足工艺要求。过厚会出现涂层龟裂、起层的现象，过薄则会导致喷砂形成的波峰难以覆盖，从而出现早期腐蚀，防腐性能下降。
3. 3 附着力检测
一般水性无机富锌底涂料的附着力检测方法采用国家标准 GB/T 5210—2006《涂层附着力的测定法 － 拉开法》进行检测，由于本次涂层厚度在 60 ～80 μm，不宜采用拉开法，因此采用划格法进行测试，测试结果为 0 级，附着力满足相关要求。
3. 4 抗滑移系数测定
抗滑移系数是耐磨涂层性能控制的关键参数，根据《ASTM A325 或 A490 螺栓结构联接规范》中附录 A 中的测试方法，测试本次实验样品的水性无机富锌涂料( Interzinc697)的表面摩擦系数( 抗滑移系数 μ) 。本次实验分别测定了 10组数据，其测试结果如表 2 所示。从表 2 实验数据分析及其平均值 0. 57 来看，其表面抗滑移系数能够满足风电机组法兰连接面所设计要求的表面抗滑移系数( 摩擦系数) ≥0. 25 的要求。在具体的风电法兰耐磨涂层的性能测试时，也同样参照《ASTM A325 或 A490 螺栓结构联接规范》中附录 A 中的测试方法进行。
4 结 语
通过上述耐磨涂层的实验，对风电机组的耐磨涂层进行了研究和总结，得出如下结论:
( 1) 施工水性无机富锌涂料对表面处理要求高，其表面喷砂处理等级必须达到 Sa2 1/2 级，表面粗糙度为 40 μm≤Rz≤75 μm 才能保证漆膜与基材充分的接触。如果粗糙度过高，会导致设计的涂层厚度不能覆盖喷砂后的波峰位置，出现早期腐蚀，导致防腐性能下降。粗糙度过低，导致漆料不能与钢铁基体充分啮合，引起漆膜的附着力降低，容易导致喷涂后的耐磨涂层脱落，因此表面处理必须达到要求。
( 2) 喷涂施工过程中应确保锌粉末( B) 与液体基料( A) 的充分混合，在使用吸力式喷枪时，由于锌粉易沉淀到壶底，会导致漆料和锌粉混合不均。采用重力式喷枪进行喷涂可以避免此问题的发生，同时喷涂过程中需要不断地搅拌，防止锌粉产生沉淀。
( 3) 水性无机富锌涂料由于与钢铁基体直接反应，形成化学键，与基材的附着力高。假如需要对无机富锌涂料进行修补，直接在富锌涂料表面施工是不可行的，由于外层的涂料不能与铁基体接触。在施工时尽量做到一次到位，如果需要进行修补，必须对修补区域重新进行喷砂处理去掉原有涂层后再施工。
( 4) 通常施工水性无机富锌涂料一般不必稀释，若在实际施工过程中考虑到黏度太稠的问题，可以加入少量洁净度好的纯净水( 如娃哈哈) 进行稀释，稀释用水的用量宜少不宜多，一般以不超过混合涂料总量的 5%为宜。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
