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耐高温隔热防腐涂料的研制,以环氧改性有机硅树脂为成膜物 添加耐热着色颜料
2020年02月05日    阅读量:1755    新闻来源:中国资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

0 引言

随着我国现代工业的不断发展,特别是冶金、石化、能源、新材料及军工等行业,应用高温设备及配套设施的场合越来越多,然而金属材料在高温环境中易与空气中的氧气发生氧化反应,产生锈蚀现象,从而使金属材料逐渐失去强度而导致结构性缺损,成为各种事故的隐患[1]。


因此,其表面一般都需涂装耐高温防腐涂料进行保护,防止金属材料氧化腐蚀,延长高温设备的使用寿命。


目前,高温设备的涂装保护大多采用有机硅类耐高温涂料,使用温度在400~600℃范围时,选用纯有机硅涂料;使用温度在400℃以下时,选用环氧改性有机硅涂料涂料在线coatingol.com。纯有机硅树脂具有热稳定性好、耐氧化、耐候、低温性能好、表面能低、介电强度高等优点,但一般需要高温(150~200℃)固化,给大面积施工造成不便,且防腐能力、附着力差。


环氧改性有机硅树脂是近年来发展起来的既能降低环氧树脂的内应力,又能增强环氧树脂的韧性、耐高温性等性能的有效途径[2],二者具有取长补短的特点。本研究以环氧改性有机硅树脂为成膜物,添加耐热着色颜料、陶瓷空心微珠、云母粉、滑石粉、白炭黑、磷酸锌、三聚磷酸铝、玻璃纤维等,配以功能助剂和溶剂,制成基础涂料,再以低相对分子质量聚酰胺为固化剂配漆,可实现常温固化。

 

1 实验部分

1.1 原材料

有机硅树脂9802RS,常州嘉诺;环氧树脂E-44,三木集团;硅氧烷偶联剂KH-560、KH-550,南京曙光;二月桂酸二丁基锡,市售;硅铝陶瓷空心微珠,北京世先英华;磷酸锌,市售;三聚磷酸铝,南宁;云母粉、滑石粉、白炭黑、玻璃纤维、氧化铬绿、石墨粉、溶剂,市售;分散剂、消泡剂、流平剂等,BYK 公司;低相对分子质量聚酰胺树脂,三木集团。

1.2 基本配方

耐高温隔热防腐涂料分为底漆和面漆,其基本配方见表1。

耐高温隔热防腐涂料的基本配方

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1.3 制备工艺

(1) 环氧改性有机硅树脂的制备

将E-44 环氧树脂用二甲苯溶解后加入反应釜内,搅拌下加入9802RS 有机硅树脂[m(有机硅树脂)∶m(环氧树脂)=3∶2],再加入3% 的KH-560 偶联剂和0.5% 的二月桂酸二丁基锡,搅拌升温至90℃,保温反应2 h,降温,制得环氧改性有机硅树脂,固含量调到50%。

(2) 涂料的制备

将配方中的环氧改性有机硅树脂、颜填料、助剂、溶剂一起高速分散30 min,经砂磨机研磨至细度符合要求,过滤,包装,制得A 组分。聚酰胺固化剂为B 组分,单独包装。

1.4 性能检测

1.4.1 样板制备

样板基材为马口铁板和碳钢板,碳钢板厚度为0.8~1.0 mm,经除锈处理后喷涂或刷涂底漆和面漆。要求马口铁板上底漆干膜厚度为25 μm,碳钢板上底漆干膜厚度为30 μm。2 种样板的面漆厚度均为10~15 μm,晾干备用。

1.4.2 检测方法

(1) 马口铁试板用于常规性能检测。干燥时间、附着力、柔韧性、耐冲击性等均按国家相关标准进行检测。

(2) 耐高温性:将固化后的碳钢试板置于马弗炉中,逐步升温,当温度达到设计要求400℃时开始计时,经过一段时间后取出,冷却至25℃,用放大镜观察涂层表面状况,如无龟裂、脱落现象,则表明涂层耐热性良好。

(3) 耐温变性:将固化后的碳钢试板放入马弗炉中升温至400℃,经过30 min 后取出,冷却至室温(25℃),观察试板表面状况,反复几个周期直至涂层被破坏,记录周期数。

(4) 保温隔热性能:按GB/T 20473—2006 标准测定导热系数。

1.5 性能检测结果

耐高温隔热防腐涂料的性能检测结果见表2。

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耐高温隔热防腐涂料的性能



2 结果与讨论

2.1 成膜物的选择

有机硅树脂是制备耐高温涂料的常用成膜物。Si-O 键的共价键能(451 kJ/mol)比普通有机高聚物中的C-C 键的键能(346 kJ/mol)大,而且Si-O 原子形成d-pπ 键,增加了高聚物的稳定性。


普通高聚物的C-C键受热氧化,很容易断裂成低分子物,而有机硅高聚物中Si 原子上连接烃基受热氧化后,生成的是高温交联的更加稳定的Si-O-Si 键,能防止其主键的断裂降解。也就是说,在受热氧化时,形成Si-O-Si 键保护层,减轻了对高聚物内部的影响[3]。


为了解决有机硅树脂附着力差且需高温固化的问题,常用环氧树脂改性。然而有机硅树脂与环氧树脂中的活性基团几乎不反应,两者的容度参数相差较大,直接将二者混拼易出现多相分离结构,因此在改性过程中需要添加增容剂。硅烷偶联剂是常用的增容剂,它是在1 个硅原子上含有2 种不同反应活性基团的低相对分子质量化合物,可在两种物质界面起架桥作用[4]。


本实验自制的环氧改性有机硅树脂中含有一定量的环氧基团,它与聚酰胺树脂固化成膜后,由于分子中含有稳定的苯环和醚键,分子结构又较紧密,因此对酸、碱和盐都有良好的稳定性。在改性过程中,当环氧树脂的比例增大时,其防腐性能变好,但其耐高温性能降低。有机硅树脂与环氧树脂的质量比对涂层主要性能的影响见表3。

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有机硅树脂/ 环氧树脂质量比对涂层性能的影响

由表3 可知:在环氧改性有机硅树脂中,随着环氧树脂比例的增大,涂层的耐热性、耐温变性相应降低,附着力和耐盐水性相应提高。当两者的质量比为3∶2 时,实验条件下的各项性能都能达到设计要求。


2.2 颜填料的影响

在耐高温隔热防腐涂料中,选择的颜填料除了能增加涂层的耐热性、防腐性、机械强度外,还可以改善涂层的表面状态,增强其隔热能力。氧化铬绿具有耐高温氧化、耐化学品腐蚀、硬度高、耐磨、保色等特点。磷酸锌、三聚磷酸铝具有优良的耐热、防锈防腐功能,其易离解和水解,生成二代磷酸盐离子,磷酸根与腐蚀面上的铁离子反应,生成难溶且紧密的磷酸盐附着层,引起阳极极化,而锌、铝离子与阴极区的-OH 反应,生成难溶物而引起阴极极化,具有缓蚀、钝化作用。


云母粉、石墨粉等片状填料,不但耐高低温性好,而且能屏蔽水、氧、离子等腐蚀因子透过,切断涂膜中的毛细孔,其在涂层中互相平行交叠的排列形式起到“迷宫”效应,提高涂层的防腐能力,另外因其导热系数较低而有隔热功效。


滑石粉线膨胀系数大,而体积膨胀系数较小。耐高温涂料中添加适量的滑石粉,可以改变涂料的线膨胀系数,提高室温下的交联性能和高温下的防裂性能[5]。硅铝陶瓷空心微珠,是一种内部呈微小多孔性空心结构,外壳由纤维空心网状结构构成的标准球形微珠,具有耐高温(>1 200℃)、低导热系数0.07~0.12 W·(m·K)-1、高抗压强度(2 600~7 000 kg/cm2)等特性。在配方中其他因素不变的前提下,防锈颜料用量对涂层耐盐水性的影响见表4。

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防锈颜料用量对涂层耐盐水性的影响

由表4 可知:随着防锈颜料用量的增加,涂层的耐盐水性逐步提高;当m(磷酸锌)∶m(三聚磷酸铝)=2∶3、用量为10%~15% 时,涂层的耐盐水性超过48 h,完全符合标准要求。

在配方其它因素不变的条件下,陶瓷空心微珠用量对涂层隔热性的影响见表5。

陶瓷空心微珠用量对涂层隔热性的影响

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由表5 可知:随着陶瓷空心微珠用量的增加,涂层的导热系数相应减小,即热阻提高。热阻R(m2·K·W-1)的大小表示材料传输热量的阻力,是衡量涂层保温隔热性的重要参数。热阻是导热系数λ

的倒数,热量通过涂层厚度(d)受到的热传递阻力为:

R=d/λ

涂层的热阻越大,传输的热量越小,涂层的升温速度越慢,最终的平衡温度越低,保温隔热性越好。为了兼顾涂层综合性能的平衡,陶瓷空心微珠的用量以10%~15% 为宜。

2.3 助剂的作用

耐高温隔热防腐涂料所用的助剂有偶联剂、分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂等,其中最重要的助剂是硅氧烷偶联剂[6]。硅氧烷偶联剂的通式为RnSiX4-n(n < 4),R 为非水解基团,其烷氧基可分别与环氧树脂的环氧基和端羟基,以及有机硅树脂的羟基进行反应,形成牢固的化学键,从而提高了环氧树脂和有机硅树脂的相容性,使体系内聚力降低,而X 为可水解的基团,能与无机物结合,从而使有机成膜物与无机颜填料桥接更紧密,涂层致密、机械性能好,附着力高。


3 结语

(1) 自制的环氧改性有机硅树脂,m(有机硅树脂)∶m(环氧树脂)=3∶2,添加3% 的KH-560 硅氧烷偶联剂、0.5% 的二月桂酸二丁基锡催化剂,以二甲苯为溶剂,在90℃下反应2 h 而成。

(2) 以自制的环氧改性有机硅树脂为成膜物,以氧化铬绿、陶瓷空心微珠、云母粉、滑石粉、石墨、白炭黑、玻璃纤维、磷酸锌、三聚磷酸铝等为颜填料,在助剂和溶剂配合下,分别制成底漆和面漆,用低相对分子质量聚酰胺于常温下固化成膜,涂膜可耐400℃以下高温,且具有优异的抗热氧化、防腐隔热功能。

(3) 硅氧烷偶联剂是环氧改性有机硅树脂耐高温隔热防腐涂料不可缺少的重要助剂之一。它在改性树脂中具有增容作用,在涂料中起到有机- 无机材料之间的桥接作用。


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