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聚天冬氨酸双涂层带锈涂料系统

作者:Todd Williams博士,涂料、粘合剂和特殊化学品业务部腐蚀保护经理和Ahren Olson,腐蚀防护市场经理|美国宾夕法尼亚州匹兹堡的拜耳材料科技公司   |  发表于:2016-02-24   |  关键词:树脂,聚氨酯涂料,环氧树脂,地坪涂料,   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志2月刊

在20世纪90年代和21世纪初,来自新兴市场的竞争加剧,促使许多大型制造工厂将生产外包。最近,我们目睹了国内制造业的重新上扬,这是由于国际运输成本的增加,和因受设计、建造、机器人技术,精益六西格玛分析和价值流图析等趋势的推动而导致的国内制造业生产效率的提高。这些工具有助于识别提高生产利润和节约涂装工艺成本的方法。这些方法包括使用自动化喷砂设备来降低表面处理时间、使用多组分喷涂设备来减少浪费和降低VOC、使用机器人涂装来提高效率和进行质量控制,在运到施工现场之前就在加工车间对钢结构进行涂装。

在过去的10年中,聚天冬氨酸涂料的工业维护涂料已经证明具有行之有效的性能并在各种腐蚀防护应用中提高了生产效率。本文综述了聚天冬氨酸涂料的化学结构和技术性能,概述了与传统涂料相比的优缺点。

背景

聚天冬氨酸是一类特殊的受阻仲胺,根据特定涂料应用所需的性能,其反应性可以根据客户的需求定制。这些胺的反应性在很大程度上受它们的空间位阻和分子内氢键的影响。与典型的仲胺相比,聚天冬氨酸的化学结构允许涂料配制成具有足够长的适用期而可以使用传统的施工设备。选择特定的聚天冬氨酸树脂和多异氰酸酯,配方设计师能优化特定用途的适用期和干燥时间。例如,车间施工的涂料可配制成多组分涂装,这样能进一步提高生产效率。

相比传统的聚氨酯化学,聚天冬氨酸化学品中胺和多异氰酸酯之间增强的反应性使配方设计师可以不使用锡催化剂,这样涂料以比传统的聚氨酯涂料更高的膜厚施工。且没有聚氨酯涂料在较高湿度下施工时由于用锡催化异氰酸酯与水的反应产生二氧化碳气体而导致的微起泡现象(图1)。

图1

没有锡催化剂的帮助,水与异氰酸酯的反应速率没有聚天冬氨酸树脂与异氰酸酯的反应速率有竞争优势,溶解的水或空气中的水蒸气会催化聚天冬氨酸的固化反应。这样能使独特的情况发生,即由于涂层的表面区域与暴露于大气中的水分接触,涂层能快速固化,但配方仍保持可施工的适用期。图2显示了室温下湿度对多异氰酸酯和聚天冬氨酸树脂的反应转化率的影响。在100%的湿度下,反应在不到20分钟的时间内完全转化。相反地,在0%的湿度下,一小时后的反应转化率只达到10%。

图2

大气中水分的催化作用是有益的;然而它们可能会导致涂层以不同速度干燥,这取决于环境条件。基于传统多异氰酸酯的三聚体和缩二脲的早期涂料配方对温度和湿度条件敏感,它们不仅会影响干燥时间,也会影响修补时重涂附着力的范围。在较高的温度和湿度环境中,涂料能快速交联,从而赋予高的耐化学品性,影响重涂涂料渗透进入原始涂层的能力。这会导致涂层间附着破坏。拜耳公司开发了第二代异氰酸酯交联剂,其反应性被设计成可以克服上述问题1。异氰酸酯交联剂能在交联密度、反应性和耐化学品性之间达到平衡,从而导致了性能之间的完美平衡。

当最终用户评价生产率时,厚膜施工是有利的,这些施工也会创造其它一些不太明显的优点。文献中已有记载能提高生产效率2,3,同时本身也证明了由于劳动力成本的降低会降低生命周期成本4,5。除了明显的生产率优势外,较少的涂装道数会减少浪费,较少的步骤降低了复杂性。厚膜聚天冬氨酸施工的其它优点还包括:能在低温下固化,低VOC配方、与豁免VOC溶剂兼容,有优异的边缘覆盖性和耐候性。

由于上述优点,聚天冬氨酸技术已经成功地应用于许多涂料。目前,聚天冬氨酸配方最受欢迎的用途是住宅地坪涂料,这是由于该技术能快速干燥并尽快恢复投入使用和优异的耐候性。其它用途包括工业维护和工业装饰。虽然这些市场更厌恶风险,多年来的案例研究证明了该技术在许多要求苛刻的用途和环境中能长期保持良好的性能。最近,对双涂层聚天冬氨酸涂料技术进行了三项独立的研究评估。该研究由NEPCOAT6进行,NEPCOAT是英国哥伦比亚交通运输部7和联邦公路管理局8。所有这三项研究发现,双涂层锌/聚天冬氨酸系统所提供的性能相当于三涂层锌/环氧树脂/聚氨酯体系。

案例研究

有几个案例研究了工业维护聚天冬氨酸技术在一系列用途中的使用寿命,这些已有文件记载。这些研究强调了聚天冬氨酸涂料在这些用途中的长期性能(超过八年):

•带锈(DTM,直涂金属)的料斗轨道车的聚天冬氨酸涂料的维护应用9;

•车间施工的钢结构上的聚天冬氨酸带锈涂料10;

•桥梁上双涂层维护用途的聚天冬氨酸涂料。

在每一种用途中,能厚膜施工、快速固化、耐紫外光降解是这些选择所要考虑的关键因素。
案例研究1-户外轨道车

2002年,经过美国防护涂料协会商业级喷砂清理(SSPC SP-6)后,52辆料斗轨道车用聚天冬氨酸带锈涂料进行了涂装(图3)。将涂料用无气喷涂施工成8~12密耳厚的干膜厚度。每辆轨道车在聚天冬氨酸涂料施工约3.5小时后被打上钢印,将车厢移至户外,以便接下来涂装下一辆轨道车。与可替代的耐候性涂料体系(环氧/聚氨酯)相比,单涂层聚天冬氨酸涂层能节省约33%的劳动力,将总的涂装时间降低了三分之一,从15.5小时至10.5小时9。图4显示了连连续服务超过11年的火车车厢顶部难以涂装的过道区域的涂层边缘覆盖性和防腐蚀的情况。通常情况下轨道车是经过10年后重涂;然而,这些涂层远远超过了传统涂层的生命周期,这是由于其固有的紫外光稳定性和厚膜的性能特征。

图3

案例研究2-海军陆战队博物馆

2005年,位于美国弗吉尼亚州匡蒂科的一个新的海军陆战队博物馆迅速建造起来,既是对海军陆战队230年历史的赞颂,也有助于促成所有美国人欣赏的自由。博物馆在很紧的时间内建造,并有严格的财政预算约束。其中央是一个由钢结构梁支撑的一飞冲天的中庭天窗。为了满足开幕仪式的要求,要加快建造的进程,同时又要避免钢梁竖起就位后的涂装成本和困难,钢梁在建造车间就使用聚天冬氨酸带锈涂料(DTM)涂装。该涂料的快速固化时间使得钢梁能迅速移出建造车间,涂层固有的光稳定性保证了涂层在直接暴露于阳光下而随着时间的流逝不会褪色。一旦建造和涂装后,将梁在现场进行仔细组装,并作为中庭的主要结构支撑物(图5)。

这个博物馆经过八年使用后再次访问时的情况见图6,钢结构涂层的外观保持完好无损,没有发现褪色或失去光泽。维护人员报告说他们都非常满意直到目前为止涂层的性能,从最初涂装后,只有经常触摸、要高通量的扶手需要进行小的维修。

案例研究3-康涅狄格州桥梁1186和1189

2002年,康涅狄格州的交通运输部(DOT CT)研究了使用双涂层聚天冬氨酸(环氧富锌/聚天冬氨酸)与传统的三涂层体系(锌/环氧/聚氨酯)相比的性能和成本节约情况。双涂层聚天冬氨酸技术首次涂装是2002年在一座小桥的地下通道I-84上。康涅狄格州的交通运输部(DOT CT)在2013年对使用了11年的桥梁进行了重新评估(图7)。涂层的状况很好。CT DOT没有计划对这座桥梁在不久的将来进行额外的维护。
由于双涂层聚天冬氨酸系统的初步成功,对另一个I-84立交桥启动了对聚天冬氨酸技术和传统的三涂层体系的正面交锋的评价(图8)。在2002年至2003年CT DOT的文件中记录了双涂层聚天冬氨酸系统相对于三涂层体系在时间和成本上的节约,通过快速部署,每平方英尺节约大约为6美元,当考虑到较少交通拥挤的优点,每平方英尺的间接成本节约大约为18美元4。三涂层体系每天涂布的面积约为383平方英尺,而双涂层体系每天涂布的面积约为504平方英尺,意味着将生产效率提高了31%。

经过11年使用后,在2013年分别检查了桥梁1199三涂层和双涂层两边的情况。这座桥在2010年已由第三方检验机构的检查人员进行检测,他说两边的整体锈蚀情况都不到2%。三涂层和双涂层体系性能相当。总的来说,传统的三涂层体系情况优异,几乎没有腐蚀的迹象(图9)。双涂层体系情况看起来不错,但确实有锈蚀的区域,这是由于施工不够和表面处理得较差导致的。在聚天冬氨酸涂料正确施工的区域,涂层的状况仍然优异。




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