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抛丸机在环保长寿命高速公路护栏涂层的开发与应用

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2018-06-27 18:41:37 浏览人数:1077,1,0
  摘要:开发了一种新型的高速公路护栏防腐型式, 即环氧锌基聚酯复合涂层, 以环氧锌基粉末为底层, 聚酯粉末为面层, 抛丸代替酸洗, 环保的陶化代替污染的磷化, 粉末喷涂代替热镀锌, 通过性能对比确定了最佳工艺流程, 并自主研发了全自动智能化生产线设备, 降低了用工及劳动强度, 提高了产品质量的稳定可控性。复合涂层的综合性能优于前三代产品, 寿命可达2530 a, 生产过程节能、无污染, 是一种环保且长寿命的护栏产品, 已在国内多个重点路段得到应用。


  0 引言

  高速公路护栏是生命的安全屏障, 目前主要有三大类, 一种是纯镀锌护栏, 这是最早的一种防腐形式, 被称为第一代护栏产品, 是由护栏黑板热镀锌而成;一种是“热镀锌+聚酯”护栏, 是在热镀锌护栏的基础上, 喷涂上一层聚酯粉末, 被称为第二代护栏产品;还有一种是“热镀锌+聚乙烯”护栏, 是在热镀锌护栏基础上, 浸渍涂敷一层聚乙烯粉末, 被称为第三代护栏产品。

  三代产品各有优缺点, 第一代热镀锌护栏, 锌层对钢铁基材有牺牲阳极?;ぷ饔? 延长了护栏的使用寿命。但锌抗酸碱盐腐蚀性较差, 不适合湿度高、酸碱性、沿海盐雾性环境, 而且锌层长时间暴露在空气中, 逐渐会变暗发黑, 外观变差。第二代热镀锌聚酯护栏, 聚酯涂层将锌层与外部腐蚀环境隔离, 进一步延长了使用寿命, 使产品可在高湿度、酸性、沿海盐雾性环境中使用, 但聚酯粉末为静电喷涂工艺, 因为技术瓶颈, 无法实现立柱的内壁喷涂, 在长期使用过程中, 土壤对立柱内壁持续腐蚀, 这种腐蚀在土壤与空气的接触面上更为强烈, 从而导致立柱易从地面部位断裂, 这是一、二代产品共同的缺陷。第三代热镀锌浸渍聚乙烯护栏, 基本上消除了前两代产品的缺点, 涂层厚度是聚酯的2倍以上, 且聚乙烯具有优良的抗酸、碱、盐腐蚀性, 使护栏的防腐性能及寿命大幅延长, 基本可适用于绝大多数的气候环境。

  前三代产品都离不开热镀锌, 热镀锌有两大问题, 一是镀锌工艺需要酸洗, 二是热镀锌为高能耗、高污染的产业。前者导致了护栏的基材具有氢脆腐蚀的风险, 长期服役过程中抗撞能力会逐年衰减, 使用寿命受到限制;后者锌烟、锌粉污染环境, 450~500℃的高温高能耗不符合政府倡导的节能政策, 且现场工作环境恶劣, 劳动强度大, 也属于即将被淘汰的落后产能范畴。自2016年起, 国家加强了环保督查力度, 致使国内大部分热镀锌企业一度停产, 极大地影响了公路护栏的生产, 给国家公路建设带来影响。

  在这种情势下, 我公司集结社会优势资源, 研发推出了第四代护栏产品, 即环氧锌基聚酯复合涂层钢护栏。产品以海洋性重防腐环氧锌基粉末为底层, 取代了热镀锌, 但仍具有锌层的电化学?;ぷ饔?以聚酯粉末为面层, 弥补环氧体系的抗紫外线不足;以抛丸为前处理工艺, 取代了传统的酸洗, 消除了氢脆风险;开发出独特的内壁均匀喷涂技术, 解决了立柱的内壁防腐问题;全自动智能生产线, 从带钢上料, 到成品下线, 在一个车间完成, 减少了倒运环节, 降低了劳动强度, 进一步稳定了产品质量。产品环保, 综合性能优于前三代, 具有很大的社会效益和经济效益。

  本文对第四代护栏产品几个难度非常大的核心技术进行了论述, 确定了生产工艺和流程, 并对产品的社会和经济效益进行了分析, 阐述了市场前景。

  1 试验部分

  1.1 环氧锌基粉末的设计

  富锌涂料起源于海洋防腐技术, 环氧锌基粉末是我们与中科院海洋研究所侯保荣院士团队联合开发的, 其优良的防腐性能, 取决于3个方面:一是锌粉的牺牲阳极作用, 二是锌粉的屏蔽效果, 三是锌的自修复功能。

  锌粉的牺牲阳极作用防护机理如下:
计算公式
  锌的标准电极电位低于铁, 当二者连通时, 锌粉将电子转移到铁上, 避免铁转换成Fe2+, 降低了铁的腐蚀。

  锌的屏蔽功能主要是借助锌的鳞片状结构, 形成平行、搭接、交叠的排列结构, 延长腐蚀介质渗入的路径, 延长腐蚀介质到达底材的时间, 从而达到提高防腐效果的作用。

  锌的自修复功能主要是指涂层局部破损后, 破损部位锌的腐蚀产物如Zn O、Zn (OH) 2、Zn CO3、Zn CO3·2Zn (OH) 2·H2O等将会积聚于破损处, 形成一层较为致密的?;つ? 阻止进一步腐蚀。但若破损面积较大, 修复?;ぷ饔媒辉傧灾? ?;ぷ饔孟陆?。

  粉末的设计主要涉及2个方面, 一是环氧体系选型, 二是鳞片状锌选型?;费跆逑笛⌒头矫? 在大量筛选试验的基础上, 大致确定了3个配方方向, 均以双酚A型低相对分子质量固态环氧树脂 (两步法) 为基础, 一是复配双酚A型中相对分子质量固态环氧树脂 (配方一) , 二是复配酚醛型环氧树脂 (配方二) , 三是3种树脂全用 (配方三) ;鳞片状锌分别选取了树脂包覆与不包覆、国产与进口共4种。

  采用抛丸工艺制样, 控制涂层厚度40~60μm, 性能测试按照GB/T 18226—2015标准, 防腐性能主要进行循环盐雾、阴极剥离、湿热等试验, 机械性能主要进行附着力、耐冲击性、弯曲等试验。

  1.2 前处理设计

  前处理以抛丸为主, 需论证是否有必要联合化学处理。选择合适的抛丸工艺进行试验, 获得清洁度Sa2.5级、锚纹深度20~40μm的表面;化学处理选用环保的陶化工艺, 确定3个配方进行对比试验, 分别为p H=5 (陶化一) 、p H=7 (陶化二) 、p H=9 (陶化三) ;采用1.1中确定的粉末进行喷涂, 性能测试按照GB/T18226—2015标准, 进行循环盐雾、阴极剥离、湿热、附着力等试验。

  1.3 立柱内壁喷涂工艺设计

  小口径钢管 (DN 200 mm以下) 内壁喷涂一直是行业的难题, 制约因素一般有3个, 一是静电屏蔽及击穿效应, 导致上粉较差, 均匀性不良甚至漏涂;二是多层喷涂时, 静电反弹导致上粉更难;三是静电击穿火花存在安全隐患。为此, 内壁喷涂的设计, 不能使用过高的电压, 同时粉末需要特殊改性, 以适应低电压工艺。

  通过多次试验及论证, 确定了3种喷涂工艺进行对比, 一是静电负压吸涂工艺, 二是静电喷涂工艺, 三是摩擦枪喷涂工艺。其中, 负压喷涂工艺的原理是在立柱下端安置一个特制的大粉量静电喷枪, 立柱上端接粉末回收引风设备形成负压, 立柱内壁中心置一静电针, 辅助形成均匀电场。

  调整喷涂参数, 使涂层平均厚度在36~56μm之间, 沿轴向每200 mm测量一组涂层厚度, 评估几种工艺的优劣。

  2 试验结果与讨论

  2.1 环氧体系确定

  对环氧体系设计的3组粉末配方进行防腐性能和机械性能测试, 结果见表1。

  表1 不同配方体系的环氧粉末性能测试结果

  表1 不同配方体系的环氧粉末性能测试结果

  从表1可以看出:

  1) 配方二的防腐性能最为优异, 配方一的机械性能最为优异, 配方三居中。

  2) 防腐性能的趋势与机械性能的趋势基本相反 (附着力差异不大, 认为不具有趋势性) 。

  分析出现这种结果的原因, 是涂层的交联程度不同所致, 酚醛环氧有相对高的交联度。综合各项性能, 确定选择配方三。

  2.2 锌粉确定

  按照2.1中的配方三环氧体系, 添加一定量的锌粉, 等量去除粉末中的填料, 制粉后测试各项性能, 结果见表2。

  表2 不同品种锌粉的环氧粉末性能测试结果

  表2 不同品种锌粉的环氧粉末性能测试结果

  从表2可以看出:

  1) 锌粉加入后, 涂层的抗盐雾性能均有提升, 但包覆的优于不包覆的, 进口的优于国产的。原因主要是不包覆锌粉在加工过程中发生氧化, 进口锌粉在纯度及片状尺寸控制上较为优良。

  2) 锌粉加入后, 对阴极剥离、湿热、附着力、耐冲击性等性能都有不利的影响, 且几种锌粉未见差异。这说明锌粉的加入影响了涂层的固化交联, 导致了与铁基体的结合有所下降。

  采用包覆的锌粉, 需要添加特殊助剂来改善涂层的微电流导通性, 方可充分发挥锌粉的电化学?;ぷ饔?。确定选择包覆的进口鳞片状锌。

  2.3 前处理工艺确定

  分别采取抛丸、“抛丸+陶化一”、“抛丸+陶化二”、“抛丸+陶化三”进行试验, 对喷涂样板进行了性能测试, 结果见表3。

  表3 不同前处理工艺的性能测试结果

  表3 不同前处理工艺的性能测试结果

  从表3可以看出:

  1) 陶化一、陶化二对各项性能均有不利影响, 采用陶化三的各项性能有明显增强, 尤其是防腐性能, 这说明碱性陶化更适合铁基体与环氧锌基粉末的喷涂。

  2) 单独的抛丸工艺, 各项性能可满足GB/T 18226—2015的要求, 但阴极剥离性能处于合格与不合格的边缘, 有风险性。

  综上, 确定采用抛丸与陶化的联合处理工艺, 陶化选用碱性陶化三配方。

  2.4 立柱内喷涂工艺确定

  采用3种喷涂工艺进行喷涂, 涂层厚度测量从一端到另一端, 同一位置周向测4点取平均值, 所得涂层厚度结果见表4。从表4可以看出:

  1) 负压吸涂靠近两个端口的位置涂层厚度较大, 但内部较长一段距离涂层很薄。这是因为粉末的流动惯性, 在内壁中段较难上粉;端头由于静电场集中等因素, 容易上粉。

  2) 静电喷涂虽然涂层平均厚度还可以, 但标准差太大, 涂层均匀性不好, 甚至有漏喷的点。

  3) 摩擦枪喷涂的方式, 涂层厚度及均匀性都比较好。试验还发现, 对摩擦枪进行静电辅助改造, 较低电压下静电辅助, 增强电场效果, 上粉率改善非常明显, 且均匀性依然稳定。

  综合考虑, 采取摩擦喷枪-静电辅助联合工艺。

  3 应用

  3.1 生产设备

  采用智能化全自动生产方式, 保证生产过程流水线无倒运造成二次表面污染现象, 从而保证产品内在质量。各工序采取集成控制方式, 自动衔接, 可控性强, 质量稳定性好。用工人数少, 劳动强度低。

  表4 涂层厚度测试结果

  表4 涂层厚度测试结果

  而前三代产品一般由3条生产线组成, 为焊管线或冷弯线、镀锌线、涂装线, 用工人数多, 且中间环节较多, 质量控制难度大。

  3.2 复合涂层性能

  环氧锌基聚酯复合涂层的各项性能经对比测试, 均优于前三代产品 (因篇幅所限, 试验数据不再赘述) , 可适用于高温、高湿、强紫外线、酸、碱、盐等各类恶劣的气候环境, 证实了环氧锌基涂层可完全替代并优于热镀锌层。第四代产品使用寿命高出常规产品5~10a, 预计可达20~25 a之久。2015年将该防腐被列入GB/T 18226—2015标准, 该技术被列入国家发改委《国家重点推广的低碳技术目录》。

  3.3 应用案例

  环氧锌基聚酯复合涂层钢护栏已经在多个公路进行了应用, 仅2016年推广里程就达367.5 km, 得到业主和施工单位好评。

  3.4 经济和社会效益

  环氧锌基聚酯复合涂层钢护栏相比前三代产品, 环保低碳, 无三废排放, 无熔融锌锭高温造成的热损失, 节能减排符合绿色交通的产业要求, 为社会节约了资源。生产过程采用清洁能源, 经国家权威部门检测, 每t护栏平均节煤100 kg, 减排250 kg。年产100万t可节煤10万t, 减少碳排放25万t, 环氧锌基聚酯复合涂层钢护栏在低碳、环保、节能减排等社会效益方面具有无比的优越性, 将推动护栏行业的转型升级。

  4 结语

  1) 环氧锌基粉末的最佳环氧体系为中、低相对分子质量双酚A型环氧树脂与酚醛型环氧树脂的复合体系, 锌粉宜选用进口的、树脂包覆的鳞片状锌, 粒径10~40μm为宜, 但需针对使用环境确定合适的用量, 否则性能适得其反?;费跣炕勰┓栏阅苡帕? 可完全取代热镀锌层。

  2) 抛丸取代酸洗工艺, 可消除氢脆风险;抛丸与陶化联合, 可进一步提升涂层防护寿命。

  3) 立柱内壁喷涂宜选用摩擦喷枪工艺, 静电辅助可进一步改善喷涂效果。

  4) 环氧锌基聚酯复合涂层综合性能优于热镀锌、“热镀锌+聚酯”、“热镀锌+聚乙烯”涂层, 且生产环境友好, 生产过程低碳节能, 是一种环保长寿命防腐产品, 具有显著的经济和社会效益。
本文来源青岛华盛泰抛丸机://www.kkc4a.cn/jishu/1077.html
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