海上风力发电机塔筒用湿固化富锌底漆

摘 要：采用环氧改性湿固化聚氨酯树脂为基体树脂，鳞片状锌粉为防锈颜料，有机膨润土SD-2为防沉剂，研制了一种单组分湿固化富锌底漆。该涂料施工方便，且对底材表面处理要求低，与传统的富锌底漆相比，防腐性能更优，适用于高防腐要求的海上风力发电机塔筒。
在全球低碳经济不断发展的背景下，风力发电作为一种取之不尽的清洁能源，已成为当前世界各国竞相发展的新能源［1］。截至2008 年底，全球风电装机总容量为121 188 MW，风力发电量超过总发电量的1.5%。我国2008 年风力发电装机容量增长超过100%，总装机容量超过12 000 MW，成为亚洲第一，世界第三的风电大国。我国10 m 深近海的风能资源约1 亿kW，30 m 深近海的风能资源约4.9 亿kW，风能的量值是陆上风能的3 倍，海洋风力发电正在逐步成为主要发展方向。风电机组主要由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔筒、电子系统等组成。其中，塔筒所处的环境最为恶劣，同 时处于海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区之中［2］。塔筒又起支撑、固定整个风电机组的作用，对防腐性要求最高。由于风电机组投资昂贵，一次安 装需运行几十年，且其高度在30 m 以上，一次小小的维修，也免不了使用船舶或直升机，往往因风浪大，不易靠近，造成维护、维修成本很高。如果防腐处理不到位，风力发电机组会很快报废，因此 涂层设计通常要求达到15 a 基本不需维修的水平。传统海洋环境钢结构防腐底漆为无机富锌底漆或环氧富锌底漆，多组分混合使用，对温度及底材表面处理要求较高。
本文合成了一种单组分聚氨酯树脂并添加鳞片状锌粉，配制出一种单组分湿固化富锌底漆，有优异的施工性、低温固化性和耐腐蚀性，可取代传统富锌底漆，用于高防腐要求的风电机塔筒。
1 实验部分
1.1 原材料
E-12 环氧树脂： 壳牌；间苯二甲酸：工业级，北京燕山石化；己二酸：工业级，辽阳石油化工公司；2- 甲基-1，3 丙二醇：工业级，台湾；三羟甲基丙烷：工业级，无锡百川化工；钛酸正丁酯：分析纯，上海试剂厂；醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、甲苯二异氰酸酯 （TDI）：德国拜耳；片状锌粉：北京北矿锌业；苯甲酰氯：南通新盛化工；4- 乙基-2- 甲基-2-（3- 甲基丁基）-1，3恶唑烷：分析纯，Aldrich；铁钛粉：无锡万达；有机膨润土SD-2：海名斯。
1.2 聚酯树脂的合成
在四口烧瓶中加入一定量的2- 甲基-1，3 丙二醇、三羟甲基丙烷及二甲苯，搅拌，依次加入间苯二甲酸、己二酸、钛酸正丁酯，通CO2，并逐步升温至
140~145℃，回流后以10℃ /h 升温至200℃，在200℃下保温2 h，回流脱水，再以10℃ /h 升温至225℃，继续保温，回流脱水，待酸值小于4 mgKOH/g 时，冷却到80℃，加入其余溶剂，搅拌，过滤，出料。聚酯树脂技术指标：黏度在0.8~2 Pa·s，羟基含量为3.6%。
1.3 环氧改性聚氨酯树脂的合成
在烧瓶中加入质量分数为25% 的E-12 环氧树脂溶液、自制聚酯树脂，升温至125℃开始共沸脱水，再升温至140~145℃，脱水完成后，冷却至45℃，加入TDI，搅拌30 min，缓慢升温至90℃，保温3 h 后冷却到45℃，加入质量分数为0.05% 的苯甲酰氯，搅拌，过滤，出料，密封贮存。
1.4 涂料的制备
依次往容器中加入一定量的丁酮、甲苯、磷片状锌粉、铁钛粉、膨润土，高速搅拌均匀，加入适量脱水剂4- 乙基-2- 甲基-2-（3- 甲基丁基）-1，3恶唑烷，密闭贮存24 h，待水分完全脱除后，加入聚氨酯树脂，搅拌均匀，过滤，包装。
1.5 湿固化富锌底漆的性能
湿固化富锌底漆的性能指标见表1。

2 结果与讨论
2.1 树脂的选择
本试验采用高分子环氧树脂、柔性聚酯树脂与TDI 反应合成的湿固化聚氨酯树脂为基体树脂。由于该树脂的分子链上带有环氧、-NCO 等极性基团，与金属基材结合具有良好的渗透性和附着力；树脂固化后形成的聚脲结构使涂膜具有良好的强度、耐磨性、屏蔽性和耐化学介质性，又因湿固化聚氨酯 树脂的固化机理是靠分子链的-NCO 基团和空气中的水分反应交联，生成具良好湿附着力的聚脲结构，能除去金属基材表面微量的水分，解决了一般涂料在潮湿表面附着力差的缺点，提高了涂膜的防腐 性能，尤其在空气湿度大的沿海环境下作用非常明显。湿固化聚氨酯树脂的另一个优点是具有良好的低温反应性能，甚至在-10℃仍可固化，而传统的环氧富锌底 漆在5℃以下就基本停止反应。
2.2 防锈颜料的选择与添加量
目前市场上的富锌涂料多以球状锌粉为防锈颜料， 其球锌之间是以点接触的形式来传输电子，电流导通性能差［3］。为了保证涂层的导通性和使用寿命，料浆中锌 粉的用量通常高达80％以上。这样高的PVC值导致涂层结构的多孔性，孔隙度大，屏蔽性差。本试验采用鳞片状锌粉，其片之间是面接触，大大提高了电流导通 性能。经检测当锌含量在70% 时，使用鳞片状锌粉的湿固化富锌底漆体积电阻约104 Ω•m，而传统环氧富锌底漆体积电阻约106 Ω•m，两者相差100 倍。试验还发现：湿固化富锌底漆中鳞片状锌粉的用量降低到40%，其体积电阻无明显变化，说明低锌粉含量仍能够保证涂层良好的电化学保护性能。由于锌粉价 格比较昂贵，因此通过在涂料中适当拼混其它较为廉价的防锈颜料（如铁钛粉等），可以大幅度降低成本，同时不影响防腐性能。
本试验所用鳞片状锌粉的粒径为15 μm，厚度在0.1 μm 左右。
2.3 助剂的选用
2.3.1 防沉剂的选用
本试验所用的鳞片状锌粉密度小，仅为球锌的1/3，在料浆中悬浮性好，但长期贮存仍会出现软沉淀现象，加之配方中另外使用了铁钛粉等密度大的颜料，所以必 须使用防沉剂。常用的防沉剂包括有机膨润土、气相二氧化硅、聚酰胺蜡等。试验表明：在配方中使用具有高分散性的有机膨润土SD-2 效果较好，且使用方便，无需研磨，直接添加后通过高速分散即可满足细度要求，贮存一个月后，涂料无分层及沉淀现象；而采用聚酰胺蜡防沉效果不是很明显；采 用气相二氧化硅后触变严重，施工时涂膜容易产生气泡和针孔。
2.3.2 除水剂的选用
本试验中的成膜物质是湿固化聚氨酯树脂，其贮存稳定性较差。这是因为在贮存过程中，-NCO 基与空气、溶剂中微量的水分反应而胶化，尤其用于生产
色漆时，颜料粒径很小，形状不规则，表面积、表面能大，颜料表面通常会吸附少量水，使涂料难以长期保存。这使湿固化聚氨酯色漆始终得不到大规模地推广应 用。因此必须采用干燥的颜料粉，同时配用除水剂，才能保证涂料的贮存稳定性。常用的除水剂主要有：甲苯磺酰异氰酸酯、原甲酸乙酯、唑烷、分子筛等。
甲苯磺酰异氰酸酯的价格贵，用量大，大大提高了产品的成本；原甲酸乙酯与水反应产生醇，小分子醇会与湿固化聚氨酯树脂反应，降低涂膜的交联密度；分子筛仅 是吸收水分而不是与水分反应，水分仍然残留在体系中，并慢慢释放出来，导致凝胶。本试验中，采用4- 乙基-2- 甲基-2-（3- 甲基丁基）-1，3恶唑烷作为除水剂， 唑烷可优先于-NCO 基与水快速反应，不产生CO2 气体，加入湿固化聚氨酯体系中，可改善漆膜的耐腐蚀性、耐化学品性。
2.4 湿固化富锌底漆与传统富锌底漆防腐性比较
将制备的湿固化富锌底漆与传统富锌底漆进行耐MEK 擦拭和防腐性的试验，结果分别见表2、3。

由表2 可以看出：当温度在25℃以上时，两种底漆的固化速度相差不大；而温度在15℃以下时，湿固化富锌底漆的固化速度比传统的富锌底漆明显加快。

由表3 可以看出：本试验所制备的湿固化富锌底漆的防腐蚀性明显优于传统环氧富锌涂料。
3 结语
本文以单组分湿固化环氧改性聚氨酯树脂为基体树脂，鳞片状锌粉为防锈颜料，有机膨润土SD-2 为防沉剂，4- 乙基-2- 甲基-2-（3- 甲基丁基）-1，3恶唑烷为除水剂，研制了一种单组分的湿固化富锌底漆。该涂料施工方便，直接与空气中的水分反应固化成膜，可解决传统环氧富锌底漆易沉 淀、在冬季低温下固化难的问题，对底材表面处理要求较低，且具有优异的防腐性能，适用于高防腐要求的海上风力发电机塔筒。