粉末喷涂法制作PE防腐层可行性分析
周 妍
甘肃石油和化工
钢材是管道工程中使用最为广泛的材料,该材料易腐蚀的特性决定了管道工程中防腐处理的重要性。受管道几何结构的限制,内防腐与外防腐相比较,选材范围小,施工困难。例如,用塑料记忆合金预制管道内衬,工艺要求很高;用尼龙软衬,只能现场施工,且应用范围受到局限[1]。树脂粉末喷涂法是一种有效的防腐手段,生产方式灵活,较少受到设备结构的限制,可应用于管道和管件防腐。随着我国目前城市集中供气工程的铺开,粉末喷涂防腐的前景逐步被看好。根据我所从事管道生产多年来积累的技术经验,我们通过实验对聚乙烯(PE)粉末喷涂防腐的工艺作如下探索。
摘要:聚乙烯防腐性能优异,粉末喷涂法则适合在形状复杂、不适宜包覆防腐的设备表面做防腐层。介绍了用粉末喷涂法制作PE防腐涂层的实验过程,研究用该方法制作管道防腐涂层的可行性。
关键词:防腐;聚乙烯;粉末涂覆
1 实验
1.1 实验目的
树脂粉末喷涂基本工艺过程如图1所示(讨论实线所示流程)。
本实验旨在通过对此过程的研究,确定用粉末喷涂法制作钢管防腐工艺的可行性,包括:选材;预处理要求;粉末附着方法;粉末附着厚度;烧结温度;烧结时间。
1.2 实验方案
1.2.1 确定基础材料
我们选择的实验用基材是轴向破开的45×3.5 mm普通结构管,制作出不同的粗糙度,模拟被防腐的钢材。
1.2.2 确定防腐材料
根据我所多年从事管道外防腐积累的生产应用经验,聚乙烯价格低廉(杜邦公司与廊坊永和化工有限公司价格均为14 000元/t;环氧粉末市场价格约为25 000元/t),常温下化学稳定性好,是理想的防腐材料。我所现外包覆用底胶料与钢材和PE均有理想的黏结性。实验初步确定,将底胶粒料磨成粉料作第一层涂覆(底胶料主要成分为马来酸酐接枝改性PE),第二层涂覆PE粉料。经市场调研,选定廊坊永和塑料公司YH-106型LLDPE粉料为实验用防腐原材料。据资料介绍,这种粉料是加入马来酸酐的改性PE,与底胶料相似;通过对小样作涂层抗剥离强度实验分析,该粉料与钢材的黏结性能较好。故确定实验采用PE粉料直接喷涂。
1.2.3 确定考核指标
防腐层性能包括加工性能、机械性能和耐蚀性。由于涂覆与包覆主要差别是成型工艺,所以本实验着重考察其机械性能及加工性能,对耐蚀性仅做推定。剥离强度是防腐层各项性能中重要的考核指标之一,直接关系它的使用效果与使用寿命。
用静电喷涂机做小样后分析,光靠静电力使粉末附着,粉末熔结后干膜厚度在100μm以下(重防腐一般要求干膜厚度至少在200μm以上[2]),所以采用试片预热后再静电喷涂的方法涂覆PE粉末。喷涂后的试样在马福炉中加热熔结,自然冷却后,参照GB/T2792-81测定附着力的实验方法与河北宣化防腐钢管总厂《LLDPE涂覆钢管技术资料》中的相关内容,确定以10×100 mm的矩形划痕格内区域进行剥离强度实验。
1.3 实验过程
根据以上方案与小样结果,确定本实验为多影响因素单考核指标的正交实验。影响因素为:基材表面粗糙度、喷粉厚度、烧结时间、烧结温度;考核指标为剥离强度。由于喷粉层厚度不能直接用电磁测厚仪测量(接触式探头可将粉末粘下),故以喷涂时间粗略估计喷粉厚度。选取正交表L16(45)。确定影响因素位级表(见表1)。
1.4 实验结果
见表2。
1.5 实验结果分析
1.5.1 计算分析
实验结果计算分析见表3。
1.5.2 各因素对考核指标的影响趋势分析
各因素对考核指标的影响趋势分析见图2。
1.5.3 分析结论
由以上分析可得:①对附着力影响最大的因素是表面粗糙度和熔结时间,但粗糙度对剥离强度的影响趋势并不像理论上预想的那样,粗糙度越大,剥离强度越高,综合试件外观,认为熔结时间为关键影响因素。②各影响因素最理想的组合为2,2,3,4,即粗糙度:锚纹深度≥1μm;喷粉时间:时间超过或等于5 s(干膜厚度应在100μm以上);熔结时间:12 min左右;熔结温度:275℃左右。针对上述结论,补充实验设计及结果如表4、5所列。以上检验指标与该PE粉料成品检测值相比较,厚度值不理想。在实验中可以观察到,当试片上聚集的粉末达到一定厚度时,粉末离开喷枪口后会改变飞行路线,向四周散逸。这是由于粉末在钢材表面形成一层绝缘层,地线不能将静电引走,从而使试件表面带与粉末同性的静电,互相排斥,不能继续附着。即使将试件预热喷涂,得到的干膜明显增厚,但在喷涂过程中还是能观察到这种互斥现象。如果在生产中采用反复喷涂熔结的方法,静电喷涂的缺陷将更加难以克服。
3 讨论
聚乙烯有很强的化学稳定性,在使用温度要求不高时,是很好的防腐材料。但由于聚乙烯为非极性分子材料,它与钢材的结合力很差。与钢材结合力较好的有机高分子材料使用比较广泛的有:乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA),马来酸酐改性聚乙烯料(即顺丁烯二酸酐共聚物,ethylene-maleic anhy-dride copolymer,EMA)以及环氧树脂等[3]。目前环氧树脂与钢材的黏结机理已有公认的解释,即认为该高分子材料在与钢材表面完全连续紧密结合时,2种材料在界面处除范德华力外,还形成了某种程度的化学键。
本实验中采用的PE粉料也经过了马来酸酐改性处理,只是接枝较少,总体性能基本介于EMA与普通PE之间。用该粉末制作钢材防腐,生产方式灵活。如果聚乙烯改性状况稳定,可以适当放宽材料预处理的要求,降低工艺成本。由于本实验的目的在于探索制作PE喷涂防腐的工艺,偏重于考察它的机械性能,没有深入研究该材料的化学防腐性能,目前只是推断它的适用工况条件。喷涂防腐的应力状况与外包覆防腐不同,材料也有所区别(外包覆材料为低压高密度聚乙烯,喷涂用粉末料为线形低密度聚乙烯,即LLDPE,有更好的韧性和延展性),它在酸、碱等介质作用下的使用状况还有待进一步的实验来验证。
图略
参考文献略
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