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FEVE涂料的發展及應用前景,結合“2012 氟硅涂料行業年會”及往屆年會專家觀點,介紹了FEVE 樹脂涂料的主要品種
2019年09月18日    閱讀量:381    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 引言

氟碳樹脂規整的結構及C—F 鍵的高鍵能使氟碳樹脂涂料具有超強的耐候性和耐腐蝕性,注定了其在建筑、防腐和新能源等領域會有突出的表現。


2012 氟硅涂料行業年會于9 月在成都召開,業內外的200 多位代表出席了會議,與會專家一致認為,建筑和防腐己成為氟碳涂料兩大成熟的應用領域,而近年來其在新能源領域的應用也頗受關注,己有不少企業的相關產品在新能源領域得到應用,相信假以時日,氟碳涂料在新能源等領域的應用必將打開新的局面。在國外,FEVE 樹脂涂料在汽車領域、飛機等運輸機領域也得到了廣泛的應用中國建材網cnprofit.com


1 涂料用氟碳樹脂

氟碳涂料用樹脂主要包括以下幾類:三氟氯乙烯-乙烯基醚(酯)(FEVE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)等。本文重點介紹FEVE 樹脂涂料的應用及發展前景。


2 FEVE 樹脂涂料

2.1 FEVE 樹脂涂料的主要性能

任何樹脂的優異性能都是由其特定的結構所決定的,FEVE 樹脂也不例外,FEVE 樹脂中C—F 鍵的高鍵能,及其特有的交替共聚結構(如圖1 所示),使FEVE 樹脂具有眾多優異的性能。從圖1 不難看出,FEVE 樹脂的結構特點,使其具有以下優異性能:可使用有機顏料調制出豐富而艷麗的色彩;樹脂可完全溶解于溶劑,涂膜可自然形成高光、平滑、美觀的表面;可采用中低溫(固化溫度可選擇常溫~180℃)固化,即使是用于超薄的鋁膜,也可涂裝出高光澤、色彩鮮艷或透明的涂膜;可現場涂裝。同時,較好的附著性使其可廣泛應用于金屬(鋼材、鋁、銅和鋅等)、混凝土、合成塑料[FRP(纖維增強復合塑料)、PET(聚苯二甲酸乙二醇酯)和PC(聚碳酸酯)]、回收塑料(聚乙烯、聚丙烯、PET)、玻璃和木材等表面。

FEVE 樹脂的結構及性能

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2.2 FEVE 樹脂涂料的主要品種及其應用

近年來,為了適應減少揮發性有機化合物(VOC)排放的環保要求,業內相繼開發出弱溶劑型、水性、粉末、高固體分FEVE 樹脂涂料,以實現節能減排。表1 列出了在以溶劑涂料的初次涂裝VOC 排放量為100 g/L 的情況下,與其他形態涂料的VOC 排放量的比較。


水性樹脂中所含固體成分一般比較低,為了確保其穩定性,以及幫助乳液粒子的成膜,要加入成膜助劑,因此,水性涂料中仍含有VOC,而且排放量比粉體涂料的多。由表1可以看出,粉末涂料的VOC 排放量最低。所以,在不同的情況可以選用不同的涂料以減少VOC 的排放,如高溫烘烤的場合選用粉末涂料,在常溫固化的場合使用水性涂料。

涂料的種類以及初期VOC 的排放量

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注:(1) 美國環境局有 Hazardous Air Pollutant Solvents 的設定,不在其范圍的溶劑稱為HAPS-Free 溶劑。在此前提下,少量或無VOC 產生的溶劑被稱為Exempt Solvent(例:tert-Butylacetate);(2) 發生光化學反應的VOC 產生臭氧的單位值來講弱溶劑型的數值比較小。


2.2.1 溶劑型

(1) 在建筑及防腐領域的應用

常溫固化溶劑型FEVE 樹脂涂料的現場涂裝多于工廠涂裝,主要用于混凝土橋梁、鋼制橋梁等大型土木建筑等必須進行現場涂裝的工程。除此之外,在一些使用及防腐年限要求較高的重大工程,如業內人士普遍關注的“港珠澳大橋”等,為了控制翻新重涂,延長使用壽命,涂層配套體系的面漆選用了FEVE 氟碳面漆。在一些相關行業的標準規定了選用氟碳面漆的涂層配套體系。

近年來,我國的大型和特大型橋梁建造如火如荼,黃河上已建成各類橋梁60 余座;長江上更是有上百座結構各異的大型橋梁;一些跨越海灣連接大陸與海島的跨海大橋也已建成或進入規劃與施工階段,這些橋梁的設計、制造、施工技術和橋梁結構理論、材料科學研究均達到國際先進水平。雖然,經過10 多年的發展,防腐和建筑市場己成為溶劑型FEVE 氟碳涂料相對成熟的應用領域,但正如眾多專家在歷屆年會上一再強調的那樣,在橋梁的防護保養方面,我國的實踐時間還很短,還有很多問題亟待業內人士解決,如,對于不同腐蝕環境、不同腐蝕部位缺少統一的橋梁施工規范;橋梁維修用涂料的相關技術;弱溶劑、自清潔氟碳涂料的應用效果等問題。


(2) 在新能源領域的應用

開發利用可再生能源既是我國當前調整能源結構、節能減排、合理控制能源消費總量的迫切需要,也是我國未來能源可持續利用和轉變經濟發展方式的必然選擇。國家能源局于2012 年8 月6 日發布了《可再生能源發展“十二五”規劃》,確定了可再生能源發展的基本原則。氟碳涂料憑借其超長的耐候性,作為風電、太陽能電池背板等新能源的配套材料,必將迎來新的發展機遇。


一般風力發電設備要使用15~20 a,而在風電行業發展之初,在歐洲超長耐候性面漆的發展還不成熟,因此選用了技術上最為成熟,相對耐候性較好的丙烯酸聚氨酯作為面漆。而一般聚氨酯配套涂層的保護壽命沒有氟碳涂料的長,而風機的使用壽命要達到20 a,因此,其間勢必需要進行重涂和維護工作,造成經濟和人力成本的耗費。風力發電設備主要由槳葉、風機及塔筒組成,其中塔筒是需要防腐涂裝的主要部位。


陸上風力發電場的自然條件惡劣,常年風力在4 級以上,并伴有風沙,強烈的日光曝曬,風雨、冰雪的侵襲等;海邊風電設備,還會受到水汽、鹽霧的侵蝕和海水浪花的濺潑,因此極易受到腐蝕;海上風電設備處于嚴酷的海洋大氣環境中,不僅存在著高鹽霧、高濕度等環境條件下的腐蝕問題,還會受到如船舶靠泊、漂浮物的撞擊及各種海洋生物,包括海洋動物、貝類、植物類等的影響,海上風電場從風機的基礎結構到塔筒,從葉片到機艙,從風電機組各類機械零部件到電氣元器件,都要經受海洋腐蝕環境的考驗。


因此,風力發電站所處風場的環境不同,對所用氟碳涂料的耐候性、防腐性能、耐磨性、耐水性及附著力等的要求也不同。國內現有的風電設備防腐涂料,以國外品牌為主,而國產風電涂料品牌主要有:西北永新、無錫福斯特、石家莊金魚、中遠關西、濟南華臨等為數不多的廠家。


其中外資品牌主推的涂料配套體系是環氧/丙烯酸聚氨酯配套體系,而國產品牌已開始主推環氧/氟碳涂料體系。據廣東明陽風電產業集團公司詹耀主任介紹,廣東明陽在EPC 項目的粵電湛江徐聞外羅海上風電場的塔筒外表面的涂層系統為:電弧噴鋅/鋁合金120~150 μm+環氧封閉涂料20μm+環氧(云鐵)厚漿涂料180 μm+丙烯酸聚氨酯面漆40μm+氟碳涂料40 μm,涂層干膜總厚度為400~450 μm,初期的涂裝和檢測效果十分顯著。



據常熟三愛富中昊化工新材料有限公司安靜雯高工介紹氟碳樹脂及FEVE 樹脂涂料在太陽能光伏電池背板上也具有較大應用市場。根據市場研究機構GTM Research發布的研究報告,2012 年全球光伏組件產能將達到59 GW,而市場需求僅為30 GW,全球的光伏行業依然飽受著供過于求和潛力遭遏制的困境,在今后相當長時間內,我國光伏產業主要依賴國際光伏市場的狀況將難以持續。


太陽能電池封裝材料由邊框、玻璃、EVA 膠膜、背板等組成。背板位于太陽能電池板的背面,對電池片起保護和支撐的作用,具有可靠的絕緣性、阻隔性、耐老化性。太陽能背板又稱TPT 材料,由3 層結構組成,外層是T 膜,中間層是P 膜,T 與P 之間以膠水粘結。其中T 層是含氟層,作為太陽能電池封裝材料的最外層,作用是耐候、耐紫外線、耐老化、不感光等。


P 是聚酯薄膜,其厚度在250μm 左右,其主要作用是水汽阻隔性、電氣絕緣性、尺寸穩定性、易加工性和耐撕裂性。目前,國內背板產業還處于起步階段,其開發生產企業大多分布于長三角地區,開發的背板主要分復合型背板和涂覆型背板2 大類。


以臺虹、賽伍、樂凱、匯通為代表的背板企業主要采用PVF、PVDF等氟膜與PET 基材通過膠粘劑粘結復合而成復合型背板,其氟膜主要依賴進口,背板制造成本較高;以蘇州中來、哈弗龍、福斯特為代表的背板企業通過用FEVE 樹脂為主體材料的涂料以涂覆的方式與PET 基材復合制備涂覆型背板,在背板成本與工藝技術方面有較大優勢。在太陽能背板上使用的氟材料主要為氟塑料薄膜及氟樹脂涂料,分別用于復合型背板及涂覆型背板中,用于背板的含氟材料的主要類型如表2 所示。

FEVE涂料的發展及應用前景,結合“2012 氟硅涂料行業年會”及往屆年會專家觀點,介紹了FEVE 樹脂涂料的主要品種 中國建材網,cnprofit.com

用于背板的含氟材料的主要類型

使用常規的涂布機可以將合適的氟碳涂料涂布在PET薄膜上,與復合型背板相比,在使用含氟涂料時需要慎重考慮以下問題,包括:與PET 粘結性、如何避免針孔、如何控制層間附著、開裂、涂料中使用的溶劑對基材的影響等,需要進行大量的實驗及驗證。

2.2.2 水性

HG/T 4104—2009《建筑用水性氟涂料》標準中將水性氟涂料分為3 類:PVDF 類、FEVE 類和含氟丙烯酸類。水性FEVE 樹脂涂料作為水性氟碳的重要品種之一,可分為FEVE乳液及FEVE 分散體。常溫固化的現場施工可以使用水性FEVE 樹脂涂料。水性FEVE 乳液保持了與含有架橋羥基的溶劑型FEVE樹脂(氟乙烯和乙烯基醚交替共聚物)基本相同的結構。為保持羥基在水中穩定,保持親油部分與親水部分的平衡非常重要。


羥基含量高的FEVE 乳液樹脂可以用低分散性異氰酸酯作為固化劑;羥基含量少的樹脂多被用作單組分常溫固化涂料。即使有架橋構造,乳液型涂料相比溶劑型在涂膜的耐水性和外觀方面仍有一定的差距。乳液型涂料的成膜是因其粒子的融著,此種成膜形式會對其耐水性有所影響,而且乳化劑的存在也會降低其耐水性。所以,業內開發了成膜性能良好而且耐水性等涂膜性能不亞于溶劑型的水性FEVE 分散體。水分散型涂料不含乳化劑,所以其成膜后的耐水性會有所改善。而且分散型的粒子非常細膩,更容易融著,相對于乳液型產品,其涂膜更能達到均一性。


2.2.3 粉末

作為目前最為環保的高溫烘烤涂料,粉末涂料用FEVE樹脂的結構與溶劑型的相同。相對于其他粉末涂料來說,氟碳樹脂粉末涂料不適宜用在室內,在保證長期使用的前提下,主要應用在鋁板材幕墻以及窗框等建材、空調外機的外框、變壓器以及儀表等的外裝及外框上。在美國,環境性能評價方法LEED(Leadership Energy andEnvironmental Design)的普及使得使用環保材料的基礎環境非常扎實。中東地區也要求涂料不含溶劑而且耐候性要達到AAMA 2605 標準,因此,該地區對氟碳樹脂粉末涂料的需求也在增長。近年來,亞洲以及大洋洲地區對粉末涂料的要求與需求也有同樣的傾向。


2.2.4 弱溶劑型

隨著環保壓力及已有工程翻新維修壓力的增大,弱溶劑型FEVE 樹脂涂料將是未來很重要的發展方向之一。礦油精是弱溶劑的代表性溶劑。弱溶劑型FEVE 涂料既環保又便于施工,在翻修工程使用時,因弱溶劑型氟樹脂涂料不溶解舊涂膜,不會產生咬底現象,因而在施工中對原有舊涂膜可不進行處理,直接施工。據旭硝子株式會社介紹其在不損壞FEVE 樹脂交替性的情況下導入與礦油精相容性較高的乙烯基醚長側鏈,制得了弱溶劑型FEVE 樹脂涂料并已市場化。此外也有公司用石油溶劑替代芳香烴溶劑,制備了不含空氣污染溶劑(表1 中非HAPS 溶劑)的FEVE 涂料。


2.2.5 高固體分

隨著環保法規要求的日益嚴格,高固體分FEVE 涂料必將成為溶劑型FEVE 涂料的另一替代品。飛機用涂層除了外觀非常重要外,還需要耐紫外線,而且還要經受高空的低溫-50 ℃到近地常溫的溫差考驗。在高速飛行中雨水的沖擊力很大,耐雨水侵蝕性能也很重要。除此以外還要耐火山灰以及酸雨。在具備以上性能的同時,還要對具有強滲透力的潤滑油以及燃油有很好的耐受性。總而言之,飛機用涂層的要求是非常嚴格的。業內已有將高固含FEVE 涂料在飛機外涂層上應用的案例。


3 結語

(1) 隨著環保壓力的增加,環保型FEVE 氟碳涂料將是未來的發展方向;

(2) 在防腐領域,氟碳涂料在我國的實踐時間還很短,還有很多問題亟待業內人士解決,例如,對于不同腐蝕環境、不同腐蝕部位缺少統一的施工規范;橋梁維修用涂料的相關技術;弱溶劑、自清潔氟碳涂料的應用效果等問題;(3) 隨著氟碳涂料應用領域的不斷擴大,滿足不同應用領域特殊的性能要求,如耐沾污性、彈性、耐磨性、水蒸汽透過率、太陽光熱反射性等,已成為氟碳涂料應用研究的重點與難點。


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