耐高溫涂料應用廣泛,在高爐、焦爐、燒結機等設備的外表面抗氧化保護中起著重要的作用。另外,石油精制爐、鋁精煉爐、發動機排氣系統、農機、摩托車的消聲器等都長期在很高的溫度下工作,高溫腐蝕嚴重, 也需要采用耐高溫涂料加以保護。據報道,目前已研制出最高耐1427 ℃的耐高溫涂料。有機硅高溫涂料是耐高溫涂料的一個主要品種。它通常是以有機硅樹脂為基料,配以各種耐高溫顏填料制得。毫無疑問,有機硅樹脂的種類和基本特性對涂料的耐高溫性能有著非常大的影響,除此之外,顏填料的選擇和配方優化也會影響涂料的性能。目前文獻報道基本是側重于有機硅樹脂的合成改性,而忽視了各種高溫顏填料、助劑的作用。本論文則以兩種通用牌號的有機硅樹脂為基料,系統地研究了各種耐高溫顏填料與有機硅樹脂的復配作用,通過配方的優選,制備了一種能耐700 ℃的高溫涂料,并討論了顏填料的具體作用和合適配比。

1 　試驗部分

1.1 　實驗原料

苯甲基硅樹脂,固體質量分數50 % , 工業品; 硅酮樹脂sn-330 , 固體質量分數50 % ,硅烷偶聯劑、酞酸酯均為工業品;三氧化二鉻、云母粉、滑石粉、硬脂酸鋁、偏硼酸鋇、瓷土、鋁粉、低熔點玻璃粉均為工業級。

1.2 　實驗方法

1.2.1 　制漆　將經過篩選的顏填料、增強劑、添加劑及適量溶劑,加入樹脂基料中,用球磨機研磨成符合細度要求的漆漿。

1.2.2 　制板　將上述漆漿刷涂到經處理過的馬口鐵板或鋼板上,晾干備用。

1.2.3 　高溫處理　將上述刷涂有耐高溫涂料的馬口鐵板或鋼板置于箱式電爐中,采用程序升溫的方法升溫至一定溫度,取出并冷卻至室溫后,進行性能測試和分析。

1.3 　性能測試

1.3.1 　熱性能檢測方法�、倌蜔嵝阅堋�將試片于180 ℃烘烤2 h 后,放入電位差計核對的恒溫箱式電爐中,按5 ℃/ min 升高溫度,隨爐溫到實驗要求溫度開始計時,試樣經過持續高溫后,取出,冷至室溫(25 ℃) ,用放大鏡觀察涂層表面狀況,如無龜裂、脫落現象,即說明涂層耐熱性能良好。②冷熱交變性能　參照企業標準,將試片隨爐升溫到預定溫度,經過一段時間高溫后,取出,冷至室溫(25 ℃) ,觀察試片表面狀況,反復多個周期直至涂層破壞。

1.3.2 　其它性能檢測方法　沖擊強度,按GB/ T1732 —1993 檢測;附著力,按GB 1720 —1979 檢測;漆膜干燥時間,按GB 1728 —1979 檢測。

1.3.3 　測試儀器　箱式電阻爐,S ×2-2.5-12 ；熱失重分析儀, TGS-2 　

2   結果與討論

2.1 　涂料配方

苯甲基硅樹脂和硅酮樹脂是兩種耐高溫性能比較優良的有機硅樹脂,本文以這兩種樹脂作為耐高溫涂料的基料,輔以各種顏填料來研究涂料的基本配方。通過顏填料的篩選和配方組成的變化,研究兩種不同的有機硅樹脂和各種顏填料對涂料性能的影響。在大量實驗的基礎上,本文選用了兩種比較好的涂料配方來進行性能研究和分析。表1 是這兩種典型的涂料配方的組成及其用量。

表1 涂料配方

2.2 　涂料性能參數

對以上兩個配方的基本物性和主要性能如耐熱性能、室溫交變性能、500 ℃烘烤1 h 后的沖擊強度進行了測試,其結果見表2 。從表2 可見,在顏填料種類和用量基本相同的情況下,有機硅樹脂的基本性能對涂料的各項性能有著非常大的影響,其中采用硅酮樹脂制備的涂料性能更加優良。從兩個配方的熱失重測試結果(見圖1) 可以看到,盡管這兩種不同配方的涂料在800℃以上質量都很穩定,不再失重,然而配方1 剩余質量分數為82.1 % ,配方2 剩余質量分數為86.5 %。很明顯,配方2 的熱失重較少。由于在這兩種配方中,顏填料的組成和用量是一致的,由此可以判定,兩種涂料體系熱失重后殘余質量分數差別的主要因素應該是由于有機硅樹脂種類不同引起的。大量的實驗結果表明,有機硅樹脂的種類以及樹脂中烷基與硅原子的物質的量比,在一定程度下對涂層的許多性能有著直接的影響 ,而硅的含量又直接決定了樹脂在高溫下分解后的剩余質量分數。由于配方2 的性能明顯優于配方1 ,因此硅酮樹脂sn-330 更適合作為本體系中的耐高溫涂料的基料使用。

表2 　涂料性能參數

圖1 　配方1 、配方2 熱失重曲線

2.3 　顏填料、助劑作用分析

經過大量試驗發現,在涂料的各組分中,除了基料有機硅樹脂,低熔點玻璃粉、滑石粉、鋁粉和硅烷偶聯劑對涂層的性能影響較大,以配方2 為基準配方分別研究了這四種組分的作用。

2.3.1 　低熔點玻璃粉的作用　低熔點玻璃粉種類較多,有鉛玻璃粉、硼玻璃粉、磷酸鹽玻璃粉等。據相關文獻報道,有機硅耐高溫涂料使用硼玻璃粉較好。本文選用不同質量數的低熔點硼玻璃粉加入涂料中,研究了低熔點玻璃粉對涂料性能的影響,結果列于表3 。同時,利用顯微鏡對不添加玻璃粉和添加玻璃粉的涂料在500 ℃情況下加熱1 h 后的表觀形貌進行了觀察,如圖2 所示。

表3 　低熔點玻璃粉用量對耐高溫性能的影響

圖2 　配方2 涂層500 ℃烘烤1 h 顯微鏡照片

(放大1 000 倍)

由圖2 可以看出,當涂料中不含有玻璃粉的時候,涂層在500 ℃烘烤1 h 后會開裂。這是因為:有機硅的受熱分解溫度在400 ℃～500 ℃,低熔點玻璃粉在這個溫度范圍內熔解,替代有機硅樹脂在高溫下起到粘結劑的作用,從而將無機填料與有機硅樹脂分解后形成的SiO2 粘結在一起,使得涂層致密圖2 (b) 涂層中不含有玻璃粉,涂層不夠致密,附著力不好,高溫烘烤后涂層開裂;而圖2 (a) 涂層中含有玻璃粉,涂層致密,附著力提高,高溫烘烤后涂層完整。

從表3 、圖2 可以看出,低熔點玻璃粉的用量不能太少,太少不能起到粘結的作用,涂層在較低溫度開裂;但用量也不能太多,用量太多涂層的耐熱性能較差。這是因為:高溫涂料的涂刷基材都是膨脹系數很大的金屬,性能優異的涂料的膨脹系數要盡可能的與金屬的膨脹系數相匹配,而玻璃粉的膨脹系數較低,用量太多會降低耐高溫涂料的膨脹系數,溫度超過500 ℃后,涂層的膨脹系數與鋼鐵基材不能匹配,涂層開裂。經過反復實驗發現,低熔點玻璃粉用量為20～30 g 時,涂料的性能較好。文獻認為,填充低熔點玻璃粉的涂料高溫下容易發生流淌。然而,本文的實驗結果認為,一旦形成致密的涂層后,即使將溫度升高到玻璃粉的熔點以上,也不會發生流淌現象。其原因很可能是玻璃粉在高溫下與分解后的有機硅樹脂發生了化學反應,被牢固的鍵結在涂層上。

2.3.2 　滑石粉的作用　滑石粉線膨脹系數很大,但體積膨脹系數很小,因此滑石粉的添加可以改變涂料的線膨脹系數,提高涂料的室溫交變性能和高溫下防裂的性能�；�石粉的用量對涂層在500 ℃烘烤1 h 后性能的影響如表4 所示。

表4 　滑石粉的質量對涂層性能的影響

由表4 可以看出,當涂料中滑石粉的添加量大于1.2 g 時,涂層不會開裂,但以不超過6.0 g 的用量為佳。

2.3.3 　鋁粉的作用　鋁粉為片層結構,在高溫環境下,增加了氧氣傳質的路徑長度;并且,鋁粉對熱有輻射作用,它可以起到一定的隔熱作用。鋁粉的用量對涂層的耐高溫性能影響如圖3 所示。

圖3 　鋁粉用量對涂層耐高溫性能的影響

                圖4 　鋁粉向鋼鐵中擴散形成合金示意圖

由圖3 可以看出,隨著鋁粉用量的增加,涂層的耐高溫性能提高。而且,隨溫度的上升,鋁粉可能向鋼鐵基材中擴散形成合金層。擴散過程如圖4 所示。合金層的形成大大提高了涂層與基材的結合能力,不僅熱、氧不易侵入,而且涂層的附著力提高較多,耐高溫性能實現了飛躍。此外,鋁作為陰極與鋼鐵形成電化學電池,提高了鋼鐵的耐腐蝕性能。經過大量試驗發現,鋁粉的用量為10 g 時涂層性能最好,用量超過10 g 涂層表觀形貌較差。

2.3.4 　偶聯劑用量及作用　本文選用硅烷偶聯劑作為涂料的主要助劑, 硅烷偶聯劑的通式為RnSiX_{4 -n} ( n < 4) ,式中R 為非水解的且可與有機物反應的基團,而X 為可水解的基團,能與無機物結合。偶聯劑與涂料中樹脂、填料以及基材鋼板的作用如圖5 所示。

圖5 　偶聯劑與涂料中樹脂、填料以及基材鋼板的作用示意圖

硅烷偶聯劑的用量對涂層在常溫、高溫下的附著力的影響如表5 所示。

表5 　偶聯劑用量對涂層附著力的影響

由表5 可以看出,隨著硅烷偶聯劑的加入量的提高,涂膜在常溫和高溫下與基材的附著力提高,但偶聯劑用量一般為0.3～2.0 g ,最佳用量為1.5 g ,超過此用量則會影響涂膜的附著力。

3 　結論

(1) 以有機硅樹脂為基料,配以顏填料、固化劑、高溫粘結劑,制得了一種耐700 ℃高溫的涂料,涂層堅韌。

(2) 低熔點玻璃粉作為高溫粘結劑對涂層的耐高溫性能影響較大,用量20～30 g 性能最佳;滑石粉用量1.5～6.0 g 為佳;鋁粉在升溫過程中可能與鋼鐵基材形成合金層,大大提高了涂層的綜合性能,用量10 g時性能最佳;硅烷偶聯劑用量為1.5 g 性能最佳;基料有機硅樹脂用量為30～50 g。