一種電力設備器材專用防腐阻燃漆的制備方法

劉興中，戴明明，李 強，王 康，孫 琦，汪志勇*

（1.國網安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236000; 2.中國科學技術大學先進技術研究院，安徽 合肥 230094）

0 引 言

變電站鋼結構建筑工作環境的溫度較高，并且有線路短路等情況和發生火災的風險[1]。在發生火災時，鋼結構的承重部件因為受熱會發生形變，承重件軟化塌陷后會造成人員傷害和財產損失。為此需要在鋼結構建筑的梁和柱上涂刷防火涂料，為鋼結構部件提供有效的阻燃隔熱防護[2]。鋼構件的安全保護主要分為防腐保護和防火保護，在涂刷防火涂料之前，需要對鋼構件進行防腐處理，一般的防腐處理需要將鋼構件打磨除銹除油除灰，然后噴涂防銹漆[3]。防銹漆施工完成后，需要將表面打磨除灰，再進行防火涂料的噴涂施工[4]。市售的防銹漆大多數防腐性能較差，并且不具備阻燃、防火、隔熱效果。另一方面，市售的防火涂料阻燃性一般，基本沒有隔熱效果。發生火災時涂層受熱后，熱量會迅速傳導至基材，導致鋼構件形變。此外，普通防火涂料的耐水、附著力、耐候等性能也比較差，使用時間超過3 個月會發生粉化、鼓包、開裂、脫落等情況。在電力工程中，設備的檢修工期很短，一般都在幾十個小時內完成，市售防腐漆和防火涂料的施工，需要涂刷很多遍才能達到預期厚度（通常1~2 mm），單遍施工厚度通常100~200 nm，施工成本很高，施工周期往往超過檢修工期，無法滿足變電站鋼結構廠房的安全保護要求。目前在已有的報道中，對于防腐阻燃一體化涂料的研究主要還是集中于填料的混合配置，從研發新型阻燃樹脂的角度來解決上述問題的研究還未見報道[5-7]。

因此，研發一種電力設備器材專用防腐阻燃漆來替代常規的防腐漆和防火涂料，可一次性涂刷在變電站的鋼結構建筑表面，利用合成的ODDP 型磷氮系阻燃樹脂成膜后形成的致密高分子層，阻隔作業環境中氧氣、水、酸堿等對鋼結構基材的腐蝕，從而達到優秀的防腐效果。在該漆膜涂層達到一定的厚度時，形成一種阻燃隔熱層，該涂層在發生火災時，可以發生化學反應來吸收一部分熱量，同時自身會形成致密的碳化層來阻隔熱量的傳導，從而延緩鋼構件的形變，有利于提高消防救援的效率。同時要求施工單遍涂刷厚度達到1 mm 左右，快速完成施工。這種一體化的高效電力設備器材專用防腐阻燃漆，具有很好的經濟效益和社會效益。

1 制備實驗

1.1 主要原料

三氯氧磷、N,N- 二甲基磷氨基二氯化物（西亞試劑）；乙醇胺、1- 氯-4- 乙烯基苯、4- 叔丁基-2-二苯基膦基苯酚、叔丁醇鈉、二甲亞砜及其他堿或溶劑（國藥化學）；各類樹脂、助劑、填料等（萬華化學、上海深竹化工）；其它原料網上自購。

1.2 ODDP 單體制備

圖1 ODDP 單體合成路線Fig. 1 The preparation of ODDP monomer

1.3 ODDP 型阻燃樹脂制備

圖2 ODDP 型阻燃樹脂合成路線Fig. 2 The synthesis route of ODDP flame-retardant resin

1.4 實驗方法

1.4.1 ODDP 單體的合成步驟

在N2保護下，將三氯氧磷、二甲胺基二氯化磷、溶劑和堿加入反應器中，攪拌反應一段時間后抽濾除去沉淀物得到濾液；再將一定量的乙醇胺、溶劑和堿加入上述濾液中，N2保護下繼續反應，最后用石油醚洗滌，抽濾除去不溶物，濾液蒸餾后得到ODDP 單體[8]。

1.4.2 苯磷酰二氯衍生物合成步驟

步驟1：1- 氯-4- 乙烯基苯（1.0 mol），亞磷酸三乙酯（1.5 mol），4- 叔丁基-2- 二苯基膦基苯酚（0.1 mol），叔丁醇鈉（2.1 mol），無水二甲基亞砜（40 mol）置于裝有攪拌棒的密封反應器中，反應器抽真空并用氮氣回填3 次。在室溫下在光反應器中（光波長427 nm）攪拌反應22 h?；旌衔镉名}水淬滅，用乙酸乙酯萃取。有機層合并，備用于下一步反應。

步驟2：在步驟1 所得的產物中加入氯化銨（4 mol），置于密封反應器中，抽真空充氧氣，70℃下反應8 h，產物用于下一步反應。

步驟3：將步驟2 所制得的產物置于反應器中，加入二氯亞砜（2.2 mol），N’N- 甲基甲酰胺（10 mol），130 ℃回流反應10 h，反應結束后得到目標產物用于樹脂制備。

1.4.3 ODDP 型阻燃樹脂制備步驟

在500 mL 圓底燒瓶中，加入0.2 mol ODDP 單體以及50 mL 溶劑（四氫呋喃），攪拌均勻；把混合液溫度降至0 ℃，再緩慢滴加入0.3 mol 苯膦酰二氯衍生物，并添加0.6 mol 堿（三乙胺），添加完畢后，反應液回流反應10 h。反應結束后，冷卻至室溫，然后用1 mol/L 稀鹽酸調節反應液到pH ＝5~7。將反應混合物用氯仿萃取，合并有機相，無水硫酸鈉干燥。過濾旋去部分溶劑，得到黏稠的透明液體，即為ODDP 型高分子磷- 氮膨脹型阻燃樹脂。

1.5 防腐阻燃漆制備

表1 防腐阻燃漆配方Table 1 The formulation of anticorrosion and flame-retardant coating

具體制備步驟：

（1）在25 ℃下，調漆罐中加入ODDP 型阻燃樹脂和溶劑，啟動攪拌，攪拌的速度為1 000 rpm，直到液面中心出現旋渦。

（2）將分散劑和防沉降劑緩慢加入到步驟（1）的調漆罐中；再加入阻燃劑、成炭劑和發泡劑，之后在2 000 rpm 的攪拌速度下分散20 min 使物料充分混合；然后加入顏填料，在2 000 rpm 的攪拌速度下分散20 min；最后在2 000 rpm 的攪拌速度下高速攪拌分散60 min。

（3）按照實際所需比例添加固化劑，充分攪拌固化后過濾網進行刷涂或者無氣噴涂施工?；男鑿氐状蚰コ页P，保持表面清潔干燥。

在制備出防腐阻燃漆之后，我們對于已經固化成型的防腐阻燃漆做了紅外測試，如圖3 所示，3 308 cm-1為游離胺類固化劑-N-H- 伸縮振動吸收峰，2 940~2 884 cm-1為-CH2-CH2- 的伸縮振動吸收峰，1 407 cm-1、1 243 cm-1為-P=O- 的特征吸收峰，1 010 cm-1為-P-N- 的特征吸收峰。從紅外譜圖分析，符合對應的樹脂分子結構。

圖3 涂料紅外譜圖Fig. 3 The IR spectrum of coating

2 測試實驗

根據1.3 中的制備步驟，分別調整以上各組分中的成分及配比，以效果較好的測試實驗組作為對比。測試實驗組按相關標準制件并進行測試，D-PT1為市售防火涂料，D-PT2 為市售防腐漆，D-PT3 為空白對照組（不加阻燃劑、成炭劑、發泡劑，其他組分與PT1 相同），測試結果如表3 所示。

3 結果與討論

以上測試組實驗，選取ODDP 型磷氮系阻燃樹脂為成膜物質，其結構特點為：高分子結構，含有P、N 元素，分子鏈的末端還含有活性較高的環氧基，可以利用環氧樹脂常用的胺類、聚酰胺類、聚醚胺類等固化劑將其固化。這種結構的樹脂具備以下的功能：（1）樹脂可以分散在多種溶劑中，固化條件簡單，成膜性好；（2）樹脂可以和多種環氧固化劑進行反應，滿足不同條件下的使用需求；（3）固化后附著力較好，因此對基材有較強的遮蔽性，防腐性能突出；（4）由于樹脂分子本身帶有較多的P/N 基團，所以具有一定的阻燃性能，加上復配的阻燃劑，可以達到很好的阻燃隔熱效果。

表2 中，首先我們對阻燃劑、成炭劑、發泡劑進行了篩選，主要考察涂層的氧指數，結果反饋在表3中?？梢钥吹?，由于樹脂本身具有一定的阻燃性能，添加復配型阻燃劑可以很好地提升整體的阻燃性，而且該系列樹脂對于阻燃劑、成炭劑、發泡劑等兼容性很好，常用的幾種阻燃物料都可以添加進去并得到較好的結果。

表2 測試實驗組Table 2 The control experimental groups

表3 測試項目及結果Table 3 The control experimental results

接下來我們對于配制涂料普遍使用的分散劑、消泡劑、潤濕劑、防沉降劑、流平劑等進行了優化。在不加這些助劑時，涂料本身會出現諸如沉降、流掛、氣泡多、固化不徹底等現象，說明助劑的添加是必要的。表2 中助劑型號有所不同，主要是為了與具體的固體物料進行配套使用。該樹脂對于助劑保持了很好的兼容性。

最后，我們篩選了顏填料、溶劑、固化劑。顏填料的種類很多，無法明確對比，我們最終在所有測試組中均選取了常用的鈦白粉作為顏填料。采用單一以及混合的固化劑或溶劑，該系列防腐阻燃漆均能夠固化成膜，而且也表現出了優異的阻燃及防腐性能（氧指數不低于29，耐燃時間不低于120 min，附著力1 級，耐中性鹽霧不低于4 600 h）。

圖4 為防腐阻燃漆樣板，是經過4600 h 耐中性鹽霧測試后的圖片。從圖中可以看出，涂層基本完好，沒有鼓包、開裂、脫落等明顯的損壞。

圖4 表3 中PT2 的涂層樣板Fig. 4 The steel plate coated with PT2 in table 3

4 結 論

本研究制備出的電力設備器材專用防腐阻燃漆，具有施工簡單、附著力好、干燥時間較短的優點，同時其防腐性能和阻燃性能比市售產品好。在電力設備器材中應用，可以有效降低腐蝕及火災風險，具有很好的社會效益和經濟效益。