CN107636378B - 具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过在外表面上形成一层假合金金属膜和涂敷改性涂料，对球墨铸铁管件的外部防腐处理进行改进，本发明尤其涉及一种特别是用于埋藏条件下的改进的耐腐蚀球墨铸铁管件，该涂敷方法能够在外表面形成一层防腐假合金层和改性腰果壳油（CNSL）涂层。

Description

具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件及制作方法

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁管件的外部防腐处理的改进，通过在外表面形成一层假合金金属膜和CNSL（腰果壳油）的改性涂料来实现。本发明尤其涉及一种球墨铸铁管件、特别是用于埋地条件下的球墨铸铁管件的改进的耐腐蚀方法，此涂敷方法能够在外表面形成一层防腐的假合金层和腰果壳油（CNSL）的改性涂料。相关内容已经提交专利申请，申请号为589/KOL/2015。

背景技术

铁在土壤中的腐蚀是一个特殊的现象，与暴露于空气中的腐蚀情况本质不同。土壤的腐蚀性随土壤形成的状态不同而不同，土壤中的电阻率、盐度和微生物含量都会引起腐蚀电位的变化。土壤分为无腐蚀性、轻度腐蚀性、腐蚀性和强腐蚀性土壤。埋在土壤中的铁管不断被腐蚀形成蚀痕，造成管壁逐渐损耗和使铁材料转变为氧化铁、氢氧化铁、硫化铁等。由于土壤的异质性和质地的多样性，腐蚀的机理非常复杂。因此，有必要对埋地的铁管进行保护，而这一需要能够通过在管配件的外表面涂上假合金金属膜涂层得到实现。

为保护基体免受腐蚀而研制特殊牺牲性阳极涂层是可行的，一种金属锌和铝合金涂层表现出优异的耐腐蚀性能。此外，易于采购的材料，以及易于通过适当的设施喷涂，使涂层操作更适合大规模生产。

在对铁基体进行有效的防腐保护时，锌和铝镀层各自都有其优点和局限性：应用方便再加上最佳的腐蚀防护能力是限制锌或铝单独使用的因素。虽然锌单独用于一般的腐蚀防护中，但铝不会单独使用。而锌铝合金涂层克服了上述局限性，其耐蚀性更为有效。

几种锌铝热喷涂涂层被研制出来，然而关于各种锌铝涂层组合的优点存在争议，同样，关于最佳的锌铝涂层组分也存在争议。目前，热喷涂锌铝涂层的研究大多集中在寻找最佳的锌和铝成分的含量，以对抗与铁管接触的各种高腐蚀性土壤。

我们在先申请的专利号242339 (1152/KOL/2008 Dt. 1，7, 2008)的印度专利，公开了通过在外表面上形成假合金金属膜来对球墨铸铁管件进行外部防腐处理，同时公开了一种在管件外表面形成一个耐腐蚀假合金金属层和假合金均匀沉积的方法，以及用此方法制造的管件。

Pedeutour等人在美国US5706866的说明书中公开了一种有外涂层的铸铁管道系统元件，外涂层包括：含有铝含量为5-60%的锌铝合金的第一内层多孔层，和厚度为100-140um的有机或无机粘结剂的水溶液、其它溶液或粉末的第二外层孔封堵层，合金层的数量至少为200g/m²。

另有公开号为WO2008033112的PCT申请公开了含有植物化学药物的聚合物涂料以及制造和使用该涂料的方法，此申请公开了一种含有防污成分的聚合物基复合材料，该复合材料适于在水产养殖、海洋和建筑系统中作为颜料、结构或涂料。

球墨铸铁管件的外部涂层用锌铝合金作为第一层，接着用第二层涂料作为屏障涂层，即使是埋设在地下的腐蚀性土壤中，也能令人满意地作为管配件的阴极保护。然而，锌铝涂层的数量（以g/m²计算）和锌/铝的比例可能要根据球墨铸铁管件铺设处的土壤条件进行优化。

球墨铸铁管件外表面的腐蚀取决于管件周围的土壤和周围的环境。土壤的电阻率、酸碱度、微生物活性、环境条件等都会影响球墨铸铁管件外表面的腐蚀，这与铁的一般腐蚀有很大的不同。球墨铸铁管件腐蚀而形成的氧化物、氢氧化物、硫化物、氯化物等导致了球墨铸铁管件的解体。本发明球墨铸铁管件先涂上由锌铝合金与其它成分构成的第一层涂层，再涂上由改性天然树脂腰果壳油制成第二层涂料，从而提高了耐腐蚀性能。

锌铝合金用于球墨铸铁管的涂敷已有一段时间了，其他研究者用锌铝与其他元素一起研制出了几种防腐涂层。P. Choudhury和S. Das的研究表明，ZA27合金[锌、铝（25.0-28.0%）和铜（2.0-2.5 %）]有很高的耐腐蚀性。S. T. Vagge和V.S. Raja进行的浸泡腐蚀试验表明，加入锶（Sr 0.1%）后的耐腐蚀性高于ZA27没有加锶的耐腐蚀性。

Komatsu等人和Uranaka等研究了锌-6%铝-3%镁热镀锌板的抗腐蚀性，结果表现出比镀锌后的材料样本更好的耐蚀性，甚至在钢体大部分被暴露的情况下也是如此。

Morimoto等人研制出了由锌、11%铝、3%镁和0.2%硅组成的被称为镀铝镁锌钢板的Zn-Al-Mg-Si合金，结果表明，涂层中铝、镁含量的增加和硅的加入提高了在盐雾试验中的耐腐蚀性能。

目前有各种颜料和涂料可作为各种钢铁产品的最外层涂料，各种钢和铸铁管的外部涂料系统包括。

a. 双组分液体树脂环氧基涂料，

b. 水性丙烯酸涂料，

c. 水性环氧树脂涂料，

d. 聚氨酯（PU）涂料，

e. 聚乙烯（PE）涂料，

f. 聚丙烯（PP）涂料，

g. 熔结环氧粉末（FBE）涂层，和

h. 沥青涂层。

以上所有涂料均为合成产品而非天然产品，所有这些合成涂料如环氧树脂、PU、PE、PP、FBE是基于合成树脂。

发明内容

本发明一个方面是为埋地管道提供一种具有外部涂层的球墨铸铁管件，外部涂层包括形成假合金的第一层和用于第一层基础上的一种独特的天然树脂、CNSL（腰果壳油）制成的第二层，其中所述第一层形成锌铝假合金，第二层是具有良好的耐腐蚀的、含有2-10%的防锈颜料如磷酸锌、氧化铁的改性CNSL树脂涂料，因此本发明提高了土壤或周围条件下的球墨铸铁管的寿命。

本发明另一方面是涂料在饮水管上形成改进的耐酸碱、更好的耐水性和抗微生物、抗白蚁、抗虫性能来抗老化的无毒薄膜，它具有在喷涂时形成厚度大于70μm的硬膜、硬干膜的特点。

本发明的另一方面所述方法为已知的球墨铸铁管和配件的涂覆方法提供了一种经济有效的解决方案。

本发明涉及一种用于饮用水管的防腐涂料，锌、铝及其它金属的涂层被广泛用于防腐蚀防护，其他成分包括至少以下一个或多个成分如0-10%的铜、0-10%的镁、0-10%的锶、0-5%的硅，上述成分的含量由重量百分比给出。过去热喷锌、铝和其他金属涂层已用于钢结构的防腐保护，目前多年来更多地用于球墨铸铁管的防腐。已有使用合金丝锌铝涂层的实例。球墨铸铁管的最外层利用具有一定厚度的无毒的CNSL改性树脂涂料进行改性，这种涂料用于球墨铸铁管饮用水管的外层。

本发明还公开了一种在球墨铸铁管道涂敷锌铝（假合金）与其他金属的涂料作为第一层和CNSL改性树脂涂料作为第二层的方法，用该方法涂的涂料在NACE环境下和含氯的盐雾环境如盐水中表现出非常强的耐腐蚀性。

这些与本发明的其他部分以及各种新颖特性形成本发明的特征，指出尤其是权力要求及附加的部分构成本公开的一部分。为了更好地理解本发明，其操作优点和其使用所获得的特定对象应参考附图和说明性材料，其中附图示出本发明的优选实施例。

附图说明

图1为对现有涂层技术中沥青涂层管道进行盐雾试验500小时所得到的腐蚀结果；

图2为对本发明涂有CNSL改性树脂涂层的管道进行盐雾试验500小时所得到的腐蚀结果。

具体实施方式

本发明的一个实施例的目的是提供一种任意配比的合金成分的假合金涂层和CNSL改性树脂涂料的第二层，当涂在管道配件上时能产生非常有用的效果。

本发明的另一个实施例的目的是提供一种管道配件的耐腐蚀、可再生和生物再生树脂涂料，其如在现有专利中讨论的一样，提高了耐腐蚀性能，但更经济、便宜、方便、安全，更具竞争力，且此涂料不含对健康是有害的双酚A（BPA）和挥发性有机化合物（VOC）的含量低。

而另一个实施例的目的是提供一种在埋在地下的球墨铸铁管件的外表面涂敷锌铝假合金的方法，步骤为：均匀涂敷锌铝假合金的涂层作为第一层，均匀涂敷CNSL改性树脂涂料的涂层作为第二层，其特征在于：在所述管道上整个外表面沉积的假合金的量最少为130g/ m²，所述树脂沉积的厚度大于70um。

本发明的另一方面提供了假合金在所述管件上沉积的方法和系统以使锌铝假合金均匀沉积。

本发明一个优选的实施例中，所述方法和装置提供了一个均匀的涂层作为第一层：铝（6-30 %）和Zn（70-94%）。

本发明另一个实施例中，在涂有第一层涂料的球墨铸铁管进行CNSL改性树脂涂料的涂敷作为第二层，此CNSL改性树脂涂料具有优异的化学稳定性、耐水性、耐化学腐蚀和无毒特性。此外，该树脂具有优异的防紫外线、抗盐雾、耐腐蚀性能以防老化。

CNSL改性树脂涂料是一种来源广泛，可再生和生物再生的来自腰果梨的树脂。CNSL树脂之前从未作为球墨铸铁管涂料使用，是一种很好的排斥水的物质。该CNSL树脂是一种很好的耐腐蚀材料，同时能够提高涂料的耐腐蚀性能。因此，本发明提高了球墨铸铁管在土壤或周围环境下的使用寿命。该树脂也不含对健康有害的双酚A（BPA），同时，本发明的VOC含量低，这对环境有益。

锌

因为其电功率，用锌作钢的阴极保护已越来越流行，即使在没有保护的邻近区域，锌也能保护钢不受腐蚀，且锌更容易喷涂、与钢体间的粘接性更好。

一般来说，锌在碱性环境中表现更好。但在某些环境下，如盐水或化学环境，锌在使用中为金属的阴极保护而被消耗作，从而提高对球墨铸铁的保护。此外，锌不能应用于工作温度超过140华氏度的表面。

铝

尽管比锌贵很多，铝作为轻质金属具有其优点，如在盐水和化学环境中，在锌可能快速失效的情况下，铝涂层性能最好，在温度超过1000华氏度时它还能保护钢。铝涂层在腐蚀条件下具有良好的机械性能和良好的耐磨性，与相同厚度的锌相比，铝通常可以提供更长的保护。在相同厚度的条件下，铝的材料消耗量比锌少三分之二。

然而，铝也有一定的缺点，铝涂层中有较高的孔隙率和氧化物，如果涂层不够厚且没有合适的密封步骤，涂层上就会出现锈斑，使涂层表面形成无吸引力的红色斑点状外观。

锌铝和其他金属的结合

鉴于锌和铝的上述描述，将锌铝与其它金属如铜、镁、锶、硅组合并控制比例，能比单独使用锌或者铝提供更好的防腐蚀保护。

锌铝合金涂层的电弧喷涂试验研究表明了该体系在防腐蚀方面的适用性。实验采用箱式，部分因子设计，采用不同的工艺参数包括喷嘴直径、喷嘴电流、喷雾距离和系统压力。设计实验以显示工艺条件的范围及其对涂层的影响，对涂层进行了结合强度、沉积效率测试和光学金相鉴定，涂层特性被量化为粗糙度、孔隙率、厚度、结合强度和微观结构，用加速腐蚀试验量化涂层的性能评价，为每个材料系统开发了参数-性能关系。

多年来，热喷涂锌铝涂层被用作牺牲阳极涂层为钢结构提供保护。锌铝涂层广泛采用两种方法，即双丝电弧喷涂系统和线材火焰喷涂系统。在双丝电弧喷涂系统中同时喷涂两种不同的金属丝，涂层中就形成假合金结构。同样，铝丝和锌丝可以通过火焰喷涂形成锌铝假合金涂层。也有用锌和铝预合金丝电弧喷涂得到的合金涂层的例子。

电弧喷涂法制备锌铝假合金涂层的锌铝涂层为球墨铸铁管件提供了更好的腐蚀防护。此外，锌铝涂层提供了一种清洁和经济的方法来保护球墨铸铁管件免受腐蚀。电弧喷涂作为工艺的一部分不会造成基板的任何变形。同时，假锌铝工艺不使用昂贵的锌铝合金丝。相反，可以单独使用纯锌线和铝线，成本低，且灵活提供合金成分的组合。这是非常有利的，因为前面提到的锌铝合金丝涂层与假锌铝涂层相比有一定的局限性。例如，合金丝必须以一个固定的比例制作，并在必要的时候，需要根据不同的比例制备独立的预制金属丝。尤其是当合金丝中铝含量大于15%时，合金线的脆性有加强的趋势使它更难以在拉丝过程中电弧喷涂。与此相反，本发明公开的涂层可以根据最终用途的性质，按照铝的需要和规定含量来制备。因此，在所公开的涂层工艺中，仅使用单一类型的锌丝和铝丝就可以实现预设的锌铝比例，达到预期的有效的耐腐蚀性。

应用在假合金层上涂敷CNSL改性树脂涂料的管件将不含对健康有害的双酚A（BPA），且本发明的VOC含量低，这对环境有益。油漆涂层不仅密封了金属假合金涂层的第一层的孔（漏洞），而且在第一层上形成屏障涂层。油漆涂层的第二层应用工艺确保涂层上形成有限的微孔以制约其从基体剥离。CNSL改性树脂涂层系统提供高的耐腐蚀性能，以天然树脂为基础，没有健康危害，VOC含量低，涂料的特征在于耐久性、高强度、高附着力和耐化学性，使其成为阻隔涂料和密封剂的理想产品。

涂层的第二层是基于CNSL改性树脂涂料的饮用水管道的外涂层系统涂料。第二层是单层的改性腰果壳油转换成的改性涂料和/或乳化水性涂料。该涂料不含BPA，是溶剂比例很低的天然树脂，而溶剂在表面形成薄膜的过程中会蒸发。该涂料具有较低的摩擦褪色的特性，在紫外灯下低褪色的特性，良好的电气性，更好的耐水性，如图1和图2的比较中可见，其提高耐酸性和耐碱性。此外，CNSL改性树脂涂料具有抗微生物、抗白蚁、抗虫性能来抗老化。

因此，本发明还提供一种在地下球墨铸铁管件外表面应用有或无其他元素如锶、镁、硅、铜的锌铝假合金的方法，包括以下步骤：提供一个均匀的锌铝假合金涂层作为第一层，然后提供一个均匀的CNSL改性树脂涂层作为第二层；其中在整个外表面假合金沉积在管道的数量至少是130g/m²，第二层的涂层厚度（干膜厚度）70-100μm，CNSL改性树脂涂料的复合涂层提高了耐腐蚀性能和防水性。

被用于涂锌管件的第二层的CNSL改性树脂涂料的基本成分是改性CNSL树脂50-60%和/或去离子水（DM）20-25%，无机和有机颜料5-25%，其中无机和有机颜料为二氧化钛、铜酞菁、氧化铁黑或两个或两个以上的组合，防锈颜料2-10%，如磷酸锌、氧化铁等，还含有10-30%的至少一种填料，如石英粉、滑石粉、或其组合。进一步地，CNSL改性树脂涂料还含有1-10%不同类型的添加剂以抗流挂，无硅消泡剂，分散剂和抗沉淀剂。

本发明所用的CNSL树脂是一种可再生的原料，来源于腰果树的腰果梨，此CNSL树脂涂料无毒、无有害的双酚A，VOC（挥发性有机化合物）含量低。CNSL改性树脂涂料的味道和气味特征通过健康和卫生的国家标准，以CNSL树脂颜色特征为特点，被改性成有很多颜色。

在管件表面涂敷锌铝假合金的均匀涂层作为第一层，然后涂敷CNSL改性树脂涂料的均匀涂层的作为第二层，管件外沉积的假合金的密度至少为130g/m²，高达500g/m²全外表面。这些涂层能够在广泛的陆地和海洋环境中对任何尺寸的球墨铸铁结构提供有效的长期的防腐蚀保护。这种涂料在适当密封或涂敷时，有可能大大降低广泛应用时的维护要求。此外，所有的安装都是在线完成的，以便在生产过程中确保质量和生产率。

图2显示来自盐雾分析的涂有锌、锌铝（假）和锌铝（合金），及以CNSL改性树脂涂料为第二层的腐蚀速率数据，在测试样本（25mm x 25mm×1mm厚）的所有面涂上一层不导电漆，对这些样品进行称重，并在设计的喷雾柜内进行盐雾形成，柜内5%氯化钠的液体体积保持在50升，形成雾的液体流量和温度（23ºC）与其它标本保持接近。每100小时取出标本，洗干净，干燥和称重（g），漆表面再涂漆，然后称重，继续盐雾试验。

结论

电镀搪瓷蓝5020

虽然本发明的描述参照特定的实施例及其应用以使说明及描述更加详细，但此实施例及说明不是全部的或限制本发明于具体实施例及所公开的应用中。对于本领域中具有一般技能的人来说，显然可以作出对本发明所描述的一些变更、修改、变化或改动，但不背离本发明的精神或范围。具体实施方案及应用是为了更好地说明本发明的原则和它的实际应用，本领域技术人员可针对特定的用途目的进行各种变通。因此，所有这些变化、修改、变化和改动应视为在本发明的范围内，当按照公平、合法和公正的权利进行解释时，由附加权利要求确定。

Claims (23)

1.一种具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，埋地球墨铸铁管件的外部涂层包括：

锌铝假合金的均匀涂层作为第一层；

CNSL改性树脂涂料的均匀涂层作为第二层；

其中假合金沉积在所述管件整个外表面的数量至少是130g/m²。

2.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述第二层涂层的干膜厚度大于70um。

3.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述CNSL改性树脂涂料的成分包括CNSL树脂50-60%，和/或去离子水20-25%，无机和有机颜料5-25%，其中无机和有机颜料包括二氧化钛、铜酞菁、氧化铁黑、或上述组合中的两个或两个以上。

4.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述CNSL改性树脂涂料含有2-10%的防锈颜料，所述防锈颜料包括磷酸锌、氧化铁。

5.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述CNSL改性树脂涂料含有10-30%的填料，所述填料包括石英粉、滑石粉中的一种或一种以上。

6.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述CNSL改性树脂涂料含有1-10%不同类型的抗流挂剂、无硅消泡剂、分散剂和抗沉淀剂，其中包括抗流挂剂膨润土粉1-2%，无硅消泡剂0.20-0.50%，聚合物分散剂0.20-0.50%，抗沉淀剂气相法白炭黑0.20-0.50%。

7.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述CNSL改性树脂涂料是无毒的，不含有害的双酚A，其中包括抗流挂剂膨润土粉1-2%，无硅消泡剂0.20-0.50%，聚合物分散剂0.20-0.50%，抗沉淀剂气相法白炭黑0.20-1.0%，乳化剂0.50-1.0%，水15-20%。

8.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，其中CNSL改性树脂涂料被改为有多种颜色，所述颜色包括黑、蓝、红、绿。

9.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述假合金包括锌60-90%，铝10-40%，和至少一种下列合金元素，所述合金元素包括铜0.2-8%，镁0.2-5%，硅0.1-3.0%，锶0.02-1.0%。

10.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述假合金涂层是通过电弧喷涂进行的。

11.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述第二层涂层是通过喷涂进行的。

12.如权利要求1所述的具有外部涂层改进的耐腐蚀埋地球墨铸铁管件，所述假合金沉积在管道全外表面的数量高达500g/m²。

13.应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，包括以下步骤：

提供一个锌铝假合金的均匀涂层作为第一层；

提供一个CNSL改性树脂涂料的均匀涂层作为第二层；

其中假合金沉积在管道全外表面的数量至少是130g/m²。

14.如权利要求13所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述第二层涂层的干膜厚度大于70um。

15.如权利要求13所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述CNSL改性树脂涂料的成分包括CNSL树脂50-60%，和/或去离子水20-25%，无机和有机颜料5-25%，其中无机和有机颜料包括二氧化钛、铜钛菁、氧化铁黑、或其中的两个或两个以上。

16.如权利要求15所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述CNSL改性树脂涂料含有2-10%的防锈颜料，所述防锈颜料包括磷酸锌、氧化铁。

17.如权利要求13所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述CNSL改性树脂涂料含有10-30%填料，所述填料包括石英粉、滑石粉中的一种或一种以上。

18.如权利要求14所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述CNSL改性树脂涂料含有1-10%不同类型的抗流挂剂、无硅消泡剂、分散剂和抗沉淀剂。

19.如权利要求14所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述CNSL改性树脂涂料是无毒的，不含有害的双酚A，其中包括抗流挂剂膨润土粉1-2%，无硅消泡剂0.20-0.50%，聚合物分散剂0.20-0.50%，抗沉淀剂气相法白炭黑0.20-1.0%，乳化剂0.50-1.0%，水15-20%。

20.如权利要求14所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述假合金包括锌60-90%，铝10-40%，和合金元素铜0.2-8%、镁0.2-5%、硅0.1-3%、锶0.02-0.05%的至少一种或一种以上。

21.如权利要求14所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述假合金涂层是通过电弧喷涂进行的。

22.如权利要求14所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述第二层涂层是通过喷涂进行的。

23.如权利要求14所述的应用于埋地球墨铸铁管件外部的锌铝假合金的制作方法，所述假合金沉积在管道全外表面的数量高达500g/m²。