卢鹏远1、王培庆2
（1.中国三峡新能源公司 北京 100053；2.上海轩阳化工材料科技有限公司 上海 201611）
0简介
作为海洋资源大国，合理开发我国海洋资源、大力推动蓝色经济发展已被提上我国当前经济发展议程。根据“十三五”可再生能源规划，我国将在2017年建设海上风电800万千瓦，探索海上风电技术，逐步完善，努力打造完整的相关产业链。 2020年，我国海上风电总装机容量预计将达到3×107kW。虽然我国海上风电技术短期内发展缓慢，任务相对繁重，但随着国家陆续出台一系列相关产业调整政策，相关产业整合的可能性很大，我们可以继续展望中国风电产业未来的发展前景。
2010年3月，国家能源局召开能源行业风电标准化工作会议，颁布了《风电标准体系框架（征求意见稿）》。随着新标准的出台，现有的很多技术和材料已经不能及时跟上新标准的要求。大部分技术和产品只能单方面依赖现有的国际经验，不能完全适合我国风电场的实际环境和气候。因此，海上风电防护当务之急是根据我国地理环境和腐蚀环境，研发生产能够抵御海洋恶劣腐蚀环境的新型高性能防护材料，并提出合理、全面的防护方案。采取措施，按照该领域新标准完成风电保护系统的实施。
海上风电塔架、电机等设施持续长期承受高温高湿海洋大气环境和海水的影响。全球首个大型海上风电场Horns Rev投运后，部分风电机组的发电机和变压器很快出现技术问题。考虑到各种故障原因钢结构防腐涂层，除了安装和制造问题外，风电场的气候条件和大气中的盐分侵蚀也被认为是重要因素。因此，在风电设备的设计研发之初，就需要提高其防腐能力，减少后期维护的需要。当前，海上风电发展亟待解决的问题之一是对长期运行、受到海洋大气腐蚀的海上风电设备的保护。
1 海上风电钢结构涂层防护系统工程实践
科学技术的巨大进步和人类对海洋认识的逐步加深，正在推动海洋相关产业的进步，如海洋养殖、海洋能源、海洋化工等产业，正逐步从浅海走向深海。海域。由于海工设备钢结构长期固定在海水中，恶劣的海洋环境造成的严重腐蚀将直接影响海工钢结构的安全使用。因此，有必要对海洋钢结构进行保护，提高其使用寿命，这对海洋工程钢结构是有利的。腐蚀控制的发展。
1.1 金属热喷涂技术
热喷涂技术是一种成熟的防护方法，已在国内外许多海洋工程钢结构项目中得到应用，大多取得了良好的效果。金属热喷涂锌铝及其合金涂层通过微冶金和机械镶嵌与基体金属结合在一起。热喷涂后涂层与钢结构件表面形成极强的涂层结合力（经测试最高可达10MPa以上）。当金属热喷涂涂层损坏时，锌铝涂层可以作为牺牲阳极，仍然保护钢材表面。试验和实例证实，厚度为200μm的热喷涂铝涂层的防腐寿命长达30年。目前，国内已完成的最大的热喷涂铝涂层应用项目是由巴西国家石油公司设计、武昌船舶重工有限公司建造的30a级免维护深海浮体。热喷涂铝涂层具有涂层厚度为225至400微米。该层作为浮体内部钢体的表面，面积为1×105m2。热喷铝施工空间封闭，很容易使封闭空间温度升高，积尘，还会影响涂层附着力，不仅威胁施工人员的安全，也给连续生产带来困难。在密闭空间进行热喷涂铝施工时，为了保证热喷涂施工的连续性，需要精确监测环境温度和湿度，保证通风，并对操作人员严格要求。但较高的建设成本使该技术在海洋工程钢构件和钢结构外部区域的防腐保护方面具有更大的发展空间。
1.2 高强度环氧树脂涂层保护技术
根据ISO12944-5规定，预期防腐寿命超过15年的涂层暴露在大气环境中时，其厚度应为280～400μm。在浸没或埋地环境中具有同等效果的涂层厚度应为480～1000μm。 。由于海洋工程需要延长使用寿命，漆膜厚度也在不断增加，总干膜厚度从300μm增加到1mm甚至更厚。所使用的树脂决定了漆膜的性能和膜厚。环氧树脂具有良好的粘合性和成膜性，且收缩率低。它可以与多种树脂、填料和添加剂混合得到不同的防腐涂料。因此，该涂料在目前海洋工程防腐涂料中所占比例最大。波浪和异物对飞溅区防腐涂层的影响强烈且持续时间长，需要快速维护，通常在1至2年内进行。但水下修复涂层施工难度较大，质量较差，因此飞溅区涂层的抗冲击性能有待增强。高强度环氧涂层和厚膜环氧玻璃鳞片涂层可有效用于飞溅区的防腐保护。通过在环氧树脂中添加玻璃鳞片和玻璃丝，可以获得厚膜环氧玻璃鳞片涂层。添加玻璃鳞片有利于增强涂层的机械强度和屏蔽性能。所得产品具有较好的抗热震性、渗透性和较低的涂层收缩率，但施工时需要实现一次性成膜，漆膜较硬，难以修复。佐敦Bal-toflake系列聚酯漆是一种快速固化、耐磨的聚酯玻璃鳞片厚涂涂料，防腐效果长达30年以上。与热喷涂锌铝涂层相比，其优点是成本低，表面处理和修补方便，对施工设备和施工人员要求较低；与玻璃片环氧涂料相比，该产品玻璃片含量较高，涂膜力学性较差。性能优良，防腐寿命长，应用范围更广。
1.3 聚氨酯涂层防护技术
通过将多异氰酸酯和多元醇两种组分混合，可制得100%固含量的结构聚氨酯树脂涂料，一次涂膜厚度可达1mm。反应快速、放热，特别适合冬季快速作业和防腐施工。该涂料不含溶剂，安全环保，耐腐蚀，耐磨，附着力强，施工性能好，使用寿命长。 。 100%固含量、无溶剂聚氨酯防腐涂料，防腐效果优异，防腐寿命长达数十年。因此广泛应用于海洋石油平台、船舶、储罐内外、钢结构的防腐。
美国海军曾于2003年和2007年撰写文章介绍无溶剂结构聚氨酯重防腐涂料在海军军舰领域的应用实例。其写道：“最成功的案例是基于无溶剂结构聚氨酯涂料和涂装技术的快速光固化重防腐技术。”同时，他们对聚脲树脂和弹性聚氨酯树脂两类防护涂料进行了比较，发现两者都不具备无溶剂结构聚氨酯树脂防腐涂料优异的防腐性能。两种分子均呈现线性结构，交联度低，韧性高，抗冲击性能好，但附着力、耐腐蚀性和阴极剥离性能较差。结构性和硬质聚氨酯树脂涂料具有良好的附着力和高度交联，可有效防止金属的化学腐蚀。
1.4 氟碳涂层防护技术
通过对改性氟树脂进行加工，可以生产出一种新型涂料材料：氟碳涂料。该树脂出色的稳定性归因于其结构中的高键能CF分子键。相比较而言，丙烯酸和聚酯面漆的耐候性、耐腐蚀性、耐磨性和耐沾污性远远不如氟碳涂料。氟碳树脂面漆在海水中具有优异的防腐效果，其初始外观可保持20年以上，因此完全适合海洋工程钢结构的长期防腐。另外，与其他涂料相比，氟碳涂料具有更好的耐酸、碱和化学腐蚀的能力，可直接用于接触强腐蚀性介质的储罐。
2海上风电钢结构涂层保护系统修复产品
海上风电钢结构常年暴露在高盐雾空气、强盐卤土和强腐蚀性海水环境中。如果没有严格的防护措施，风机设备和风力发电设施将会受到严重腐蚀。为了减少或消除这些环境对风电、钢结构的负面影响，需要开发高性能、高耐候性的新型防护材料，从而形成一套可行、合理、经济的防护措施。 -腐蚀应用解决方案。目前已开发出实用效果好的修复产品有水下固化涂料和光固化涂料。
2.1 水下固化涂料
海洋资源、海洋运输、海上风电的快速发展也带来了许多防腐防护问题。例如，海上油气储罐、钻井平台、钢桩以及管道支撑装置等，长期处于海水中就会遭到损坏。海洋环境破坏了钢结构本身的防腐涂层。由于此类装置很难转移到陆地上进行修复，因此有必要开发一种可以直接应用于水下进行原位修复的涂层。此外，当船舶在航行中发生泄漏时，如果采用水下固化涂料直接堵住泄漏点，可以及时修复，节省时间，降低维护成本。大型水利设施（如闸门、水库等）也需要水下固化涂料进行防腐保护。
2.1.1 水下固化涂料的设计原则
1）可采用适当的涂装设备，直接对水下钢结构表面进行涂装；
2）能分离水份，直接附着于涂装钢结构表面，并能在水下快速固化成膜；
3）防腐性能好；
4）涂料能提供良好的基材润湿性；
5）对水中钢结构表面具有优异的湿附着力；
6）具有抗冲击、耐磨、抗渗性能。
2.1.2 成膜机理
1）利用机械挤压将水下钢结构表面的大部分水分排出；
2）更容易附着在钢结构表面的涂料成分将钢结构表面残留的水吸收到涂料中；
3）涂层固化过程中，排净涂层中的水分；
4）涂层固化后，与钢结构表面紧密附着。
2.1.3 基材的选择
环氧树脂一般是指含有环氧基团的聚合物。其开环反应和不饱和聚酯的自由基反应受水影响较小，因此采用环氧树脂制备水下固化涂料更为有利。环氧树脂分子中大量的极性基团可以很容易地取代钢结构表面的水。并且由于其聚合反应为开环聚合，因此固化后体积收缩率较低，小于2%。环氧树脂可以附着在不同类型的基材上。此外，使用该树脂更容易合成无溶剂超厚膜涂料，简化了施工程序，更适合水下施工和涂装。环氧树脂具有优良的防腐性能，因此适用于水下防腐防护涂料。然而，单独使用环氧树脂形成的涂层比较脆。为了降低环氧树脂的脆性，可以添加一些多硫化合物作为增韧剂，对环氧树脂进行改性，并将其用作成膜材料。部分提高涂层的韧性。
2.1.4 固化剂的选择
环氧树脂水下涂料对固化剂有独特的要求。它们具有优异的物理机械性能、合适的粘度和固化速率，并且易于水下施工。环氧树脂可用各种胺交联固化，因为环氧基能被氢原子或叔胺开环而自行聚合。水下固化涂料通常基于胺化合物。含有-NH2的硬化剂能在基材上形成比水更强的分子间作用力，且易于形成盐类。因此，有利于涂层在金属表面的附着，有效减少其他腐蚀因素的影响。
2.1.5 颜填料的选择
水下建筑涂料通常采用缓蚀稳锈颜料，如亚硝酸盐、硅酸盐等，以及防锈和惰性颜料，如铝粉、石墨等；填料主要是惰性材料，如高岭石粉、重晶粉等，使用此类填料可以降低成本。同时能有效控制涂料中颜料的体积浓度和粘度，减弱涂料固化时的收缩力，保持附着效果。
2.1.6 添加剂的选择
水下涂料需要使用流平剂和润湿分散剂。由于涂层较厚，固化速度快，因此要求能快速实现涂层流平，达到良好的流平效果。选择润湿分散剂时，要求易于润湿涂层，提高涂层附着力。 BYK-161、EFKA3600、德干6800、BYK-P104、EFKA2722等都是非常常见的选择。
2.1.7 基本公式
基本公式如表1所示。
2.1.8 涂层准备
将选定的原料按比例放入反应釜中，快速搅拌使其均匀，然后在三辊上研磨，达到所需的细度和粘度。
2.2 光固化涂层
海洋资源的开发，包括海上风电的开发，对海洋工程结构材料提出了新的要求。海洋生物污垢的存在将提高海上平台和海上风电结构的质量并增加腐蚀的可能性。目前，通常采用海上平台的经验来保护海上风电免受海洋生物污垢的影响。但海上风电场无人居住，人员进出受限，维修保养难度较大。如何设计更符合海上风电钢结构要求的长期防护？满足要求、施工和维护要求的涂层系统非常重要。飞溅区涂层的维护比较困难，因为随着海水的涨潮和退潮，该区域会不断暴露在海水和空气中，会加剧该区域的腐蚀，因此需要开发快速光固化涂料。 ，在涨潮和退潮期间涂于待修复钢结构表面并快速光固化。
2.2.1 光固化涂料的固化机理
光固化涂料是指在光源照射下，使涂料吸收能量，引发交联、聚合等化学反应，促进液体凝固的涂料。上述光源必须有足够的能量使电子跃迁到激发态，从而引起化学反应。
2.2.2 光固化涂料的主要成分
一般来说，光固化涂料主要包括低聚物、活性稀释剂、光引发剂和助剂四部分。各部分的含量为：活性稀释剂40％～60％，低聚物30％～50％。 、光引发剂1%～5%、添加剂0.2%～1.0%。
1) 低聚物
低聚物（光敏树脂）是指整个体系中含量较高的树脂，对涂料性能至关重要。低聚物分子结构均含有碳碳双键，应用广泛：①不饱和聚酯； ②环氧丙烯酸酯； ③聚酯丙烯酸酯； ④聚氨酯丙烯酸酯； ⑤水性丙烯酸酯； ⑥ 聚醚丙烯酸酯； ⑦ 多烯硫醇体系； ⑧ 阳离子树脂。
2) 活性稀释剂
在光固化涂料中，活性稀释剂也是不可缺少的。它们作为功能单体，不仅能有效控制涂料的粘度、方便施工操作，而且还能参与涂料的固化反应，直接影响涂料的性能。活性稀释剂分子结构中含有不饱和双键，如丙烯酰氧基、甲基丙烯酰基、乙烯基等，其中丙烯酰氧基的光固化活性最高，因此常采用丙烯酸酯单体。近年来，新的稀释剂被开发和使用。乙氧基化或丙氧基化丙烯酸酯功能单体不仅可以改善某些单体对皮肤的刺激性，而且可以改善单体的性能。阳离子光固化体系的发展可以带动功能性环氧化合物和乙烯基醚单体的相关研究和应用。
3) 光引发剂
光引发剂对于光固化涂料至关重要，是涂料固化程度和速度的决定性因素。光引发剂的反应机理一般包括以下四种类型：消氢反应机理、离子反应机理、裂解反应机理和能量转移反应机理。目前常用的光引发剂有：安息香、二苯甲酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、芳酰基氧化膦、二苯甲酮和硫代丙基氧硫酮。
4）辅助
为了保证光固化涂料中各组分的相对稳定性，在光敏树脂制备过程中应添加所需的助剂。例如流平剂可以促进感光树脂的流动；热聚合抑制剂可延长其有效期；抗氧化剂可用于提高涂层质量。膜稳定性能等。选择助剂时，优先考虑能参与固化反应的活性助剂，如BYK公司的BYK-371，Digo公司的Red2100、Red2200、Red2500等，因为它们不参与光固化反应、大多数常见助剂会残留在固化膜中，造成针孔、反粘等现象。
2.2.3 光固化涂料的开发与应用
我国光固化涂料技术的研发一般在高等院校进行。高等院校拥有较为先进的设备仪器，专业人才众多，科研氛围良好。他们学习国际领先技术，与企业合作，谋求双赢。例如，复旦大学高分子系李善军教授的超大规模集成电路封装用环氧塑料密封剂科技成果已转化生产；他开发的高韧性密封胶已在最新型战斗机的尾翼上投入使用。
上海轩阳化工材料科技有限公司研发出用于风电钢结构基础损伤修复的快速光固化防腐涂料及制备工艺。这种防腐涂料不仅耐老化、耐磨性好、耐海水浸泡、与基材的附着力好、强，还能满足在腐蚀基材上涂装的要求。与阴极保护措施也有良好的匹配性，在可见光条件下可在短时间内完全固化。具体步骤如下。
步骤1：在酸碱催化条件下制备无机高分子成膜物质。它可以是无机硅、钛、铝或锆聚合物溶胶。按适当比例选择其中的一种、两种或多种。混合后，加入丙烯酸树脂或环氧树脂或它们的混合物，剧烈搅拌并老化一段时间，得到无机纳米材料改性的低表面能无机有机杂化树脂；
步骤2：将步骤1所述的杂化树脂与耐磨颜料和添加剂混合，得到具有良好悬浮性能的涂料基料；耐磨材料有刚玉（氧化铝）、金刚砂（碳化硅）、金刚石粉等。 (C)、氮化硼、碳化硼；助剂为防沉剂和消泡剂，包括改性膨润土、气相二氧化硅、聚二甲基硅氧烷、BYK-051无机硅消泡剂。
步骤3：在红外照射环境下，将脂肪族聚氨酯丙烯酸酯树脂、光引发剂、活性稀释剂和敏化剂依次加入步骤2所述的悬浮液中，搅拌均匀，得到涂布液。光引发剂为阳离子聚合光引发剂和自由基聚合光引发剂，一般使用1173、TPO、氟化二苯基茂钛(Irgacure 784)、双(五氟苯基)茂钛；敏化剂是双氮盐和叠氮化合物。
步骤4：将步骤3所述的涂料液直接涂于需要防污的表面，并置于阳光或紫外线照射下一段时间，使其完全固化，得到所需的快速光固化防腐涂料。
本产品采用可见光固化剂和敏化剂，使涂层在阳光的作用下能快速固化；它采用无机溶胶作为改性剂，通过对丙烯酸树脂或环氧树脂进行改性来增强涂料的成膜性。材料的耐老化性能；通过使用耐磨颜料，可以提高涂层抵抗海水中粗颗粒侵蚀的能力。
3 结论
经过各国研究人员的不断努力，海上风电钢结构涂层防护系统的工程实践取得了长足的进步。金属热喷涂技术可以在钢结构构件的表面形成非常坚固的涂层。当金属热喷涂涂层损坏时，锌铝涂层可作为牺牲阳极继续保护钢结构表面，特别适用于海上钢结构外表面。采用高强度环氧树脂涂层保护技术，能更好地抵抗热冲击和渗透，涂层收缩率低。但施工时需实现一次性成膜，漆膜较硬，修复困难。
聚氨酯涂层反应快，释放热量，特别适合冬季快速作业和防腐施工。该涂料不含溶剂，安全环保。此外，它还具有优良的防腐、抗磨、粘合效果钢结构防腐涂层，施工方便，使用寿命长。更长。
氟碳涂料具有极高的稳定性，在耐候性、耐腐蚀性、耐磨性、耐污性等方面比丙烯酸和聚酯面漆具有明显的优势。另外，与其他涂料相比，氟碳涂料具有更好的耐酸、碱和化学腐蚀的能力，可直接用于接触强腐蚀性介质的储罐。
水下固化涂料具有优异的防腐性能，有利于在水下和潮湿界面上直接涂装，因此适用于海洋造船行业和建筑行业的防腐保护。虽然水下固化涂料成本较高、施工性能较差、防腐周期较短，但作为飞溅区水下钢材最重要、最经济、最有用的防腐方法，该涂料必将受到越来越多的关注。未来。发展前景广阔。光固化材料以其固化速度快、无溶剂、水性、有机挥发物低、安全环保等优点必将在全球拥有更广阔的市场。
（详情参见《现代涂料与涂料》2017年第2期）
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