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酚醛改性环氧树脂耐磨防腐涂料的研究

2015年07月24日

 

张迎平,刘兰轩,汪洋,陶业立,刘秀生

(武汉材料保护研究所,湖北武汉430030)

 

摘要:利用酚醛改性环氧树脂为基料,同时添加固体自润滑材料、硬质抗磨材料、助剂等研制出一种耐磨防腐涂料。该涂料除具有良好的防腐蚀性,还具有优异的耐磨性、自润滑性及水润滑性,是抽油管杆等恶劣腐蚀条件下较理想的耐磨防腐涂料。

关键词:酚醛改性环氧树脂;抽油管杆;耐磨防腐性;防腐涂料

中图分类号:TQ637 文献标识码:A 文章编号:1009-1696(2014)04-0010-04


0 引言

我国各油田的生产井中大部分使用抽油机井采油技术,抽油机井采油技术在我国石油开采中占据重要的地位。目前我国许多主力油田已进入中高含水开发期,综合含水量甚至达到90%以上,当井液含水量大于60%时,井液物性由油包水型转换为水包油型。此时,管杆壁失去了原油的保护作用,直接与水接触,腐蚀速度加快,同时润滑剂由原油变成水,管壁失去了原油的润滑作用,磨损速度加快。同时由于侧钻井、斜井的增多等多种因素的综合作用,使得抽油机井管杆偏磨问题越来越严重,已成为高含水期抽油机井开采的主要矛盾之一。因此,研制一种防腐蚀性好并具良好耐磨性的防护涂层,以提高油管、抽油杆的耐磨防腐性,对延长偏磨油井免修期、节约作业费用及管、杆投入费用具有重大意义[1-2]。

本文以酚醛改性环氧树脂为基料,同时添加多种固体自润滑材料、硬质耐磨材料、助剂等研制出一种耐磨防腐涂料,并对其性能进行了研究[3-4]。试验结果表明:该涂料除具有良好的防腐蚀性,还具有优异的耐磨性、自润滑性及水润滑性

 

1 实验部分

 

1.1 涂料的配制

1.1.1 主要原料

环氧树脂:岳阳石化总厂环氧树脂厂;酚醛树脂:新乡市伯马风帆实业有限公司;石墨粉:上海胶体化工厂;二硫化钼粉:上海胶体化工厂;氧化锆粉:800目,市售品;硅微粉:1000目,市售品;偶联剂:KH-560,南京经纬化工有限公司;流平剂:433,消泡剂:6500,德谦化学有限公司。

 

1.1.2 涂料的配制

先将环氧树脂、酚醛树脂按比例混合均匀,在高速分散搅拌的过程中,按比例依次加入其他原料,混合搅拌后,用砂磨机研磨3~4遍,过滤后即得涂料成品。酚醛改性环氧树脂耐磨防腐涂料的配方组成(质量份)如表1所示。

 

表1 涂料配方

 

原材料         质量份

原材料         质量份

原材料         质量份

环氧树脂         8-10

氧化锆粉        20-30

流平剂         0.2-0.8

酚醛树脂        10-20

硅微粉          20-30

消泡剂         0.5-1.0

二硫化钼         5-10

偶联剂         0.5-1.0

稀释剂          10-30

 

 

1.2 性能试验

1.2.1 涂层耐介质腐蚀性

试样制备:采用Ф10mm×120mm普通低碳钢试棒,试棒一端为半球面,另一端距端面5mm处开一小孔用于悬挂。试棒经喷砂处理后,用浸涂的方法制备防腐涂层,共浸涂3次。第1、2次浸涂后先晾置15min,再经60℃×15min,120℃×30min干燥后,浸涂第3次,晾置15min,经60℃×15min,120℃×15min,170℃×30min干燥后即可。涂层总厚度≥250μm。

试验方法:按GB1763—1989标准,将制好涂层的试棒分别放入腐蚀介质中进行浸泡试验。

 

1.2.2 涂层耐磨性

试样制备:采用100mm×8mm×5mm普通玻璃板,经溶剂清洗处理后,用喷涂的方法制备防腐涂层,共喷涂3次。第1、2次喷涂后先晾置15min,再经60℃×15min,120℃×30min干燥后,喷涂第3次,晾置15min,再经60℃×15min,120℃×15min,170℃×30min干燥后即可。涂层总厚度≥60μm。

试验方法:采用JM-IV型漆膜磨耗仪,在750g负荷、75r/min的试验条件下进行测试,用漆膜的失重表示漆膜的耐磨性(GB/T1768—2006)。

 

1.2.3 涂层摩擦系数

试样制备:采用48mm×5mm×5mm普通低碳钢板,经砂纸打磨处理后,用喷涂的方法制备防腐涂层,共喷涂3次。第1、2次喷涂后先晾置15min,再经60℃×15min,120℃×30min干燥后,喷涂第3次,晾置15min,再经60℃×15min,120℃×15min,170℃×30min干燥后即可。涂层总厚度≥60μm。

试验方法:采用往复摩擦磨损试验机,在500g负荷、往复频率1.5Hz的试验条件下,分别在干摩擦和水润滑的条件下测定摩擦系数。

 

2·结果与讨论

2.1 成膜基料的选择

环氧树脂因含有活性极大的环氧基、羟基,以及醚、***、酯等极性基团,因此赋予环氧树脂固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等极性基材优良的附着力,以及优良的化学稳定性和抗化学药品性,耐酸、碱、盐、机械油等多种介质腐蚀,但环氧树脂的耐热性较差;而酚醛树脂具有良好的耐酸性、力学性能、耐热性。以及酚醛树脂中的酚羟基与环氧树脂中的环氧基进行化学反应,使高分子网络交联形成更为复杂的体型结构,而使材料的内部联结更加紧密,耐腐蚀性有所提高。这种混合物具有环氧树脂优良的黏结性,改进了酚醛树脂的脆性,同时具有酚醛树脂优良的耐热性,也改进了环氧树脂耐热性较差的缺点。选用酚醛树脂和环氧树脂共混改性,可使漆膜具有良好的物理、机械性能和耐化学介质腐蚀性。涂层耐化学介质腐蚀情况见表2。

 

表2 涂层耐化学介质腐蚀性

 

试验介质

试验条件

试验结果

3% ***化钠

常温 X 90 d

涂层完好

10% 硫酸

常温 X 90 d

涂层完好

10% 盐酸

常温 X 90 d

涂层完好

10% 氢氧化钠

常温 X 90 d

涂层完好

10% 氢氧化钠

600C X 90 d

涂层轻微发白变色

 

2.2 偶联剂的选择

偶联剂由两部分组成:一部分是亲无机基团,可与无机填料或增强材料作用;另一部分是亲有机基团,可与合成树脂作用。为了增加树脂与填料之间的黏结力,应当采用偶联剂进行处理,在树脂和填料之间形成化学键结合,提高涂膜的内聚强度,并达到屏蔽或阻止腐蚀因子渗透的目的,从而提高涂膜的耐腐蚀性和耐磨性。硅烷类偶联剂其结构的一端有能与环氧、酚醛等合成树脂分子反应的活性基团,如氨基、环氧基等,另一端是与硅相连的烷氧基,这些基团在水溶液或空气中水分的存在下,水解生成反应性硅醇,可与玻璃、矿物质、无机填料表面的羟基反应。因此,硅烷类偶联剂常用于无机填料填充的环氧、酚醛等体系。本研究选用KH-560作偶联剂。

 

2.3 固体自润滑材料的选择

常用的固体自润滑材料有石墨、二硫化钼、聚四***乙烯微粉等。这些固体自润滑材料,在摩擦的条件下由于会富集在摩擦物件表面并形成转移膜,所以用其填充的复合材料的摩擦系数可大幅下降,并可降低复合材料的磨损率。石墨化学性能稳定,耐温性好,具有良好的耐腐蚀性,但石墨的水润滑性不够理想,并且对金属有电化学腐蚀倾向;聚四氟乙烯微粉自润滑性很好,但它表面能低,表面的黏附性较差,当其含量较少时,不足以形成完整的转移膜,自润滑效果不好,摩擦系数较大;当其含量大时会降低材料的内聚强度,涂层耐磨性差,防腐蚀性下降。本试验选用二硫化钼作为自润滑减摩材料。二硫化钼(MoS2)用量对摩擦系数的影响见图1。

 

图1 不同MOS2用量对摩擦系数的影响

 

 

由图1可见:二硫化钼可明显提高涂层的减摩性,随着二硫化钼用量的增加,涂层摩擦系数逐步下降。水对涂层有显著的润滑作用,可大幅降低摩擦系数。

 

图2 不同MoS2用量的摩擦表面状态

 

 

由图2可见:当二硫化钼用量为0时,摩擦表面粗糙无光泽;当其用量达到6%时,摩擦表面明显为光滑的状态,说明摩擦表面形成了很好的润滑转移膜。

 

2.4 耐磨填料的选择

耐磨填料一般是硬质材料,如陶瓷粉等,在涂层中主要起骨架的作用。本研究采用氧化锆陶瓷粉和硅微粉配用作为耐磨填料,它们是无机惰性填料,不参与涂料的固化反应,可以降低固化收缩率,并能与基体树脂紧密结合,形成致密的保护层,提高涂料内聚力和耐磨性等。不同填料用量对涂层耐磨性的影响见图3。

 

图3 不同填料用量对涂层耐磨性的影响

 

 

3·结语

本文讨论了酚醛树脂、二硫化钼及耐磨填料对环氧树脂耐磨防腐涂料性能的影响,其主要结论如下:

(1)酚醛改性环氧树脂经170℃×30min固化后漆膜具有良好的物理、机械性能和耐化学介质腐蚀性,是抽油管杆耐磨防腐涂层较理想的成膜物质;

(2)二硫化钼对涂层的减摩性具有明显的改善作用,其用量大于4%时,涂层自润滑性较好;当其用量达到6%时,摩擦表面会形成很好的自润滑转移膜,具有良好的自润滑性;

(3)水是酚醛改性环氧树脂涂层良好的润滑剂,这对涂层的实际应用是一种有利因素;

(4)加入耐磨填料可提高涂膜的耐磨性,随其用量的增大,涂层耐磨性变好,但当其用量大于40%后,磨损开始增大,耐磨填料用量以20%~40%为宜。

 

参考文献

[1]强军锋,王杨勇,井新利.高耐磨性防腐涂料的研制[J].石化技术与应用,2002,20(02):96-98.

[2]魏斌.碳锆复合树脂内涂层油管技术研究[J].石油机械,2009,37(03):8-15.

[3]陈姝帆,李朗晨,洪海霞.环氧改性酚醛树脂的耐腐蚀性能研究[J].化工新材料,2009,37(06):104-109.

[4]刘庆刚.HR新型耐磨防腐涂料的研制与应用[J].内蒙古石油化工,2010(17):8-9.

 

资料节录自广州地坪展