颜填料对酚醛环氧树脂涂层性能的影响

引言
    石油钻杆在使用过程中常受到拉、扭和弯曲等交变应力的作用，造成钻杆疲劳损坏; 同时，钻井泥浆中的溶解氧、二氧化碳及硫化氢等腐蚀介质对钻杆内壁的腐蚀，地层中的氯化物、碳酸盐及泥浆填料对钻杆的冲击磨损，会使钻杆产生严重的腐蚀破坏。目前，在钻杆内壁涂敷防腐涂料是国内外普遍采用的防止钻杆腐蚀和损坏的最有效的方法，经过涂敷的钻杆，使用寿命可提高两倍以上。
    酚醛环氧涂料具有优良的耐热性、耐药品性、耐盐雾及耐磨性，在食品罐头、航空部件及石油化工设施等上得到了应用，是目前防止钻杆腐蚀和损坏的涂料品种之一。中国石油集团工程设计有限责任公司研制的SN222 钻杆内防腐涂料采用酚醛改性环氧树脂，是利用环氧树脂的环氧基和脂羟基与酚醛树脂的羟甲基和酚基在高温下起交联反应，制得在常温下稳定的单组分涂料，但是该涂料固体含量较低。美国Tuboscope 公司研制的K34-XT 涂料其粘度和触变指数较低，并且需要采用特殊的喷涂参数和烘烤工艺进行涂层作业，以保证喷涂质量，导致喷涂过程过于复杂。
    本研究以酚醛环氧树脂为成膜物，聚醚胺为固化剂，石英粉、云母粉、滑石粉和钛白粉为颜填料，添加其他助剂，通过正交优化实验探讨了颜填料对酚醛环氧树脂涂层的耐磨性、附着力和粗糙度等性能的影响，在此基础上，研发了一种具有耐酸碱、耐高温高压、硫化氢和二氧化碳腐蚀的酚醛环氧涂料。
    1 ·实验部分
    1． 1 原料
    1) 成膜物。酚醛环氧树脂;
    2) 颜填料。石英粉、云母粉、滑石粉和钛白粉;
    3) 助剂。1，4-丁二醇二缩水甘油醚、二甲苯、二甲基硅油、硅烷偶联剂和气相二氧化硅;
    4) 固化剂。脂环改性胺和聚醚胺。
    1． 2 涂料和涂层制备方法
    在装有10 g 的酚醛环氧树脂的容器中加入2 g二甲苯、2 g 1，4-丁二醇二缩水甘油醚，充分搅拌混合均匀至完全溶解，随后依次加入石英粉、云母粉、滑石粉和钛白粉并搅拌均匀; 在高速搅拌情况下加入其他助剂，并混合均匀，最后在搅拌下加入2． 5 g脂环改性胺和1 g 聚醚胺，混合均匀后即为酚醛环氧树脂涂料。酚醛环氧涂料配方见表1。
    
    将配制好的涂料采用手工涂刷的方式涂在120 mm × 50 mm 马口铁片上，涂装后的试样在室温下放置0． 5 ～ 1． 0 h，然后放入烘箱升温至120℃，恒温2 h，即得到所需涂层。涂层δ 为150 ～ 250 μm，其制备参照GB1727-92 漆膜一般制备法要求进行。马口铁的表面处理按GB9271 规定进行。
    1． 3 性能测试
    1) 附着力。按照SY/T 0544-2010 石油钻杆内涂层技术条件附录A 中方法测定涂层附着力。
    2) 耐磨性。按照SY/T 0315-2005 钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层技术规范附录J 测定涂层耐磨性。
    3) 粗糙度。按照JJG 2018 表面粗糙度计量器具中方法测定涂层粗糙度。
    4) 耐高温高压性能。按照SY/T 0544-2010 石油钻杆内涂层技术条件附录C 中方法测定涂层耐高温高压性能。
    5) 耐化学介质性能。按照浸泡法测定涂层耐化学介质性能。
    6) 拉伸性能。按照SY/T 0544-2010 石油钻杆内涂层技术条件附录D 中方法测定涂层拉伸性能。
    7) 扭转性能。按照SY/T 0544-2010 石油钻杆内涂层技术条件附录E 中方法测定涂层扭转性能。
    2 ·正交试验与结果分析
    经实验确定了酚醛环氧涂料各物质的最佳比例。m( 酚醛环氧树脂) ∶ m( 二甲苯) ∶ m( 1，4-丁二醇二缩水甘油醚) ∶ m( 脂环改性胺) ∶ m( 聚醚胺) 为100∶ 20∶ 20∶ 25∶ 10。为了制备性能优越的酚醛环氧涂料，还必须添加颜填料和助剂等物质。影响涂层附着力、耐磨性和粗糙度等性能的主要因素是石英粉、云母粉、滑石粉和钛白粉等颜填料，因此为了提高酚醛环氧涂层附着力和耐磨性，降低涂层粗糙度，在保持成膜物、助剂和固化剂等组分不变的情况下，采用四因素三水平的正交试验，研究石英粉、云母粉、滑石粉和钛白粉等对酚醛环氧涂层附着力、耐磨性和粗糙度的影响，并进行极差分析筛选涂料最佳配方组成。
    2． 1 正交试验
    根据单因素水平实验结果，正交试验采用四因素三水平L9( 34 ) 正交试验因素水平设计见表2。实验中将酚醛环氧树脂的质量定为10 g，考察石英粉、云母粉、滑石粉和钛白粉质量对涂层性能的影响。试验结果见表3，方差分析见表4。对正交试验进行方差分析计算，即计算Ⅰ和Ｒ 值，Ⅰ代表某一水平三次组合配方的三次试验结果之和，Ⅰ/3 为三次试验结果之和的平均值。Ｒ 值为极差，表示某因素水平的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大差数。
    
    
    
    2． 2 因素与指标趋势图
    图1、图2 和图3 分别为各因素对酚醛环氧树脂涂层的耐磨性、附着力和粗糙度的影响趋势图。
    
    由图1 可知，随着石英粉和钛白粉用量的增加，涂层耐磨性明显增加，石英粉作为坚硬耐磨的填料具有良好的耐磨性。当m( 石英粉) 超过1 g，m( 钛白粉) 超过1． 6 g 后，涂料分散不均匀，导致涂层耐磨性下降。采用适量的云母粉，涂层耐磨性优良。随着滑石粉用量增加，涂层耐磨性基本呈减小趋势，滑石粉具有优异的减磨效果。对涂层耐磨性分析，可以得出石英粉质量为1． 0 g，云母粉质量为0． 8g，滑石粉质量为0． 2 g，钛白粉质量为1． 6 g 时，涂层耐磨性达到最佳效果。
    
    由图2 可知，随着云母粉和滑石粉质量的增加，涂层附着力不再增加。云母粉具有附着强的特性，但是随着云母粉质量增加，涂料分散性降低，导致附着力有所下降。对涂层附着力分析，可以得出石英粉质量为1． 0 g，云母粉质量为0． 8 g，滑石粉质量为0． 2 g，钛白粉质量为1． 6 g 时，涂层附着力达到最佳效果。
    
    由图3 可知，随着钛白粉的用量增加，涂层粗糙度先下降后又上升。这是由于适量的钛白粉可以降低涂层的粗糙度，但是过量的钛白粉会导致涂料易沉淀，从而增加了涂层的粗糙度。少量的滑石粉可以显著降低涂层粗糙度，这是因为滑石粉具有润滑性，但是过量的滑石粉同样导致涂料分散不均匀。对涂层粗糙度分析，可以得出以石英粉质量为1． 0 g，云母粉质量为0． 8 g，滑石粉质量为0． 2 g，钛白粉质量为1． 6 g 时，涂层粗糙度达到最佳效果。综合分析各影响因素以及涂层性能测试数据结果，筛选出最优涂料配方如表5。按最优涂料配方所制备的涂层具有优异的性能见表6。
    
    
      3 ·结语
      以耐磨性、附着力和粗糙度等作为酚醛环氧树脂涂层性能的考核指标，通过正交试验和极差分析研究了石英粉、云母粉、滑石粉、钛白粉等四个因素对酚醛环氧树脂涂层性能的影响，在此基础上制备的酚醛环氧涂料，具有优异的耐酸碱和耐高温高压H2S /CO2腐蚀的能力。