基于有機硅耐高溫底漆作用機理分析的應用優化

梅濤

（中車株洲電機公司，湖南 株洲 412000）

基于有機硅耐高溫底漆作用機理分析的應用優化

梅濤

（中車株洲電機公司，湖南 株洲 412000）

文章分析了有機硅耐高溫底漆的主要成分及其作用：耐高溫樹脂為丙烯酸樹脂、有機硅樹脂，可以在高溫下保持其性能；助劑為硅烷偶聯劑、2-甲氧基-1-甲基乙烷基醋酸鹽，可以提高涂料的相容性和穩定性；溶劑為乙酸乙酯、二甲苯（混合異構體）、1-丁醇；顏填料為CaSO4、硅酸鹽，可以提高涂料精細度、表面光滑度、增加對基材的附著力、提高漆膜致密性；固化劑為異氰酸酯，通過與丙烯酸樹脂、有機硅樹脂反應，形成交聯聚合物。

有機硅樹脂；丙烯酸樹脂；耐高溫

文章在分析涂料固化機理、涂層厚度對涂料性能影響、涂料防腐蝕機理的基礎上，提出了有機硅耐高溫底漆的應用優化，轉子制作完成后須當天噴涂有機硅耐高溫底漆，在噴漆操作前，不可做防銹處理；有機硅耐高溫底漆（雙組份）應密封儲存，放在通風、干燥處；有機硅耐高溫底漆噴涂前，應攪拌均勻；盡量在較短時間內用完固化劑，若固化劑已經放置較長時間，可適當提高固化劑的使用比例；為達到較好防腐效果，應盡量噴涂到40μm。

一般涂料是由成膜物、顏料和溶劑組成，有時還有各種助劑，涂料在裝飾、保護金屬、道路標志等領域發揮著重要的作用。耐高溫涂料一般是指能長期承受200℃以上溫度，并能保持一定物理化學性能，使被保護對象在高溫環境中能正常發揮作用的特種功能性涂料。耐高溫涂料一般由耐高溫聚合物、顏填料、溶劑和助劑組成，亦稱耐熱涂料。同其它抗高溫氧化腐蝕手段相比，耐高溫防腐涂料以其大面積施工工藝性能良好、成本低、效果顯著等優點受到人們的青睞。有機硅耐高溫底漆的使用工藝為：冷態下噴涂轉子，180±10℃下保溫3h。在深度國產化電機試制過程中，發現部分轉子噴漆后表面漆存在粉化，附著力小的異常情況，文章旨在分析此異常情況，并提出改進方案。

1 有機硅耐高溫涂料基本成分

據湖南株洲市九華新材料涂裝實業有限公司的王曙光工程師介紹，STw-02有機硅耐高溫樹脂的耐高溫聚合物為丙烯酸樹脂、有機硅樹脂；助劑為硅烷偶聯劑、2-甲氧基-1-甲基乙烷基醋酸鹽；溶劑為乙酸丁酯、二甲苯（混合異構體）、1-丁醇；顏填料為CaSO4、硅酸鹽；固化劑是異氰酸酯，該涂料能有效保護金屬。文章就上述成分進行分析。

1.1 耐高溫聚合物作用

（1）丙烯酸樹脂作用。丙烯酸樹脂的分子結構示意圖如圖1所示：

圖1 丙烯酸樹脂的分子結構圖

丙烯酸樹脂可隨著溶劑揮發成膜物質與其他不揮發組分共同形成均勻連續的薄膜而成涂層的。由于其涂膜緊密，抗CO2、SO2的滲透性好，通常具有較好的硬度、光澤、耐酸堿性及良好的耐候性、耐污染性。丙烯酸樹脂具有優良的裝飾性和耐久性，目前國內丙烯酸樹脂耐人工老化試驗超過3000h，并且在長期光照、雨淋的條件下，不易變色，粉化或脫落。丙烯酸樹脂涂層表面光潔，耐玷污性好，丙烯酸樹脂可以按照用戶的需要配置成平光、亞光、有光及高光等各種光澤的涂料，其表面光潔，具有很好的硬度，耐玷污性也很好，通常在10%涂層的玷污率以下。丙烯酸樹脂的原料來源廣泛，隨著科技的快速發展，各類品種的制造工藝也越來越成熟，制造成本也隨之降低，而其性能卻日益優越，是達到優質涂膜的最佳途徑。

（2）有機硅樹脂作用。有機硅樹脂的分子結構示意圖如圖2所示。

圖2 有機硅樹脂的分子結構示意圖

有機硅樹脂的耐熱性能好是與其分子的結構有關：①共價鍵的鍵能越高，則熱穩定越好。有機硅樹脂中以Si-O鍵為主鍵，Si-O鍵的鍵能是443.5KJ/mol，大于C-C鍵的鍵能（347KJ/mol）、C-N鍵的鍵能（293kJ/mol），苯環的共振能（150kJ/mol）、聯苯的共振能（169kJ/mol）、苯的共振能（255kJ/mol）。②Si-O鍵的極性大，有51%的離子化傾向，對硅原子上連接的羥基有偶極感應影響，提高了所連羥基對氧化作用的穩定性。③硅原子和氧原子形成了d-pπ鍵，增加了熱穩定性。④在受熱氧化時，有機硅表面生成交聯的Si-O-Si鍵保護層，降低了對聚合物內部的影響，而普通的高聚物C-C鍵受熱氧化，很容易斷裂成低分子物揮發，無法保護聚合物內部。⑤有機硅的Si-O-Si鍵在高溫下可以與Fe融合熔合生成Si-0-Fe硅酸鹽無機化合物涂層，對鐵基底材附著力強，也可以和涂料中的硅酸鹽填料（如云母、石棉、滑石粉、高嶺土）中的少量羥基反應，提高耐熱性。

王李軍等通過研究發現，有機硅樹脂的性能與有機基（R）對硅原子（Si）的比值（即R/Si比）以及樹脂中甲基與苯基的用量（即苯/甲比）有關，R/Si大，則漆膜的柔韌性大，干性低，苯/甲大，則樹脂熱穩定性較好，堅韌性好，熱塑性大，與普通樹脂的相容性好，苯/甲小，則樹脂的柔韌性好、耐電弧性好、憎水性好、高溫失重少、耐化學品性好。

1.2 助劑作用

有機硅耐高溫底漆采用物理共混法對樹脂進行改性，即在有機硅聚合物存在的情況下進行丙烯酸酯的聚合。共混法是制備聚合物“合金”的重要方法，聚合物合金通過已有的聚合物進行共混改性，不僅可以獲得各組分性能相補的，性能優異的新材料，而且和復合材料一樣通過復合效應可得到原組分不具有的性能。物理共混法操作簡單，但是聚硅氧烷與丙烯酸酯的結構和極性相差較大，表面自由能相差較大，聚硅氧烷容易向表面遷移，二者的相容性差，因而采用共混方法制備的聚硅氧烷改性丙烯酸酯聚合物的穩定性不高，可能發生相分離，很難制得性能穩定均一的硅丙樹脂。硅烷偶聯劑的作用為增容劑，其作用為加強有機硅樹脂和丙烯酸樹脂的相容性。2-甲氧基-1-甲基乙烷基醋酸鹽的作用為穩定劑，其作用為加強混合體系的相容性。

1.3 溶劑作用

乙酸丁酯、二甲苯、1-丁醇均是極性溶劑，能夠較好的相容，并且能夠溶解丙烯酸樹脂、有機硅樹脂。可以通過調節耐高溫樹脂與溶劑的比例，調節涂料的粘度，增強涂料的流變性能，使涂料能夠用噴涂的方式施工。乙酸丁酯的沸點為126℃，二甲苯（混合異構體）的沸點為138.35～144.42℃，1-丁醇的沸點為117.7℃。在涂料的固化過程中，1-丁醇、乙酸丁酯、二甲苯（混合異構體）依次揮發，可以帶走固化過程中熱量，使固化過程不會產生爆聚現象。

1.4 顏填料作用

文獻報道，CaSO4可以作為增強劑，提高涂料精細度、表面光潔度，減少噴壺的磨損。硅酸鹽的加入可以增加涂料耐高溫能力和對底材的附著力，提高漆膜的致密性，文獻還報道，在高溫下，硅酸鹽可以與有機硅反應，燒結成致密的成膜物質，在現有的文獻中，低熔點硅酸鹽的軟化溫度為280℃以上，工藝溫度上限為190℃，據陳紅生高級工程師介紹，轉子的運行溫度為200℃左右，難以達到硅酸鹽的軟化點，故涂料中硅酸鹽不會與有機硅反應。填料還可以降低涂料的使用成本。

1.5 固化劑作用

異氰酸酯是異氰酸的各種酯的總稱，包括單異氰酸酯R-N=C=O和二異氰酸酯O=C=N-R-N=C=O及多異氰酸酯等。

異氰酸酯中的-N=C=O基團帶有兩個雙鍵。由于N原子和O原子外層電子密度大，均呈電負性，而C原子外層電子密度低，呈正電性，因此-N=C=O具有較高的反應活性，可以與提供活性氫的化合物反應，屬親核反應。有機硅樹脂中，不僅存在許多支鏈結構，而且還保留著一部分羥基封端頭，有機硅樹脂含Si-OH，丙烯酸樹脂中也含有-OH，均可以提供活性氫，可以與異氰酸根反應。異氰酸酯與丙烯酸樹脂、有機硅樹脂發生反應，形成網狀聚合物。提高異氰酸酯的量，涂料的交聯性將進一步提高。

2 有機硅耐高溫底漆的作用過程

（1）有機硅耐高溫底漆固化過程。在室溫下，由于丙烯酸樹脂、有機硅樹脂中提供活潑氫的能力不強，故異氰酸酯與丙烯酸樹脂、有機硅樹脂反應的速率很慢，溫度升高時，涂料反應加快，形成交聯聚合物；同時在反應過程中，由于溶劑的揮發，帶走了一部分熱量，使反應能夠平穩進行，易于成膜，而且，由于消泡劑的存在，減少了氣泡的產生。

（2）涂層厚度對防腐耐溫性能的影響。在機車、地鐵的運營過程中，機車轉子可能會在潮濕、多鹽的條件下運行。據文獻報道，涂層在腐蝕介質環境下的破壞有多種原因：介質的化學侵蝕，介質的物理溶解和溶脹，介質在涂層中的滲透擴散以及由于配方、施工等因素引起的涂層種種的缺陷而造成涂層局部的破壞等等。這些都將導致涂層鼓泡、分離和龜裂以致最終腐蝕基體。

介質在涂層內的擴散理論符合Fick定律：

T=L2/6D

其中L為涂層厚度，m；D為介質在涂層內的擴散系數，基本上是恒定的，主要決定于涂層和介質的結構及擴散的壓力和溫度等參數，m2·S-1。

上式說明，介質滲透達到涂層——金屬基體界面時的時間與涂層的厚度平方成正比，與擴散系數成反比。由于對于轉子來說，運營環境是固定的，及擴散系數是一定的，為增加涂料耐腐蝕性能，宜增加涂料厚度。

賴稱等通過研究發現，隨著涂層厚度的增加，涂料導熱系數下降，涂層內外溫差過大時，高溫時涂層出現龜裂、脫落、失去保護功能。本公司有機硅耐高溫涂料的噴涂厚度為30～40μm。

（3）涂料防腐蝕機理。如圖3所示，有機硅樹脂中，Si-O鍵的極性使當涂膜覆蓋在基材表面時，常常由于基材中的氫鍵或-OH等作用，氧原子更容易定位被基材吸附，而非極性的基團-R被排斥在外，主鍵的螺旋結構也同時伸展開來。分子鍵的旋轉和螺旋結構的伸展都需要一定的能量。能量越大，轉移到表面的有機基團越多，對水分子的阻礙作用越大，表現出越強的憎水性。

圖3 涂料防腐蝕機理

丙烯酸樹脂的防腐機理與有機硅樹脂類似。涂料通過與金屬基體的結合，有效隔絕了空氣、水分，減少電化學作用，較好的保護了金屬。

3 有機硅耐高溫涂料粉化因素分析

在JD160深度國產化電機試制過程中，部分轉子噴涂的有機硅耐高溫底漆出現了粉化、附著力降低的異常情況。文章通過分析車間作業環境，對影響有機硅耐高溫涂料粉化的因素進行了分析。

（1）防銹油因素。由于轉子是隔天噴漆，為了避免金屬銹蝕，對轉子進行了防銹處理。由于防銹油是非極性溶劑，通過上述分析，有機硅耐高溫底漆是極性溶劑，故噴涂時，難以與金屬表面發生作用，容易出現粉化、附著力差現象。

（2）分散不均勻因素。由于有機硅樹脂和丙烯酸樹脂相容性并不是很好，經過長時間靜置后，樹脂可能存在分層現象，顏填料會分散不均勻。若使用前未攪勻，容易造成涂料分布不均勻，部分部位耐高溫樹脂較少，顏填料較多，出現粉化、附著力差現象。

（3）固化劑因素。由于異氰酸酯容易與水發生反應，從而降低其活性，現場發現固化劑未密封保存，且保存時間較長。

（4）配比因素。由于異氰酸酯活性降低，按照原配比難以在3h內發生充分交聯反應，成膜性能較差，出現粉化、附著力差的現象。

4 有機硅耐高溫涂料應用改進

（1）試驗部分。①消除防銹油。轉子采取不噴涂防銹油、當天噴漆的施工方式。②增加攪拌工步。涂料在噴涂之前，先進行充分攪拌，使涂料各組分分散均勻。

由于本公司使用的有機硅耐高溫底漆是雙組份涂料，為描述方便，稱耐高溫底漆由固化劑和組分A組成。取原固化劑、新固化劑、耐高溫底漆，分別按表1所示配比，由同一名操作工人在廢棄硅鋼片上噴涂，在180±10℃條件下固化4h，得出數據。

表1 配比結果

通過比較式樣1～5和6～10可以發現，固化劑含量越高，涂料成膜效果越好，交聯度越深，得到的效果越好。通過比較式樣3、8可以發現，固化劑中異氰酸酯含量越高，涂料成膜效果越好，交聯度越深，得到的效果越好。

（2）改進措施。在試驗的基礎上，對轉子噴漆工藝進行了優化：①轉子制作完成后須當天噴涂有機硅耐高溫底漆，在噴漆操作前，不可做防銹處理。②有機硅耐高溫底漆（雙組份）應密封儲存，放在通風、干燥處。有機硅耐高溫底漆噴涂前，應攪拌均勻。③盡量在較短時間內用完固化劑，若固化劑已經放置較長時間，可適當提高固化劑的使用比例。④為達到較好防腐效果，應盡量噴涂到40μm。

5 結語

（1）有機硅耐高溫底漆中耐高溫樹脂為有機硅樹脂、丙烯酸樹脂，通過硅烷偶聯劑、2-甲氧基-1-甲基乙烷基醋酸鹽的作用，耐高溫樹脂能夠均勻分散在二甲苯（混合異構體）、1—丁醇、乙酸乙酯組成的混合溶劑中，使用時，耐高溫樹脂通過與異氰酸酯反應，生成交聯聚合物，覆蓋在金屬基底上，隔絕了空氣、水，減少了電化學腐蝕，達到了保護金屬的目的。

（2）耐高溫底漆在使用過程中，為達到較好防腐蝕效果，應盡量增加漆膜厚度。

（3）固化劑含量越高，異氰酸酯含量越高，涂料成膜效果越好，交聯度越深，得到的效果越好。

（4）在試驗的基礎上，對轉子噴漆的工藝進行了改進：①轉子制作完成后須當天噴涂有機硅耐高溫底漆，在噴漆操作前，不可做防銹處理。②有機硅耐高溫底漆（雙組份）應密封儲存，放在通風、干燥處。③有機硅耐高溫底漆噴涂前，應攪拌均勻。④盡量在較短時間內用完固化劑，若固化劑已經放置較長時間，可適當提高固化劑的使用比例。⑤為達到較好防腐效果，應盡量噴涂到40μm。

Analysis of Application and Optimization of Mechanism based on Organosilicon High Temperature Primer

MEI Tao

（Zhuzhou Zhongche Motor Company，Zhuzhou，Hunan 412000，China）

This paper analyzes the main components and effects of high temperature resistant silicone primer：high temperature resistant resin for acrylic resin，silicone resin，can maintain its performance under high temperature；additives for silane coupling agent，2-methoxy-1-methyl ethyl acetate can improve the compatibility and stability of coatings；solvent is ethyl acetate，xylene（mixed isomers），1-CaSO4，butanol；fillers can improve the fineness of silicate，coating，surface smoothness and increased adhesion to the substrate，enhancing consistence；curing agent for isocyanate by reaction with acrylic resin，silicone resin，forming a crosslinked polymer.

silicone resin；acrylic resin；high temperature resistance

TQ637.6

A

2095-980X（2017）01-0046-03

2017-01-05

梅濤（1990-），男，湖北黃岡人，大學本科，助理工程師，主要研究方向：絕緣材料。