高溫涂料的研制與發(fā)展方向

孫寶華　姜艷平　趙元午　姜艷麗

摘 要：一些工業(yè)環(huán)境特殊的需要，促進(jìn)了耐高溫?zé)o機(jī)涂料的研制和開(kāi)發(fā)，其獨(dú)特性能使許多涂刷涂料的產(chǎn)品和設(shè)備的功能得以充分發(fā)揮。本文以水溶性硅酸鹽為基料研制耐具有耐熱性和優(yōu)異的防腐蝕性能高溫涂料，并對(duì)其進(jìn)行XRD測(cè)試和孔隙率的測(cè)定，為工業(yè)上的推廣應(yīng)用提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：高溫涂料；耐高溫；鋁酸鹽水泥

基金項(xiàng)目：廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科合1346011-5）

廣西自然科學(xué)基金（2014GXNSFAA118330）

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科合1346011-5）

隨著世界工業(yè)的高速發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷革新，對(duì)工業(yè)材料性能要求的不斷提高，和對(duì)工業(yè)材料的創(chuàng)新更好的需求。其中，化工工業(yè)涂料界要迎接這全新的挑戰(zhàn)中，必須把握住世界工業(yè)涂料工業(yè)發(fā)展的脈搏，敏銳地分析市場(chǎng)新動(dòng)向，開(kāi)發(fā)出高科技新型高溫?zé)o機(jī)涂料，及時(shí)跟上和促進(jìn)我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展?？梢哉f(shuō)，正是一些在工業(yè)環(huán)境特殊的需要，促進(jìn)了耐高溫?zé)o機(jī)涂料的研制和開(kāi)發(fā)，在現(xiàn)代科技進(jìn)步為基礎(chǔ)的前提下，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的志盛威華耐高溫?zé)o機(jī)涂料，其獨(dú)特性能使許多涂刷涂料的產(chǎn)品和設(shè)備的功能得以充分發(fā)揮，成為涂料中不可缺少的新品種。

1 耐高溫涂料概述

耐高溫涂料應(yīng)用廣泛，在高爐、焦?fàn)t、燒結(jié)機(jī)等設(shè)備的外表面抗氧化保護(hù)中起著重要的作用。另外，石油精制爐、鋁精煉爐、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)、摩托車(chē)的消聲器等都長(zhǎng)期在很高的溫度下工作，高溫腐蝕嚴(yán)重，也需要采用耐高溫涂料加以保護(hù)。

一般來(lái)說(shuō)，耐高溫?zé)o機(jī)涂料可以分為兩大部分：民用耐高溫?zé)o機(jī)涂料和工業(yè)耐高溫?zé)o機(jī)涂料。按照一般的定義，耐高溫?zé)o機(jī)涂料不僅涵蓋汽車(chē)、建筑、冶金、制造、醫(yī)藥、交通、船舶和集裝箱涂料、航天、交通標(biāo)識(shí)系統(tǒng)涂料等眾多領(lǐng)域，還包含在人們?nèi)粘Ｋ褂玫母鞣N生活生產(chǎn)用品當(dāng)中，例如燃?xì)庠?、熱水器、電暖器等，可以說(shuō)耐高溫?zé)o機(jī)涂料與人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)。

目前市場(chǎng)上耐高溫涂料主要為無(wú)機(jī)耐高溫涂料和有機(jī)耐高溫涂料兩大類(lèi)。其中，無(wú)機(jī)耐高溫涂料主要有陶瓷涂料、硅酸鹽類(lèi)涂料、磷酸鹽類(lèi)涂料和富鋅底漆等，有機(jī)耐高溫涂料主要有氟樹(shù)脂涂料、雜環(huán)聚合物涂料和有機(jī)硅高溫涂料等。無(wú)機(jī)耐高溫涂料的硬度高，耐熱可達(dá)400～1000℃甚至更高，但漆膜較脆，未完全固化前耐水性不好，對(duì)基材表面處理要求嚴(yán)格。市場(chǎng)上的大部分高溫涂料，通過(guò)性能檢測(cè)，綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了要求。具有較高的耐熱性和完全不燃、不發(fā)煙的特點(diǎn)，原料易得、價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單、著色自由、施工方便、無(wú)毒、無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)等。涂料可在高溫鋼板、連鑄板坯、熱軋卷材上直接噴涂，且噴涂效果好，噴涂的標(biāo)識(shí)不易脫落、褪色，可有效消除混鋼事故，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 高溫材料性能要求

金屬材料在高溫環(huán)境中易與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，從而使金屬材料逐漸失去強(qiáng)度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能缺失，成為各種事故的隱患。例如壓力鍋爐，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，使鍋爐壁強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就會(huì)導(dǎo)致鍋爐爆炸等事故。因此，在高溫設(shè)備上，一般都要涂裝保護(hù)性涂層，防止金屬材料的腐蝕，延長(zhǎng)高溫設(shè)備的使用壽命。總之，高溫涂料是用在高溫階段的設(shè)備表面防御高溫，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)耐高溫涂料是指可長(zhǎng)期耐受300℃以上，并能保持一定物理化學(xué)性能、使被保護(hù)對(duì)象在高溫環(huán)境中能正常發(fā)揮作用的特種功能性涂料.隨著有機(jī)高溫涂料產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，有機(jī)耐高溫涂料因其良好的熱穩(wěn)定性、耐氧化性和特殊的結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于涂料行業(yè)。

3 高溫涂料的研制

實(shí)驗(yàn)中以水溶性硅酸鹽為基料得到的耐高溫涂料，這種高溫涂料用途也較廣泛。在一些情況下，這類(lèi)涂料除具有耐熱性之外，還具有優(yōu)異的防腐蝕性能。其配方如表2所示。將各種原材料混合均勻燒成，磨細(xì)后即得到耐高溫涂料。

實(shí)驗(yàn)中所用儀器有：馬弗爐、攪拌裝置、電爐加熱裝置，天平等。

4 高溫涂料的表征

采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的UltimaⅢ型X射線衍射儀分析樣品的物相結(jié)構(gòu)，測(cè)試條件為：Cu靶Kα，λ=0.15406 nm，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍2θ為10～80°，掃描速度為10°/min。采用深圳新威爾電子有限公司生產(chǎn)的 BTS電池測(cè)試系統(tǒng)分析樣品的首次充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性能， 電壓范圍為3.5–1.5V vs. Li/Li+，電流密度為0.15mA/g （基于樣品的質(zhì)量）。

當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理 。衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可用布拉格方程表示：2dsinθ=nλ，式中d為晶面間距；n為反射級(jí)數(shù)；θ為掠射角；λ為X射線的波長(zhǎng)。布拉格方程是X射線衍射分析的根本依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將研磨成的高溫涂料設(shè)備成標(biāo)準(zhǔn)壓片；

（2）將壓片放入掃描臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（3）利用儀器軟件進(jìn)行分析；

最終得到的XRD圖像如圖1所示。XRD顯示：高溫涂料含有Ca，Al，Mg，O，F(xiàn)，Na，Si等元素。

5 孔隙率的測(cè)定

多孔材料的孔隙率也稱(chēng)為孔率、孔隙度或氣孔率， 是指多孔材料中孔隙所占的體積與多孔材料的總體積之比， 可用百分?jǐn)?shù)或小數(shù)表示。多孔體中的孔隙有開(kāi)口貫通孔隙和閉合孔隙等形式（介于其間的還有半通孔隙， 其一般具有閉合孔隙的形態(tài)）， 故孔率也可相應(yīng)地分為開(kāi)孔率和閉孔率。各種孔率的總和就是總孔率， 即平時(shí)所說(shuō)的“孔率”。該指標(biāo)既是多孔材料中相對(duì)容易測(cè)量獲得的基本參量， 同時(shí)也是決定多孔材料導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光學(xué)行為、聲學(xué)性能、拉壓強(qiáng)度、蠕變率等物理、力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。因此，孔隙率可以作為材料質(zhì)量的一個(gè)控制指標(biāo)。

測(cè)試方法：浸泡介質(zhì)法測(cè)量采用流體靜力學(xué)原理： 將被測(cè)試樣浸泡于液體介質(zhì)（使用純水作為工作介質(zhì)， 對(duì)試樣不反應(yīng)、不溶解） 中使其飽和后再進(jìn)行液中稱(chēng)重來(lái)確定試樣的總體積， 進(jìn)而測(cè)算得出多孔體的孔率。其主要步驟是：先用電子天平稱(chēng)量出試樣在空氣中的質(zhì)量m1，然后浸入介質(zhì)（實(shí)驗(yàn)采用蒸餾水） 使其飽和， 采用加熱鼓入法或減壓滲透法使介質(zhì)充分填滿多孔材料的孔隙。浸泡一定時(shí)間充分飽和后取出試樣，小心擦去表面的介質(zhì)， 再用天平稱(chēng)出其在空氣中的總質(zhì)量m2。然后將飽含介質(zhì)的試樣放在吊具上浸入工作液體中稱(chēng)量， 此時(shí)試樣連同吊具的總質(zhì)量為m3，而無(wú)試樣時(shí)吊具懸吊于工作液體中的質(zhì)量為m4。由此可得多孔體開(kāi)口孔隙率為： θ= 1-（m2-m1）/（m3-m4）×100% ，所得數(shù)據(jù)如表3所示：

6 高溫涂料的研究方向

盡管有機(jī)硅高溫涂料具有許多優(yōu)異性能，但也存在一些問(wèn)題：固化時(shí)間長(zhǎng)，大面積施工不方便；對(duì)基材的附著力差，耐有機(jī)溶劑性差，溫度較高時(shí)漆膜的機(jī)械強(qiáng)度不好，價(jià)格較貴等。為克服這些缺點(diǎn)，有機(jī)硅樹(shù)脂用其他樹(shù)脂改性，或使用特殊的顏料、填料，使改性后的樹(shù)脂具有良好的施工性能、干燥性能及涂膜物理化學(xué)性能，得到了廣泛應(yīng)用。改性后的涂料主要有冷混型有機(jī)硅涂料、化學(xué)改性有機(jī)硅涂料以及共縮聚冷混型有機(jī)硅涂料等。

高溫涂料高溫下性能比較穩(wěn)定，除能滿足一定的高溫度要求外，還必須滿足以下綜合性能：有良好的熱物理和熱化學(xué)性，有良好的加工性；在較高的溫度和使用工作條件下，有較高的粘結(jié)強(qiáng)度和較好的物理機(jī)械性能并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能保持這種性能。工業(yè)耐高溫涂料不僅對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，還對(duì)我國(guó)相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用?？傊?，這些工業(yè)涂料可以幫助企業(yè)提高工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約成本，延長(zhǎng)工作設(shè)備使用壽命，給企業(yè)創(chuàng)造出更多利潤(rùn)價(jià)值，同時(shí)也減少污染排放。

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