CN104449208A - 深海油气输送钢管外壁3pe防腐涂料环氧底层及制备方法 - Google Patents

深海油气输送钢管外壁3pe防腐涂料环氧底层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层及制备方法。环氧底层的原料组成按质量百分比为：环氧树脂60~75%、硅烷偶联剂5~10%、氧化石墨烯0.5~1.5%、气相SiO2 2~5%、固化剂15~30%。其制备方法，包括以下步骤：将原料混合均匀后，进行超声波处理，再放入搅拌机中搅拌均匀，加热固化，得到所述环氧底层。本发明具有优异的力学性能，尤其改善了拉伸剪切强度和冲击强度，应用广泛。

Description

深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层及制备方法
技术领域
本发明属于钢质管道防腐技术领域，特别涉及一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层及其制备方法。
背景技术
油气资源作为一个国家重要的能源和战略物资，在现代军事、工业以及人类生活等领域发挥着至关重要的作用。随着陆上石油天然气资源被过度开采造成的资源枯竭，海洋油气的争夺、开采与利用已成为当今世界大小各国军事、政治、经济以及外交等关注的热点与焦点。目前，海洋油气资源开发通常采用大型船舶和管道等方式进行运输，其中海底管道运输具有安全性能高和成本低的突出优势，已被大多数国家所采用。目前国外海底油气输送管道总量已超过110000Km，而我国在海洋石油天然气勘探、开发和油气输送等方面起步较晚，国产海底油气管道在力学性能，耐腐蚀和使用寿命方面与国外产品存在较大差距，安全隐患也比较突出。因此，研制耐恶劣海洋环境的油气输送管道迫在眉睫。而管道的防腐对管道的使用寿命和使用安全至关重要。
3PP/3PE管道防腐层是世界公认的最先进、最有效的管道防腐方案，其超过50年的防护效果和经济的施工价格也是能够大面积推广的重要原因。它由熔结粉末环氧底层、胶黏剂中间层和聚乙烯/聚丙烯外层3种材料构成。
由于环氧树脂未经改性的固化产物一般延伸率低、柔韧性差、脆性较大。当承受到内应力时，迅速形成缺陷区并扩展成裂缝，导致固化物开裂。树脂采用通用固化剂后，树脂交联密度高、内应力大，又因交联网络中羟基浓度较大，存在吸湿性大、耐湿热稳定性差、尺寸稳定性和介电性能欠佳等缺点。因此，有必要开发一种高性能环氧树脂，从而系统地提高环氧树脂的力学性能以及生产加工性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，以改善环氧树脂自身韧性差的缺点，具有良好的力学性能和生产加工性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，按质量百分比，其原料组成为：
环氧树脂        60~75%
硅烷偶联剂      5~10%
氧化石墨烯      0.5~1.5%
气相SiO2            2~5%
固化剂          15~30% 。
所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂或聚醚环氧树脂中的一种或几种，优选双酚F型环氧树脂。
所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560中的一种或几种，优选KH-550。
所述的氧化石墨烯的粒径为50~100nm。
所述的气相SiO2的粒径为20~50nm。
所述的固化剂为T-31固化剂、703固化剂中的一种或几种，优选T-31固化剂。
本发明的另一个目的是提供一种上述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，其技术方案如下：
一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，包括以下步骤：
a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，超声波处理；
b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌，使气相SiO2均匀分散；
c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样固化，得到所述环氧底层。
步骤a中，采用50Hz、1000W的超声波处理7~8小时。
步骤b中，搅拌过程中，搅拌机的转速为700~900转/分钟，搅拌20~30分钟。
步骤c中，试样在80℃下固化6小时。
本发明的有益效果是：
由于气相SiO2具有纳米尺度效应，比表面积大、比表面能高，具有独特的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性。气相SiO2由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点，使它表现出极强的活性，很容易和环氧树脂中环状分子的氧起键合作用，提高了分子间的键力，同时尚有一部分气相SiO2颗粒仍然分布在高分子链的空隙中，表现出很高的流涟性，从而使环氧树脂的强度、韧性、延展性均大幅度提高。此外，气相SiO2小颗粒会形成网络结构抑制胶体流动，加快固化速度，提高粘结效果，由于颗粒尺寸小也会增加体系的密封性和防渗性。气相SiO2与硅烷偶联剂之间能够形成一定得氢键，也会提高环氧体系的黏度和剪切变稀程度。
氧化石墨烯具有优异的力学性能，它的加入有助于提高环氧底层的力学性能。添加硅烷偶联剂会在氧化石墨烯的表面接枝上有机分子链，提高氧化石墨烯与环氧树脂的亲和性，氧化石墨烯与树脂结合力更强，黏度显著提高。氧化石墨烯的二维网状结构也使体系具有更高的冲击韧性，特别是低温冲击韧性。经偶联剂改性后的氧化石墨烯表面引入了偶联剂有机分子链，偶联剂分子式的胺基或环氧基可以参与固化反应，从而改善了氧化石墨烯与环氧树脂之间的界面结合，使冲击时作用在树脂上的载荷通过界面有效转移到氧化石墨烯上，阻止了因应力集中而引起的银纹和微裂纹的扩展。
本发明能够达到以下技术效果：
1、本发明的环氧底层以环氧树脂为基质树脂，添加气相SiO2和氧化石墨烯，使环氧底层与钢管更牢固地粘结到一起；
2、本发明的环氧底层具有良好的力学性能，使用寿命长；
3、本发明的环氧底层采用T-31固化剂，无毒，减少了对环境的污染；
4、本发明的环氧底层具有良好的加工性，配方及设备都很简单，大大提高了生产效率。
具体实施方式
一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，按质量百分比，其原料组成为：
环氧树脂        60~75%
硅烷偶联剂      5~10%
氧化石墨烯      0.5~1.5%
气相SiO2            2~5%
固化剂          15~30% 。
环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂或聚醚环氧树脂中的一种或几种，优选双酚F型环氧树脂。
硅烷偶联剂为KH-550、KH-560中的一种或几种，优选KH-550。
氧化石墨烯的粒径为50~100nm。
气相SiO2的粒径为20~50nm。
固化剂为T-31固化剂、703固化剂中的一种或几种，优选T-31固化剂。
上述深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，包括以下步骤：
步骤a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，采用50Hz、1000W的超声波处理7~8小时；
步骤b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌20~30分钟，搅拌机的转速为700~900转/分钟，使气相SiO2均匀分散；
步骤c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样在80℃下固化6小时，得到所述环氧底层。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
（一）原料：
环氧树脂：双酚F型环氧树脂
硅烷偶联剂：KH-550
氧化石墨烯
气相SiO2
固化剂：T-31固化剂
按照质量百分比，上述原料配比为：环氧树脂60%，硅烷偶联剂5%，氧化石墨烯1.5%，气相SiO2 3.5%，固化剂30%。
（二）制备方法：
a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，采用50Hz、1000W的超声波处理7小时；
b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌30分钟，使气相SiO2均匀分散，搅拌过程中搅拌机的转速设定为800转/分钟；
c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样在80℃下固化6小时，得到所述环氧底层。
实施例2
（一）原料：
环氧树脂：双酚F型环氧树脂
硅烷偶联剂：KH-550
氧化石墨烯
气相SiO2
固化剂：T-31固化剂
按照质量百分比，上述原料配比为：环氧树脂65%，硅烷偶联剂10%，氧化石墨烯0.5%，气相SiO2 2%，固化剂22.5%。
（二） 制备方法：
a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，采用50Hz、1000W的超声波处理8小时；
b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌20分钟，使气相SiO2均匀分散，搅拌过程中搅拌机的转速设定为700转/分钟；
c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样在80℃下固化6小时，得到所述环氧底层。
实施例3
（一） 原料：
环氧树脂：双酚F型环氧树脂
硅烷偶联剂：KH-550
氧化石墨烯
气相SiO2
固化剂：T-31固化剂
按照质量百分比，上述原料配比为：环氧树脂70%，硅烷偶联剂6%，氧化石墨烯1%，气相SiO2 5%，固化剂18%。
（二） 制备方法：
a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，采用50Hz、1000W的超声波处理8小时；
b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌25分钟，使气相SiO2均匀分散，搅拌过程中搅拌机的转速设定为900转/分钟；
c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样在80℃下固化6小时，得到所述环氧底层。
实施例4
（一）原料：
环氧树脂：双酚F型环氧树脂
硅烷偶联剂：KH-550
氧化石墨烯
气相SiO2
固化剂：T-31固化剂
按照质量百分比，上述原料配比为：环氧树脂75%，硅烷偶联剂5%，氧化石墨烯1%，气相SiO2 4%，固化剂15%。
（二） 制备方法：
a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，采用50Hz、1000W的超声波处理7小时；
b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌30分钟，使气相SiO2均匀分散，搅拌过程中搅拌机的转速设定为900转/分钟；
c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样在80℃下固化6小时，得到所述环氧底层。
上述实施例1~4中，氧化石墨烯的粒径为50~100nm；气相SiO2的粒径为20~50nm。
实施例1~4的产品检测结果如表1所示。
表1
实施例中制备的用于深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的各项性能均符合标准。

Claims (10)

1.一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，其特征在于：按质量百分比，其原料组成为：
环氧树脂        60~75%
硅烷偶联剂      5~10%
氧化石墨烯      0.5~1.5%
气相SiO2            2~5%
固化剂          15~30% 。
2.如权利要求1所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，其特征在于：所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂或聚醚环氧树脂中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，其特征在于：所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，其特征在于：所述的氧化石墨烯的粒径为50~100nm。
5.如权利要求1所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，其特征在于：所述的气相SiO2的粒径为20~50nm。
6.如权利要求1所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层，其特征在于：所述的固化剂为T-31固化剂、703固化剂中的一种或几种。
7.一种深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.将环氧树脂、氧化石墨烯以及偶联剂混合均匀，并放置于超声波振荡器中，超声波处理；
b.将步骤a中充分混合的原料与气相SiO2混合，搅拌，使气相SiO2均匀分散；
c.将步骤b中的产物与固化剂进行混合，用于拉伸剪切试样和冲击试样的制备，试样固化，得到所述环氧底层。
8.如权利要求7所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，其特征在于：步骤a中，采用50Hz、1000W的超声波处理7~8小时。
9.如权利要求7所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，其特征在于：步骤b中，搅拌过程中，搅拌机的转速为700~900转/分钟，搅拌20~30分钟。
10.如权利要求7所述的深海油气输送钢管外壁3PE防腐涂料环氧底层的制备方法，其特征在于：步骤c中，试样在80℃下固化6小时。
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