钢的熔结环氧涂层

钢的熔结环氧涂层

钢铁材料的熔结环氧 (FBE) 涂层是一种少底漆、单组分、可热固化、热固性粉末环氧涂层，旨在为基材钢提供最大的腐蚀保护。它是一种固化速度非常快的热固性保护粉末涂层，它利用热量将涂层材料熔化并粘附到钢基材上。它基于特别选择的环氧树脂和硬化剂。环氧树脂的配方是为了满足与钢作为防腐涂层保护相关的规范。热固化 FBE 涂层是 100% 的固体，由热固性材料组成，通过产生热量的化学反应实现与金属表面的高度粘合。 FBE涂层可采用流化床、植绒（空气喷涂）或静电喷涂等方法。

FBE涂层广泛用于输送石油、天然气、泥浆和水的钢管、管件、泵和阀门的涂层。典型的 FBE 涂层产品如图 1 所示。自 1960 年代以来，FBE 涂层一直用于地下管道。它在地下管道应用方面有着良好的记录。它还被用于桥梁、道路和建筑施工中使用的钢筋涂层，以帮助防止嵌入混凝土中的腐蚀。

图1 FBE涂层产品

FBE 涂层的特点和优点包括 (i) 在恶劣环境中的腐蚀保护，(ii) 由于快速固化而产生的生产应用，(iii) 不会流挂，没有冷流，并且在储存时不会变软，因此可以长期使用储存，(iv) 重量轻，(v) 具有良好的耐化学性，(vi) 环保，因为没有挥发性有机化合物 (VOC)，(vii) 抗阴极剥离，(viii) 具有高附着力和韧性， (ix) 易于修复。

FBE涂层系统是一种热活化、化学固化的涂层系统，应用于预热的待涂层钢材。 FBE 涂料的典型配方由环氧树脂、固化剂、催化剂、促进剂、增强颜料和调节流动性和稳定性的控制剂组成。在 FBE 涂层中，树脂类别是“环氧树脂”型树脂。渗透性、硬度、颜色、厚度、抗凿性等和其他特性由这些组件控制。 FBE 涂层的标准涂层厚度范围在 250 微米和 500 微米之间，可根据使用条件而变化。熔融粉末在涂层应用后几秒钟内变成固体涂层。 FBE 涂层通常与阴极保护结合使用。在大多数情况下，FBE 涂层下的脱粘区域受到阴极保护。

FBE涂层材料

FBE 涂层是热固性聚合物涂层。 “熔结环氧树脂”的名称是因为树脂交联和应用方法，这与传统涂料不同。干粉 FBE 原料中的树脂和硬化剂成分在正常储存条件下保持未反应。在典型的涂层应用温度下，通常在 180 摄氏度至 250 摄氏度的范围内，粉末的内容物熔化并转变为液体形式。液态 FBE 薄膜润湿并流到其上涂敷的钢表面上，并很快通过化学交联在加热的辅助下变成固体涂层。这个过程被称为熔合。在这种情况下发生的化学交联反应是不可逆的。一旦发生固化，涂层就不能以任何方式恢复到其原始形式。进一步加热也不会使涂层熔化，因此称为热固性涂层。

新技术正在不断开发中，以优化 FBE 涂层的性能，从而提高涂层的实用性。化学计量比需要通过固化基团和环氧基团之间的平衡来控制。例如，增加固化剂的用量可以降低交联密度，增加柔韧性，同时降低耐化学性。

抗冲击性或硬度是交联密度的函数。使用显示紧密交联结构的低分子量固化剂可以获得更高的密度。添加非反应性稀释剂会干扰这种结构，使最终产品具有更大的柔韧性但韧性更低。

机械粘附力是由钢基材的粗糙度（即峰和谷）产生的夹持力。从圆形表面轮廓变为有角表面轮廓并增加谷的深度可以改善这种类型的附着力。极性粘附是钢基材与环氧涂层之间发生的氢键作用。

化学键是通过钢基材和环氧树脂上的基团共享电子而形成的。这些键是迄今为止最牢固的，并且对粘附的贡献最大。氮和氧等基团可以与铁和二氧化硅结合。

FBE 涂层和腐蚀

FBE 涂层通常以两种方式减少受电解质影响的钢基材的腐蚀，即（i）它们作为物理屏障层来控制有害物质的进入，以及（ii）它们可以作为缓蚀剂的储存库帮助钢表面抵抗氯阴离子等侵蚀性物质的侵蚀。

FBE 涂层提供物理屏障，从而防止钢基材接触水分、氧和氯离子。此外，作为一种介电涂层，FBE涂层会阻碍金属和电解质之间的电子和离子流动，从而阻碍阳极和阴极之间的电荷转移。

FBE 涂层的腐蚀控制取决于涂层提供对水、氧气、氯化物和其他腐蚀性元素的屏障的能力，这些元素可防止渗透通过涂膜攻击钢基材。 FBE 涂层的腐蚀防护需要一些关键特性，包括对涂层钢的附着力和润湿能力。粘合强度的降低会增加分层处理速率。在模拟孔隙溶液环境中对 FBE 涂层分层的研究表明，分层机理如下。

• 在可观察到的分层过程开始之前的延迟时间可能是水通过 FBE 涂层渗透到界面或相间涂层/基材区域的函数。
• FBE 涂层与钢基材的分层主要是由氢氧根离子引起的。
• FBE 分层的速率受从涂层中的孔以及沿分层的涂层/基材界面到剥离前沿的传输过程控制。
• 涂层附着力失效的部位是界面或界面涂层/基材区域。
• 在近被动条件下，FBE 分层的速率受氢氧根离子从本体外部溶液迁移到涂层/基材剥离前沿的控制。
• 在膜下腐蚀条件下 FBE 分层的速率受水合阳离子向阴极位置的移动控制。

FBE 涂层的应用过程

FBE 涂层过程中要控制的重要步骤（图 2）包括 (i) 表面处理和清洁度，(ii) 喷砂清理，(iii) 清洁程序，(iv) 最终清洁和检查，(v)表面处理，(vi) 预热，(vii) FBE 涂层应用，(viii) 后处理，(ix) 最终检查和质量控制，(x) 修复程序，(xi) FBE 涂层产品的处理。由步骤 (i) 到 (v) 组成的表面处理活动之间的总经过时间应保持在最低限度，以避免在表面上形成氧化物。在涂层之前以任何表面形式对钢进行氧化是不可接受的。这种氧化物的视觉形成导致钢在涂层之前的表面处理活动的重复。

图2控制FBE镀膜工艺的重要步骤

表面处理和清洁 – 在研磨清洗之前适当注意钢基材表面的清洗和准备对最终 FBE 涂层的最终质量有相当大的影响。预清洗的基本要素是 (i) 去除表面污染物，(ii) 松动轧钢氧化皮（在新轧钢上），以及 (iii) 去除霜和水分。

用 FBE 涂层的钢可能会被盐、油脂、油和其他有害物质污染。这些可见和不可见的钢材表面污染可能发生在运输、处理和储存过程中。重要的是在第一次研磨清洁步骤之前去除所有这些污染物。未能去除污染物会导致研磨介质受到污染，从而导致随后施加的 FBE 涂层性能不佳。深层嵌入的盐和某些有机污染物，如果没有完全去除，会导致粘附失败和成膜问题。因此，这些材料需要通过溶剂清洗或洗涤剂清洗或蒸汽清洗来去除。不得在钢材表面留下影响附着力的残留物。在喷砂清理之前，最好将钢材预热到至少超过露点5度或更高的温度。

喷砂清理 – 喷砂清理的目的是获得清洁的表面，具有角度表面轮廓，平均轮廓深度在 50 微米到 100 微米之间。表面应清洁至最低限度的“接近白色金属”光洁度。这可以通过使用钢砂作为研磨介质的离心式喷砂设备最有效地实现。磨料残留物将用压缩空气或任何其他合适的方法去除。工作磨料混合物应保持清洁无污染物。钢砂的硬度应在 50 洛氏 C 至 60 洛氏 C 之间。所用钢砂的颗粒硬度和粒度分布需要通过筛分持续控制，以确保清洁后的表面轮廓。为了获得一致的表面光洁度，应通过频繁添加少量新磨料来保持稳定的工作混合物，同时避免不频繁添加大量新磨料。

清洁程序 – 如果有两个喷丸室可用，则可以在第一个室中使用喷丸进行预清洁，并在第二个室中使用砂砾。在同一个腔室中混合喷丸和砂砾是不可取的。在单个抛丸器运行的情况下，最好只使用钢砂。

第一个清洁步骤是建立基本清洁度。它还发现了材料缺陷，如长条、毛刺、层压、结痂和凿痕。将采用圆盘磨削或其他合适的方法来纠正这些缺陷。如果存在严重缺陷，该钢材应在此阶段拒收。

下一步是使用钢砂作为介质的第二次磨料清洁过程，硬度为 50 洛氏 C 至 60 洛氏 C。此步骤的主要目的是达到最终所需的清洁度和所需的锚固轮廓。如果第一阶段的执行效率很高，通常只需要轻微的爆破即可获得最佳性能。无论何种操作类型，重要的是离心轮必须具有足够的马力并正确定位，以实现高质量和高效的清洁。用压缩空气或其他合适的方法去除磨料残留物。应定期使用和补充优质的研磨介质，以确保平衡的工作混合物。

最终清洁和检查 – 在研磨清洁后和涂装前，应仔细检查待涂表面是否存在可能影响涂装应用的金属缺陷，即结痂、裂片、凿痕或分层。所有研磨性灰尘都需要清除，通常使用真空或气刀，并定期检查清洁度，方法是将透明胶带压在钢表面上并检查底面是否有污垢颗粒。实现所需的锚轮廓非常重要。轮廓需要有角度，但不能有“底切”，这可能是由于过度喷砂、错误研磨或离心轮定位不当造成的。所有 FBE 涂层操作都需要“接近白色金属”的喷砂质量。在大多数情况下，熟练的操作人员可以使用视觉标准直观地识别所需的标准。

表面处理 – 有时需要对钢材表面进行化学预处理。这是必需的，因为存在残留在钢表面上的可溶性盐。化学预处理具有洗去灰尘残留物的第二个好处。已发现弱磷酸水溶液表现良好。对于这种预处理的成功来说，在处理后立即通过彻底的水冲洗去除剩余的酸是非常重要和关键的。冲洗水应为反渗透（RO）水质或去离子水。

如果钢在涂装厂处理之前已经在氯离子或硫酸根离子的存在下受到腐蚀侵蚀，则必须进行酸洗。造成这种情况的一个常见原因是在沿海地区或在含有 SO2 或工业 CO2 的大气中储存钢材的过程中暴露在盐水中，或者因为钢材从钢铁厂到涂层厂的海上运输。在这些条件下，亚铁盐会形成并保留在钢表面，特别是在凹坑中，即使经过普通的研磨清洗也是如此。

确定亚铁盐存在的一个很好的测试是使用铁氰化钾或菲咯啉测试。任何显示存在亚铁盐的钢都需要进行适当处理。适当的表面处理可确保钢材表面没有运输或涂装厂操作产生的有害污染物。通过在最终预热之前用铬酸盐溶液处理干净的钢表面，可以实现额外的涂层性能增强。通过将溶液均匀地涂抹在钢表面上来施加铬酸盐水溶液。使用橡胶“刮刀”或刷子涂抹溶液。如果过程控制得当，就不会产生径流材料。请务必按照当地法规的要求收集所有废料以进行适当处理。

预热

钢的正确加热是成功应用 FBE 涂层的最重要步骤之一。钢需要达到 FBE 涂层材料供应商推荐的适当应用温度，以实现 FBE 涂层的最佳性能。预热温度可以根据材料的等级而变化。任何时候金属温度都不得超过 275 摄氏度，因为这会导致冶金或表面缺陷。钢表面强烈发蓝或变黑是过度加热的迹象之一。随着高牌号钢的引入，对最高加热温度也有进一步的限制。

可接受的热源是 (i) 燃气辐射热，(ii) 燃气直接火焰，和 (iii) 电感应。重要的是要对燃气加热系统进行良好调整，以使燃料不完全燃烧产生的产物不会沉积在钢表面上。炉内气氛应使洁净的钢表面不被污染。对于感应加热，重要的是使用适当的频率来确保深度加热。应避免强烈的皮肤加热。为了稳定加热，通常需要多个感应线圈，特别是在厚钢材料的情况下。

钢的温度应保持在规定水平，以获得最佳效果。在涂层室的入口处控制温度。温度棒 (Tempilstiks) 是最常用的，在经验丰富的操作员使用时会非常有效。红外测温仪是一种令人满意的控制工具，但它需要定期校准以确保测量的准确性。

FBE涂层应用

FBE 涂层粉末的应用最好通过用喷枪进行静电喷涂来完成。重要的是使用流化粉末进料和合适的回收系统。使用的喷枪数量可根据所需的薄膜厚度和钢材尺寸而有所不同。当喷枪正确设置时，通常粉末室中的过度喷涂相对较少。需要考虑的要点是 (i) 钢材在通过涂层室的整个过程中要良好接地， (ii) 喷涂粉末要保持适当的电荷（通常在 50 kV 到 100 kV 的范围内） )，和 (iii) 喷枪应适当放置在涂层室中，以提供均匀的粉末沉积。

喷枪应与钢材表面保持一定距离，以充分利用静电性能并尽量减少过度喷涂。该距离可能是距钢材表面 125 毫米至 250 毫米的距离，并且在某种程度上取决于将粉末均匀输送通过管线所需的压力。作为起点，喷枪与钢材相距 200 毫米。然后根据膜厚要求、钢材尺寸和线速度进行调整。

粉末输送管应具有合适的直径（通常为 12 毫米或更大），长度应尽可能短，喷枪和流化床之间的限制最小。通过仔细布置供料管，可以避免重力对通过管道的粉末流动的影响。调整不当也会导致更严重的喷枪堵塞问题。这也可能是由于喷枪太靠近热表面，或部分固化的过喷进入扩散器。适当设计和选择扩散器可以最大限度地减少问题。

喷枪的最佳定位是在旋转钢材的一侧，钢材表面向上移动。这最大限度地减少了辐射热和喷枪堵塞的不利影响。需要调整沉积速率以稳定地积聚所需的薄膜并且不会淹没钢材。将进行测试以测量给定材料尺寸和速度所需的粉末输送量。该信息可用于确定沉积效率和设备设置的有效性。

重要的是，涂层室和支撑系统中使用的空气是干燥和清洁的。水分会导致沉积问题和涂层缺陷，例如孔隙率和针孔。空气被油污染会导致严重的问题。除了导致涂层缺陷外，油污染也是冲击熔合的主要原因，它会导致系统堵塞和不稳定的喷涂模式。过高的粉末沉积速率也可能导致过多的孔隙率。还应避免过多的静电荷，因为这会导致反电离和可能的薄膜缺陷。定位不良会导致表面出现螺旋或条纹。

回收系统中需要 60 目或 80 目筛网，以消除过大的颗粒。对于新粉末的筛选，更需要 50 目或 60 目尺寸的筛网。磁选机将用于粉末进料系统，以帮助去除金属污染物。涂层室应配备适当的火灾和爆炸探测系统。

后处理 – 为获得最佳的机械和保护性能，应在涂层完全固化后进行淬火。最短时间要求取决于预热温度和材料尺寸。将输送轮润湿以尽量减少“跟踪”。

最终检验和质量控制 – 详尽的检查和与其他应用步骤的协调对于高质量的涂层是必要的。检查应被视为过程控制操作的一部分，而不仅仅是批准或拒绝涂层的决策点。如果每个处理步骤都正确完成，则可以确保获得高质量的涂层。应用过程中要进行的定期质量控制测试包括膜厚、漏点检测和固化。

环氧树脂层的固化通常通过 MEK 摩擦测试（耐溶剂摩擦测试）进行快速在线评估，并通过玻璃化转变温度的 DSC（差示扫描色度计）评估来确认。还定期进行长期测试，以确保系统运行最佳。这些包括但不限于 (i) 热水浸泡、(ii) 冲击试验、(iii) 阴极剥离试验和 (iv) 柔韧性试验

维修程序 – 检查期间发现的所有涂层缺陷都需要修复。如果钢材暴露在外，则应使用双组分 100% 固体环氧树脂修复化合物进行修复。不得使用热塑性贴片。

针孔（直径小于 1 毫米的缺陷）不需要更多的表面处理。待修复的材料应进行清洁以去除所有污垢和损坏或脱落的涂层。原始涂层的边缘应在距针孔 15 至 25 毫米的待涂层区域周围进行打磨，并在涂抹补片涂层之前擦去所有灰尘。文件不能用。

较大的间隙（最大尺寸为 80 毫米）需要对钢材进行表面处理。任何暴露的金属都应使用喷砂或其他方式进行处理，以去除腐蚀产物、盐分、污垢等污染物。 FBE 涂层也应在距假日边缘 15 毫米至 25 毫米的待涂层区域周围进行打磨，并在应用补丁涂层之前清除所有灰尘。贴片涂层应按照 FBE 涂层材料供应商的建议进行施工，最小厚度为 0.65 毫米，与现有的隔音涂层至少重叠 25 毫米。

根据 FBE 涂层材料供应商的规范，在处理这些区域之前，应让新的贴片涂层区域完全固化。固化后，用不低于 4000 伏特/毫米电压的细黄铜须棒电极对所有贴片进行目视检查和吉普车测试，并通过刮刀测试其粘附性。在 FBE 涂层供应商的推荐参数下使用湿海绵检测器也是可以接受的。修补后的材料要无裂痕，用刀提起时不脱胶。

FBE 涂层产品的处理 – 为避免在堆垛、装载、运输、穿线和下降过程中发生机械损坏，必须小心处理涂层钢。用于处理或储存涂层材料的所有吊杆、钩子、夹具、叉子、支架和滑道的设计和维护方式应防止对材料或涂层造成任何损坏。基本要求是 (i) 所有处理接触点应加垫，并使用负载分布梁来提升涂层钢材，(ii) 堆垛时应使用隔板，(iii) 始终提升涂层钢材，而不是(iv) 应避免将材料末端撞在一起。

FBE涂层的优缺点

FBE 涂层的优点包括（i）由于涂层是在涂层线上完成的，因此可以实现更好的质量控制，（ii）该工艺提供均匀的涂层厚度，（iii）涂层与钢的结合良好，因为 FBE 具有非常好的粘合性能，(iv) 由于具有柔韧性，当直钢材料在特殊的芯棒上制造过程中弯曲时，涂层不会受到损坏，(v) FBE 涂层作为电化学电池的绝缘体并为钢提供屏障保护可以防止氯离子通过，(vi) 不同标准中对 FBE 涂层的验收都有完善的标准，(vii) FBE 涂层棒为钢材提供非常有效的腐蚀保护。

在钢材上进行 FBE 涂层的缺点是 (i) 在钢筋上进行 FBE 涂层的情况下，涂层材料和混凝土之间的粘合强度会降低，(ii) 由于该技术是基于植物的，因此需要双重处理和钢材的运输，(iii) 涂层材料的处理要非常小心，以避免损坏涂层，(iv) FBE 涂层材料的性能在很大程度上取决于涂层的最小缺陷，因为修补缺陷区域并不总是有效的，(v) 当涂层没有阴极保护并因此在材料的受损区域中设置腐蚀细胞时，即使涂层中的小损伤也会在恶劣的环境中引发腐蚀，从而导致FBE 涂层首先分层然后生锈，(vi) 是一种屏障型涂层，它有助于通过针孔进行局部点蚀，(vii) FBE 涂层材料在长期试验中会降解不受阳光照射，并且 (viii) FBE 涂层钢筋通常表现出较差的耐碱性。