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涂塑钢管厂04

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目前对于Ф100mm以上的大管径防腐输水管道,大多采用喷涂或浸涂的方法进行涂装,但这些涂装方法施工困难,耗能较高。本文通过与以往涂装工艺的比较,开发了一种适用于Ф100mm以上防腐管道的热滚涂工艺,大大提高了涂装效率,节省了能耗,具有很好的发展前景。

重防腐涂料是一种在严酷的腐蚀环境下能长期有效使用的涂料,为了实现重防腐目标,涂层厚膜化成为必然,同时对涂料基体树脂与助剂的选用、基材的表面处理与涂装施工、维护等要求也十分严格。这类防腐材料以往大多采用液体涂料,通常需要多道涂装才能达到要求。随着科技的进步,新材料的涌现,粉末涂料具有的安全高效、无污染等优点在重防腐涂装中发挥着越来越重要的作用。

与普通粉末涂料相比,重防腐粉末涂料在功能上有所不同。常规粉末涂料虽然也注重对基材的保护,但其装饰作用往往处于较重要的位置,但重防腐粉末涂料侧重于对底材的保护功能,且主要用作工业涂料,批量大,生产作业速度快,涂装方式往往采取快速地加热熔化与固化的方式,因此国外将这类粉末涂料称之为热结环氧(Fusion Bonded Epoxy,简称FBE)粉末涂料。

改革开放以来,国外的先进技术逐渐引入国内,涌现出PE涂塑钢管、衬塑钢管等技术和产品,近期国内研制开发并生产出重防腐粉末涂层钢管。如图1所示,涂塑用的PE树脂大多是线性高聚物,分子量10000以上,分子极性键少而弱,因此对基材的粘附力差。重防腐粉末涂料用的热固性环氧树脂分子量多在1500~3000,分子小,对经过“抛丸”或“喷砂”处理的工件浸润性好,附着力强,这就是3PE管道内涂层采用FBE的原因所在。从图2可以看出,热塑性PE涂层的孔隙率明显高于热固性环氧涂层,小分子很容易通过孔隙渗进涂层,腐蚀底材。

热塑性PE和热固性环氧的树脂结构有着很大差异,因此形成的涂膜性能也有所不同。如表1所述,熔结环氧的配方和涂装工艺较之以前的涂塑钢管有了很大改进,配方更加合理,涂膜耐化学品性、柔韧性和附着力更优异,各项性能更完善,使用寿命延长。除静电喷涂外,熔结环氧粉末涂料还可采用多种方法涂装,涂装后的管材适用于各行各业,显示出十分广阔的市场前景。

目前重防腐粉末涂料常用的涂装方法有:热喷涂、冷喷涂、热浸涂、热甩涂和热吸涂等。热喷涂是最普遍也是最常见的重防腐粉末涂装方法,适用于Ф50mm以上的管道外涂装。经过严格前处理的被涂管件用预热炉或中频设备加热,预热温度没有严格限定,一般不高于250℃。预热后的管件进入喷室进行粉末静电喷涂,然后进入固化炉烘烤固化,并自然冷却或水冷却。这种涂装方式可流水线作业,也可间歇式生产,前者生产效率较高。但这种生产方式能耗高,并且只能涂装管径适中的管道,大管径钢管涂装比较困难。冷喷涂省去了预热过程,可以直接喷涂,但加强级防腐管道的外涂装其涂膜厚度难以满足要求(SY/T0315-2005单层熔结环氧外涂技术规范),喷涂过程中当管件达到静电饱和状态时,就会出现上粉困难和振动落粉情况,膜厚难以达到600μm以上。涂膜固化过程所需时间更长。虽然这种方法可以用在Ф1000mm以上的大管径内涂装,但存在涂膜厚度不均和涂装效率低的问题。热浸涂技术也是最近几年发展起来的一种简便的涂装方法,可以实现钢管的内外壁同时涂覆,省去了喷涂环节的时间,生产效率更高。这种方法需要一口底部带有流化设备的竖井,将粉末倒入井中并使其流化,然后将预热好的管件放入竖井,浸涂3~8s后取出(浸涂时间与预热温度有关),即可完成钢管的内外壁同时涂覆。这种方法涂覆的钢管膜厚较均匀,施工简单,设备占地面积小,生产效率高,不适合带有法兰的钢管浸涂,法兰的阻力和挂粉对涂装生产带来不便。热甩涂也是一种较新的钢管涂覆方式,仅用于大管径钢管的内涂装。该涂覆方法需要专门的输粉设备,将其探入热管内,通过旋转将粉末离心甩出并附着在已经预热的管道内壁,粉末熔融固化。这种方法形成的涂膜均匀性不佳,操作繁琐。热吸涂主要针对Ф50mm以下的小管径钢管的内涂,采用特殊设备将粉末从管道的一端吸入粉末涂料,并将其送至管道另一端,粉末在管内受热熔融并附着在管壁上,完成内壁涂装。该方法涂装效率高,但回收粉不宜重复再利用。

以上所阐述的几种涂装方式几乎可以完成所有中小管径钢管的内外涂装,但是对于在Ф200mm以上的偏大型钢管的涂装都存在一定的难度,尤其是Ф1000mm*8mm-2000mm*8mm范围的超大口径钢管,对于涂膜厚度的均匀性和高的固化程度都提出了更高的要求。对于大管如果采用冷喷涂再固化的方法,会降低涂装效率,并且很难实现厚涂装和均匀的涂装,另外在搬运过程中可能会遇到粉末掉落或者蹭掉的可能性。如果采用热喷涂,因为钢管处在高温状态,人不能进入里面喷涂,如果采用设备喷涂,必然要求有一定的支撑受力点,并且考虑设备耐温性和根据管件直径的变化要作相应的调整,操作起来很繁琐。另外喷涂需要时间,这段时间内管件会随之降温,等喷涂完成时,管件前后温度存在差异,因此涂装会有很大难度。另外,热浸涂不适合超大口径管道。竖井直径及流化板耐气压问题解决不了。也不适合口径在50mm以下口径,更不适合超长(10米以上)管道,后序仍需加热,效率低。吸涂最适合小口径50mm以下管径,只有用此法内涂,300mm以上直径没法吸涂。甩涂工艺涂覆效率相对比较低,操作困难,都不能达到很好的效果。因此,我们设计开发了一种针对大口径钢管热滚涂专用的熔结环氧粉末涂料,这种粉末涂料和以往的熔结型环氧重防腐粉末涂料不同。无论从配方还是工艺上,都有所改进,不仅一次解决内涂装问题,甚至还可以内外一起涂装。并且能耗低,符合国家环保要求,解决了以往大口径钢管防腐粉末涂装上的困难。滚涂工艺,也叫旋转成型或回转成型工艺,是五十年代由欧洲发展起来的, 以后传入美国、日本等地。这种成型工艺开始只是用液状、糊状树脂作原料, 成型玩具等, 且只是把它作为注射成型、中空成型、热成型的一个补充,60年代初粉状问世, 滚塑工艺便因为热塑性塑料的粉末成型法而获得较大的发展。到七十年代, 这种工艺不仅可成型小制品, 而且可成型大型制品和超大型制品,并且制品可为开放式, 也可为密闭式。滚塑工艺也在不断发展,设备模具在不断改进,制品品种在不断增加,制品质量在不断提高,所用原料不仅限于热塑性塑料, 用热固性树脂也成功地做出了优良制品。随着自动化水平不断提高, 程序控制及微处理机已成功应用于滚塑过程, 整个成型过程都可为自动控制。目前, 欧洲、美国、日本都在争相使用和研究发展该工艺,我国已有几家采用该工艺, 滚塑设备有的是引进设备, 也有自己设计制造的设备。热滚涂工艺是无压成形, 离心力也不会施加制品上,无内应力, 无取向性或残余应变, 也不致发生凹陷、变形和开裂等弊病。并且都是整体成形, 几乎所有的原料都转换成制品, 无浪费、无费弃物污染环境。成型件壁厚均匀,仅仅改变加料量并调节钢管转速即可生产预想膜厚的涂层。通过不同材料的组合, 可得到综合性能好的兼有各原料特点的涂层。该工艺成型简单, 适应性强, 设备及涂覆工具结构简单, 加工制造方便迅速, 成本低廉。我们结合重防腐熔结型环氧粉末涂料的特点,配合热滚涂工艺,解决了Ф100mm以上大口径钢管的涂装难的问题。3.3 大口径钢管热滚涂的设备和流程这种涂覆方法设备简单,只需要一个固定炉,两个固定脚轮,和一个送料槽。轮子可以有单机带动,也可以人工转动。将粉末倒入热管中,转动钢管即可涂覆。操作流程如下:前处理 → 230-240℃预热 → 置于脚轮上滚动 → 加粉 → 转动固化 → 冷却热滚涂设备见图三

 

从表二中可以看出,热滚涂工艺对于大口径管道的涂装具有现实意义,它具有很多其他涂装方式没有的优势。
1、余热固化。先将管道采用加热炉加热或中频加热,滚涂好后,就不再加热,固化完成率高,涂层性能优异。
2、生产效率高。整个滚涂过程可在十秒至四十秒内完成。
3、适合超大管径。108mm---3000mm均可采用此工艺涂装。
4、膜厚均匀,比喷涂和浸涂更容易控制膜厚。
5、无损耗,所有粉末全部转化为涂层,成本低。
6、内、外可同时滚涂,一次完工。
这种工艺的各种优势使其具有很好的发展前景。

环氧树脂的分子结构中存在大量的苯环、醚键、羟基结构,对基材特别是金属基材具有优异的附着性,耐热、耐化学品腐蚀性,形成的涂层具有优异的机械强度,如硬度、耐冷热;冲击和机械折弯等性能。此外,环氧树脂与固化剂的多品种化为组合多样化的粉末涂料配方体系提供了可能性,也为各种复杂环境用的粉末涂料提供了多种选择,上述优点使环氧树脂成为重防腐粉末涂料的首选树脂。

双酚A型环氧树脂的结构如图四所示,由于其具有粘结性又有柔韧性,以及很好的耐化学药品性和耐温性,使其成为了大口径钢管热滚涂的主要成膜物质。

另外,为了增加涂层和底材的粘接力,并且进一步提高涂层的交联密度,从而提高涂膜的防腐性能,我们在配方中加入了酚醛改性环氧树脂。这种环氧树脂耐温性好,交联密度高,和具有柔韧性的双酚A型环氧树脂搭配使用,既满足了涂层的柔韧性,又兼顾了附着力和交联密度。酚醛改性环氧树脂的结构如图五所示。

为了提高环氧粉末涂料的耐腐蚀性、耐冲击性与韧性,采用一种新型的酚类固化剂,使环氧粉末涂料的防腐性与物理机械性能有很大提高,适合于重防腐蚀领域应用。针对这一研究项目,国外学者在这方面做了大量的研究工作,并且有些已应用于生产,如美国DOW的D.E.R DH84、瑞士Ciba-Geigy公司的CTAB Aradur3082,壳牌公司的Epicure202等均是酚类固化剂。其结构式如图六所示。

目前最常用且最经济的促进剂为2-甲基咪唑,某些新型的促进剂具有抗泛黄,提高贮存稳定性的作用。此类固化体系的涂膜附着力、柔韧性、抗冲击性、光亮度、流平性及防腐蚀性能均很好,无毒性,可用于与食品、饮用水等直接接触的涂料体系。咪唑类属于阴离子聚合型固化剂。这类固化剂对加成聚合型固化剂有着十分明显的促进作用。咪唑是具有两个氮原子的五元杂环化合物,其中一个氮原子构成仲胺,另一个氮原子构成叔胺。仲胺上的氢活性很大,引起环氧基开环。咪唑分子中2.4位置的碳原子上的氢可以被不同的基团取代,从而衍生出一大批咪唑的同系物。粉末涂料中最常用的是2-甲基咪唑和2-苯基咪唑啉,作为固化促进剂。

重防腐粉末涂料在热滚涂涂装过程中,因涂层需靠管道余热固化成膜,因此在选择颜料时应考虑其耐热的稳定性。有机颜料的耐热性一般较差。与此相反,无机颜料的耐热性非常好。多数有机颜料不能经受高温加工,适于高温着色的几乎全是无机颜料。重防腐粉末涂料可选择颜料如下:常选用的颜料有:氧化铁红(Iron Oxide);淡铬黄;中铬黄;碳黑(Carbon Black);石墨黑、金红石型(钛白)二氧化钛(Titanium dioxide);酞菁蓝、酞菁绿等。

粉末涂料用消泡剂,苯偶姻又称二苯乙醇酮(俗名安息香),系白色或浅黄色无气味的晶体熔点137℃,沸点344℃,微溶于水和乙醚,溶于热丙酮和热乙醇。是粉末涂料中有效的消泡剂。流平剂:PV88(进口)、788(南海药化)、CM506(昌明化学)等。抗划伤剂、增硬剂:主要是微晶蜡类,GR-1、W-1等。粉末松散剂:气相法白炭黑,氧化铝C等。

(1)热稳定性。材料在滚塑成型的宽加工范围内有符合要求的热稳定性,并且能防止磨碎成粉料时性能降低。大部分滚塑材料用抗氧剂,降低由于滚塑长时间加热对材料性能的负面影响,高温不易分解,加热挥发份少,不发烟或少发烟尘,无刺激性气味。
(2)材料熔体粘度必须足够低,已足以使材料浸渍钢管内表面,并熔融成均一体。衡量材料熔体流动性的一般指标是熔体熔融流动速率(MFR),单位为g/10min。工业上最常用的滚塑用聚乙烯的MFR为2~8g/10min(2.16kg,190℃下)
(3)良好的冲击强度。涂塑后能长期在低温环境使用,通常要求材料在低至-40℃下仍保持良好的抗冲击性能。
(4)耐环境应力开裂(ESCR)是材料长期耐受应力开裂介质接触的能力,按照通用的测试方法,认为可以接受的材料ESCR值一般应超过1000h。
(5)优异的柔韧性和附着力。
(6)折断(failure)伸长率应高,以符合大部分的应用要求。
(7)必须要有优良的流动性和良好的传热性,使材料在成型加热过程中均匀和快速分散开,不良的流动性将严重影响成型部件的最终外观。
(8)熔体流变行为和表面张力在材料致密化初期起主要作用,而在致密化后期,拦阻气泡中气体的扩散是十分重要的。低粘度材料趋向于快速熔融,拦截气体少,因而致密化快。
(9)将钢管与粉末涂料融为一体,形成一种新型的防腐管道,它既具有钢管的机械强度性能,又有塑料管耐腐蚀、不结垢、不易生长微生物,又能保证输送介质的纯度等优点,是输送酸、碱、盐、气体、矿浆等理想防腐管道。

通过调整配方,我们研发出了一种既耐温,又具有很好机械性能的粉末涂料。这种涂料专门适用于大管径热滚涂工艺的管道施工,具有良好的交联密度和反应活性,热滚涂后无需回炉加热固化,固化后的涂膜具有更好的防腐特性和对底材的附着力。各项指标满足SY/T 0442-2010和SY/T 0315-2005的标准,性能经过客户认可,得到了广泛的应用。

热滚涂专用熔结型环氧的特点
(1)反应速度快,240度1-3分钟完全固化;
(2)清洁无毒防腐蚀、防积垢、防滋生微生物;
(3)无渗出物、不污染介质;强度高、耐热、耐压性好、不老化、脆化;
(4)内壁光滑磨阻系数降低,介质流速增大,降低能耗,不缩小流通通径、提高输送效率;
(5)涂层附着力强、抗冲击性能好
(6)安装简便可靠,与普通镀锌管类似;
(7)耐候性好,适应苛刻的自然环境;
(8)使用寿命长,是其他钢管的三倍以上。

热滚涂专用熔结型环氧粉末涂料,是专门为大口径管道设计的一种专用涂料。因为它设备简单,施工方便,在一定程度上解决了Ф100mm以上的大管径防腐输水管道的难涂装问题,大大提高了大管径涂装效率,并且符合国家环保节能的政策,此项技术已经得到很多客户使用,具有很好的社会反响,给客户带来了很好的社会效益和经济效益。