熔结环氧粉末涂料的流变热力学模型

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1、熔结环氧粉末涂料的流变热力学模型Rheokineticmodelingoffusionbondedepoxypowdercoatingsatstandardandlowapplicationtemperature美国DOW化学公司涂料分公司MAShafi等著王向农译18thInternationalConferenceonPipelineProtection,Nov.2009摘要：在熔结环氧粉末（FBE）涂敷过程中，粉末必须熔融、流淌和固化，然后再进行骤冷处理。熔结环氧粉末（FBE）的最小熔体粘度是关键，因为它影响涂

2、料胶凝前能否在底材上形成均匀一致的涂层的能力。因此，要达到最佳涂层性能，使熔结环氧粉末（FBE）的流变学性能与固化动力学性能之间达到正确的平衡就变得非常重要了。本文讨论了如何应用动力学和流变学模型工具预测熔结环氧粉末（FBE）的熔体粘度和固化特征，以及如何用此方法为不同的涂敷温度选择适宜的熔结环氧粉末（FBE）涂料。一、引言熔结环氧粉末（FBE）属于单组分、热固化、热固型环氧系统。熔结环氧粉末（FBE）作为管道防腐层已经有四十多年了。熔结环氧粉末（FBE）不仅可以单独作为管道防腐层，也可以作为三层聚烯烃管道防腐层的底

3、漆。按照典型的熔结环氧粉末（FBE）涂敷工艺，钢管先要经过全面的表面预处理，然后，通过燃气或者感应加热装置使钢管温度升高到240℃。此时，将熔结环氧粉末（FBE）喷撒在炽热的钢管上，经过2–3分钟足够时间的固化，防腐管再用水骤冷。目前，人们非常关注研发适合高抗拉强度钢管的熔结环氧粉末（FBE）17配方。对于高抗拉强度钢管，熔结环氧粉末（FBE）的涂敷温度需要比常规钢管采用的240℃涂敷温度低50℃–60℃。按照工业生产速度，固化时间为2–3分钟，如果在大约180℃的较低温度下，标准熔结环氧粉末（FBE）涂料无法达到应

4、有性能，因此也无法提供有效的防腐保护。为了尽快开发出适合较低温度下涂敷的熔结环氧粉末（FBE）最佳配方，我们尝试用数学模型作为放大试验的工具。为此，我们收集了大量实验室装置的试验数据，然后，用它们预测熔结环氧粉末（FBE）在实际工业涂敷条件下的性能。本文讨论了固化反应、环氧树脂分子结构、流变学变化过程，以及在数学方程中如何引用这些特性。然后，用数学模型预测工业涂敷条件下的材料特性，从而可以优化用于高强度钢管的涂料配方的性能。为了获得有理想的机械性能的保护涂层，有合适配方的熔结环氧粉末（FBE）必须在指定温度下熔融、流

5、淌和固化。要形成具有最佳物理特性的均匀光滑的涂膜，熔结环氧粉末（FBE）在实际工业涂敷温度下达到的最小粘度起到了非常重要的作用。管道涂料工业已经开发成一系列标准实验室试验方法，可以评价熔结环氧粉末（FBE）涂层的性能，也可以评价粉末涂料的流动与固化特性。典型的涂料试验包括棒材弯曲试验、高温潮湿附着力试验、抗阴极剥离性能试验。通过测量胶凝时间、变稠流动和差示扫描量热法（DSC）分析，评价熔结环氧粉末（FBE）涂料的性能。在维持规定温度的热板上混合时，根据熔结环氧粉末（FBE）涂料样品发展到胶凝状态所用的时间，17作为胶

6、凝时间。变稠流动试验测量涂料受热时的流动能力。在差示扫描量热法（DSC）分析中，两次连续温度扫描之间，用玻璃化温度增加的量说明固化反应的完成程度。在控制熔结环氧粉末（FBE）涂料的质量和一致性以及涂敷条件中，这些试验方法是非常有用的。但是，它们提供的信息很有限，因此，很难区别流动和固化有关问题，这些问题会影响涂料试验结果。此外，变稠流动试验和胶凝时间试验说明熔结环氧粉末（FBE）涂料的熔体流动和固化特性，但是，需要的时间比实际涂敷条件下观察时间要长很多。二、固化反应过程中的结构与特性变化作为管道防腐层的所有熔结环氧粉

7、末（FBE）涂料配方都含有固体环氧树脂。图1是熔结环氧粉末（FBE）涂料配方典型的等温固化曲线。图1熔结环氧粉末（FBE）涂料配方典型的等温固化曲线图1展示了转换程度、反应速度、配方粘度随时间变化。初始固化反应的动力学（图1中的①区）取决于官能团的类型和特性以及配方中催化剂的用量。在这段时间里，分子量、材料粘度和玻璃化温度随固化程度成线性增长。17随着固化反应的进行，产生了额外的官能团，起到了催化固化反应的作用。即使在反应过程中环氧基的浓度不断减小，但是，由于在固化反应期间产生的新官能团的自催化效应，固化反应速度加快

8、了。在自催化反应区域（图1中的②区），分子量和粘度显示更强的与固化程度相关的非线性关系。但是，玻璃化温度依然随固化程度成线性增长。随着固化反应的继续进行，交联程度增加，开始形成直观胶凝。首次出现直观胶凝的温度通常叫做胶凝温度（图1中的③区）。在此温度，涂料配方的分子量和粘度趋近无穷大，在所有实际用途中涂料停止流动。在胶凝温度下，涂料依然含有可观