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摘要：本论文从热熔结环氧粉末孔隙率的形成原因、对涂层性能的影响以及如何降低涂层孔隙率三个方面阐述如何制备低孔隙率热熔结环氧粉末涂料，以提高涂层的性能，延长管道的使用寿命。

1 前言

粉末涂料是一种由树脂、固化剂、颜料、填料及添加剂等组成的粉末状物质。其中作为主要成膜物质的树脂可以是一种或几种树脂的混合物。目前，环境保护成为热点话题，涂料的有机挥发分（VOC)排放越来越受到人们的关注。因此，能够大大降低VOC排放的粉末涂料日益受到人们的重视，将成为21世纪世界工业涂料体系中一个重要分支。

20世纪60年代，热熔结环氧粉末涂料已经用于石油管道外涂。管道的化学本质是铁，反应活性比锌差。热熔结环氧粉末涂料涂装在管道外壁，并在管道施工过程中，加入锌棒，管道一锌棒在潮湿的泥土中形成通路，形成原电池。锌优先反应，从而保护了阴极（管道），即阴极保护。热熔结环氧粉末涂料的附着力强度比自身内聚力强度高，阴极保护电流能都导通并保护损伤区。因此，热熔结环氧粉末涂料除了具有屏障保护作用，还具有阴极保护作用。通过阴极剥离等防腐手段评估，预测热熔结环氧粉末涂装的管道使用寿命可达50年。

管道50年的使用寿命建立的前提是涂层具有合适的性能，管道前处理、热熔结环氧粉末的配方组成、粉末施工工艺、涂层的孔隙率等都会影响涂层的性能。作为热熔结环氧粉末一个重要的检测项目，涂层的孔隙率高，环境中氧气、水、离子穿透涂层到达底材变得更加容易。由于孔隙率高，相当于降低了涂层的厚度，涂层的漏点增多。本文从孔隙率角度，研究热熔结环氧粉末孔隙率形成的原因、对涂层性能的影响以及如何降低涂层的孔隙率。

2 实验部分

2.1 原材料

环氧树脂；酚类固化剂；加速双氰胺固化剂；丙烯酸醋流平剂、硅灰石；铁红；钦白粉；安息香。

2.2 试验设备

平行双螺杆挤出机；磨机；冲击试验仪；差示扫描量热仪（DSC)；阴极剥离检测仪；电子扫描显微镜；ComPutrac2000挥发分测试仪。

2.3 试验工艺

（1）热熔结环氧粉末涂料制作工艺流程：

试验流程：称料→混合→挤出→磨粉→140目→过筛→喷涂→固化→检测

（2）挤出温度：30-90-80℃

2.4 性能检测

（1）性能检测参照SY/T 0315-2013和CSAZ245.20-14进行。

（2）挥发分检测方法：将9g待测物均匀铺展在标准铝盘内，并将铝盘放在Computrac 2000挥发分测试仪内，加热到105℃，直到质量稳定，从仪器上读出挥发分含量。

3 结果与讨论

3.1 涂层孔隙率

根据SY/T 0315-2013和CSA Z245.20-14标准，涂层孔隙率分为勃结面孔隙率、断面孔隙率，黏结面空隙指熔结环氧粉末涂层与金属接触面的孔隙率，断面孔隙率指涂层截面的孔隙率。SY/T 0315-2013标准中将孔隙率分成5级，并且规定涂层的黏结面孔隙率、断面孔隙率均需小于等于4级。孔隙率级别划分如图1所示，从上至下依次为1~5级。

3.2 孔隙率对涂层性能的影响

参照SY/T 0315-2013标准，对相同配方、不同孔隙率的涂层A、B进行性能检测，结果见表1。

A涂层孔隙率高于B涂层，A涂层的耐长期阴极剥离、水煮性能差于B涂层，A涂层漏点增多。涂层孔隙率高，环境中氧气、水分及各种离子容易穿过涂层达到底材，更容易腐蚀底材，从而影响管道的使用寿命。

3.3 涂层孔隙率形成原因

C粉末为生产线上取下的粉末，挥发分含量低，涂层孔隙率小。C粉末在潮湿环境中储存1个月后形成D粉末，D粉末的挥发分和孔隙率都有所提高，如表2所示。

管道外涂热熔结环氧粉末喷涂之后一般靠余热固化，粉末胶化时间短、反应速度快，粉末中含有的挥发分遇到高温变成的气体难以及时脱出来，残留在涂层中，管道冷却之后，气体冷凝，形成泡孔。因此，粉末中的挥发分是影响涂层孔隙率的主要因素。

C粉末为生产线上取下的粉末，吸收的水分少，但挥发分含量仍较高，因为原材料的挥发分以及配方中小分子助剂都是挥发分一个重要来源，原材料的挥发分来源于原材料中残留小分子和原材料储存过程中吸收水分。D粉末吸收了空气中的水分，挥发分含量升高。因此，挥发分来源于原材料和配方中的小分子物质以及吸收空气中的水分。

3.4 温度、湿度对挥发分的影响

根据粉末涂料的生产工艺，取环氧树脂、混合物、挤出料片、成品粉分别在三个不同温度、湿度条件下暴露3d，挥发分变化如图2所示。

条件一：12℃、相对湿度35%

条件二：24℃、相对湿度45%

条件三：35℃、相对湿度75%

从图2看出，环氧树脂、混合物、挤出料片、成品粉暴露在不同湿度、温度条件下都会吸收空气中的水分，挥发分升高。随着温度、湿度的提高，水分吸收加快。从各工艺段看，每个工艺段吸收水分速率不同，成品粉吸收水分速率最大，因为成品粉粒径细，比表面积大，吸收水分的速率增大。因此，在粉末生产、储存过程中，应避免高温、高湿度环境，需要空调车运输、空调间储存，并且须有温湿仪监控，用不完的粉末及时放回空调间。

3.5 暴露时间对挥发分的影响

选择三个不同厂家生产的热熔结环氧粉末涂料，同时暴露在室温环境中，测其挥发分变化情况，如表3。

从表3看出，随着储存时间的延长，E、F、G三个厂家的粉末的挥发分都有所提升。因此，在实际应用过程中，应避免粉末储存时间过长，造成挥发分升高。放置一段时间的粉末，需要重新检测粉末的挥发分，满足要求的粉末才能施工。

3.6 助剂对粉末水分的影响

从前面的论述可以看出，原材料储存、粉末生产、粉末储存过程中吸收水分是造成粉末挥发分升高的最主要因素。加入一种助剂可以有效减少粉末在整个生产和储存过程中水分的吸收，从而可以有效降低涂层的孔隙率，同时，助剂对涂层的性能没有影响。

在热熔结环氧粉末配方中分别加入0.5%、1%、2%的助剂，并与空白样做对比，粉末生产、施工工艺不变，制得涂层并检测性能，结果如表4、表5所示。

从表4中可以看出，在热熔结环氧粉末配方中加入助剂可以明显降低粉末水分吸收和降低涂层的孔隙率，从而使得涂层的耐水煮、耐阴极剥离性能都有所提高。不同含量的助剂对比实验可以看出，1%的助剂就可以满足使用要求。

4 结论

本论文通过对热熔结环氧粉末涂层孔隙率形成原因分析、孔隙率对涂层性能的影响以及如何控制涂层孔隙率三个角度进行阐述。涂层孔隙率形成主要是因为原材料、粉末生产及储存过程中吸收水分导致，孔隙率对涂层的耐长期的水煮、阴极剥离影响较大，影响管道的使用寿命。加强以下四个方面控制可以有效降低热熔结环氧涂层的孔隙率。

（1）加强原材料进货检验，控制挥发分含量；原材料储存时间尽可能短，必须储存在空调问内，减少水分吸收。

（2）粉末生产过程中要严格控制车间湿度，条件允许安装除湿设备。

（3）粉末储存过程中，需要储存在空调间；放置一段时间的粉末，使用之前需要检测粉末的挥发分。

（4）在粉末配方中加入助剂，可以从根源上减少粉末吸收水分，而不影响涂层的性能。

文/巴旭民，潘向东

艾仕得华佳涂料（黄山）有限公司

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