摘要：通过对环氧树脂、固化剂、助剂、颜填料的选择，精确设计配方，反复调整试验配方，结合施工工艺，现场应用，研制生产了适合给水管道内壁防腐的无毒无污染的环氧饮用水粉末涂料。
0 引言
随着经济的发展，人口的增加，不少地区水源短缺，有的城市饮用水水源污染严重，居民生活饮用水安全受到威胁。没有做好防腐的钢管用不了几年就会出现“红水”、“黑水”、铁腥味严重的现象，各种有害细菌超过国家生活饮用水水质标准，严重危害居民的身体健康。我国政府一向十分关心和重视饮用水卫生工作，多次发布和修改饮用水卫生标准。要求生活饮用水不含病原微生物，以及水中的化学物质及放射性物质不引起急性和慢性中毒及潜在的远期危害。
饮用水要达到国家的卫生标准，必须对输送饮用水的钢管进行内壁的防腐。饮用水管道内腐蚀介质种类较多，有酸、碱、盐、氧化剂及水蒸气等，涂料必须具有化学惰性、耐酸碱盐腐蚀，涂膜应结构致密，防水渗透性好，附着力强、坚韧丰满，易于介质的输送。而现在许多其他的防腐手段都存在一定的缺陷，为此我们做了这次饮用水钢管专用粉末涂料的研发。
环氧饮用水粉末涂料专门用于城镇居民饮用水供水管道内壁防腐，与其他防腐方法相比具有以下优点：(1)涂层无毒，不污染水源，不滋生细菌。(2)涂层的机械强度大，具有优良的柔韧性，抗冲击性。(3)环氧粉末防腐层与管体结合力极强，可靠性高，使用寿命长。(4)物理机械性能优良，化学稳定性强，电气绝缘性能良好。(5)表面平整光滑，可抑制管内结垢，提高介质输送能力。
本文按照标准要求，通过对环氧树脂、固化剂、助剂、颜填料的选择，精确设计配方，反复调整试验配方，结合施工工艺，现场应用，研制生产了符合要求的饮用水供水管道内防腐层熔结环氧粉末涂料。
1 树脂的选择
环氧树脂具有力学性能好、粘结性能高、固化收缩率低、综合性能优异等特点，广泛应用于防腐领域。并且以环氧树脂为基料生成的涂膜无毒性，适合于饮用水管道的内壁防腐，所以本次研究也是用环氧树脂作为基料。环氧树脂的类型及相对分子质量对涂料性能的影响很大，因双酚A型环氧树脂分子中含有极性高的脂肪族羟基和醚键，使其对底材具有较高的浸润性和粘附性，而且耐化学品性能也高，又因其结构为刚性的苯核和柔性的烃键交替排列，从而赋予涂膜较好的物理机械性能。在初始试验中，我们分别用低、中、高三种不同分子质量的环氧树脂来进行试验比较，由试验结果显示，相对分子质量低的环氧树脂制成的粉末涂料固化成膜后流平性较好，但是储存性相对较差；相对分子质量高的环氧树脂制成的粉末涂料固化成膜后附着力优异，但是流平性较差。综合考虑我们采用中等分子量环氧树脂为成膜物质。其结构中含有高极性和活性的环氧基，涂膜具有很强的附着力。涂层具有较好的热稳定性和电绝缘性。其结构如图1所示：
图1 中等分子质量环氧树脂结构式
在进一步试验中，我们采用普通一步法604环氧树脂，但是经过多次试验发现，虽然涂层的流平较好，但是95℃或75℃水煮附着力达不到要求。之后分别选用两步法精制环氧树脂1、环氧树脂2和环氧树脂3，通过大量的试验，试验结果显示，用两步法精制环氧树脂1研制成功的粉末涂料涂膜水煮附着力和抗弯曲性能最好。
2 固化剂的选择
环氧树脂本身是热塑性半成品，需用固化剂进行交联成网状结构的大分子，形成不溶不熔的高聚物。环氧树脂确定后，选用的固化剂也决定了粉末涂料的防腐性能。经过理论选择和试验证实，从开始使用的癸肼、酚醛树脂作为固化剂，到以高分子酚类化合物作为重防腐粉末涂料固化剂，其中后者效果最好。高分子酚类固化剂其结构如图2所示：
图2 高分子酚类固化剂结构式
从其分子结构可以看出，它其实是以酚羟基封端的长链状树脂，与环氧树脂具有相似的结构。从其合成机理来看，实质上是用双酚A与低分子量环氧树脂在催化剂存在下反应，生成高分子量环氧树脂，然后再与过量双酚A反应，生成含羟基的化合物。因此，用做环氧粉末涂料的固化剂时，与树脂具有更好的混容性，而且部分游离的双酚A在参加反应时就相当于双官能团的树脂，其活性较大，易引起环氧基的开环反应，同时也提高了交联密度，所以高分子酚类固化剂具有很高的反应活性，所得的涂膜具有极高的光泽度、优异的防腐性能和机械性能。
高分子酚类化合物固化环氧粉末涂料固化机理较复杂，主要如图3、4所示：
图3 酚羟基与环氧基的醚化反应
图4 仲羟基与环氧基的醚化反应
固化机理表明固化过程中无小分子物放出，涂层表面不存在“爆泡”等弊端，不会因为涂层厚度增加而导致性能下降。另外，固化剂中含有大量-OH，大大促进了对基体的附着力。通过大量的试验证实这种酚类固化剂固化的管道粉末涂料在平板或管道外壁的水煮附着力及-30℃抗弯曲性能非常优秀，但在管道内壁时的这些性能大大下降，说明熔结环氧粉末涂料固化过程中在管道内壁与外壁产生的内聚力是不一样的。经过与固化剂生产厂家沟通结合，特制了类似结构的多官能团特种固化剂，形成网状结构，使涂膜结构更致密，完美的解决了粉末涂膜在管道内壁固化后的性能问题，而且经过毒性测试后证实涂层没有毒性。
3 固化促进剂的选择
2-甲基咪唑是粉末涂料常用的固化促进剂，2-甲基咪唑活泼氢使环氧开环反应如图5所示：
图5 2-甲基咪唑活泼氢使环氧开环反应
2-甲基咪唑的加入量严重影响着整个涂料体系的固化温度及固化时间，加入量大固化时间可以大大缩短，但快速固化会影响涂膜的表面效果，对介质的输送产生不利影响，为了满足喷涂生产线上的要求及表面流平的需要，确定合适的固化促进剂加量。最终将固化温度确定在200℃，固化的时间确定为60分钟。
—本文节选自《粉末涂料与涂装》2014年第4期