有機(jī)耐高溫涂層的制備及影響因素

李永崗，張 杰，王桂剛

(青島愛爾家佳新材料股份有限公司，山東 青島 266071)

有機(jī)硅耐高溫涂料是耐高溫涂料中耐溫性能好，品種最多的一類涂料，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、軍工、電子器械和航空等領(lǐng)域，作為保護(hù)涂層，防止金屬材料氧化燒蝕，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

但是，由于有機(jī)樹脂本身不能在高溫下持續(xù)使用，容易發(fā)生熱分解，對(duì)于一些特殊的高溫行業(yè)來說，普通有機(jī)硅樹脂涂料的耐熱性能已經(jīng)不能滿足實(shí)際使用的要求，需要對(duì)有機(jī)硅樹脂進(jìn)行改性，改善有機(jī)硅樹脂的耐溫性。因此利用一系列耐熱性能優(yōu)良的無(wú)機(jī)類顏填料提高有機(jī)硅樹脂的熱穩(wěn)定性逐漸成為了一個(gè)新的研究方向[1]。

美國(guó)道康寧公司通過在有機(jī)硅樹脂中添加鋁粉，成功研制出牌號(hào)為DC-805 的涂料，這種涂料可耐650℃高溫，現(xiàn)在主要應(yīng)用于飛機(jī)的熱交換器[2]。俄羅斯的系列有機(jī)硅樹脂中KO-08耐熱性較好，添加如白云母、滑石粉等顏填料，制備的涂料能耐 700 ℃、2500 h[3]。國(guó)內(nèi)某化工研究院采用甲基、苯基聚硅氧烷為基料，硼酸、云母粉、滑石粉為顏填料制成的隔熱燒蝕涂料，在 2300 ℃ 下使用 30 s 后，背面的非金屬材料保持完好。

本文以一種改性的有機(jī)樹脂為基料，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要探究了不同填料和助劑的種類以及添加量對(duì)涂層高溫性能以及其他性能的影響，為配方優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 涂料的組成和制備工藝

1.1 試驗(yàn)原料

有機(jī)硅樹脂，工業(yè)級(jí)，上海慧創(chuàng)貿(mào)易有限公司；鈦白粉，工業(yè)級(jí)，中國(guó)攀鋼集團(tuán)鈦業(yè)有限責(zé)任公司；氫氧化鋁，工業(yè)級(jí)，合肥中科阻燃新材料有限公司；滑石粉，工業(yè)級(jí)，津博化工有限公司；流平劑，SN-9779；消泡劑，SB-520，上海深竹化工科技有限公司；云母粉，工業(yè)級(jí)，中山市永豐化工有限公司；二甲苯，工業(yè)級(jí)，天津大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 試驗(yàn)底板的制備

對(duì) 120 mm×52 mm×0.1 mm 的馬口鐵片進(jìn)行除油除銹處理。首先用10%氫氧化鈉溶液除油，再用10%鹽酸溶液除銹，用 0.090 mm 的砂紙進(jìn)行打磨，除去馬口鐵表面的氧化薄膜與鐵銹；然后用沾有無(wú)水乙醇的棉花對(duì)其表面進(jìn)行擦拭，等到金屬表面的無(wú)水乙醇揮發(fā)之后，才可進(jìn)行涂刷。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

高溫隔熱涂料的制備裝置如圖1所示。

在反應(yīng)器中加入一定量的有機(jī)硅樹脂、有機(jī)溶劑、云母粉、滑石粉、氫氧化鋁、鈦白粉、流平劑、潤(rùn)濕劑、消泡劑，使用攪拌機(jī)進(jìn)行中速分散攪拌 20 min，轉(zhuǎn)速 500 r/min。充分?jǐn)嚢韬螅玫綕{料。將漆漿與一定量的固化劑按比例進(jìn)行混合攪拌分散 5 min，充分混合均勻，然后倒入研缽進(jìn)行研磨 10 min，達(dá)到所需的黏度和細(xì)度，所得即為高溫隔熱涂料成品。涂抹在提前處理好的馬口鐵上。

1.4 涂料性能檢測(cè)方法

按照GB/T 1732-1993測(cè)試沖擊性能；按照GB/T 6739-2006測(cè)試硬度；按照GB/T 9286-1998測(cè)試附著力；按照GB/T 1728-79測(cè)試涂層干燥時(shí)間；涂層耐熱性測(cè)試，將樣板放入馬弗爐，在 100 min 逐漸升溫到 600 ℃，恒溫 30 min 后，逐漸冷卻至室溫取出，觀察涂層表面情況，是否會(huì)出現(xiàn)其他狀況(例如起泡、剝落或龜裂等)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固化劑用量對(duì)涂膜性能的影響

當(dāng)基材為環(huán)氧改性樹脂時(shí)，選用四乙烯五胺為固化劑，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試后可知最佳固化劑用量為環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂用量的3%，在常溫固化 5 h 后，將濾紙用重物壓在涂板上，濾紙仍可以有部分粘連，可知涂膜表干，在常溫固化 24 h 后；當(dāng)基材為有機(jī)硅樹脂時(shí)，選用固化劑為正硅酸四乙酯和二月桂酸二丁基錫，最佳固化劑的用量比為m(有機(jī)硅樹脂)∶m(正硅酸四乙酯)∶m(二月桂酸二丁基錫)=100∶5∶1。

2.2 溶劑對(duì)涂膜性能的影響

溶劑的選擇對(duì)產(chǎn)品性能有很大影響，若選擇不當(dāng)，不但影響涂膜表面狀態(tài)(如針孔點(diǎn)、結(jié)皮、麻點(diǎn)等缺陷)，造成表面光潔度降低，而且影響涂膜的耐磨等性能。選擇溶劑的沸點(diǎn)應(yīng)在70～130 ℃ 較好，若沸點(diǎn)太低，會(huì)造成溶劑從涂膜中揮發(fā)過快，導(dǎo)致涂膜微觀結(jié)構(gòu)上的缺陷，表面機(jī)械性能降低；若沸點(diǎn)太高，溶劑難于揮發(fā)，會(huì)造成表面干燥時(shí)間過長(zhǎng)，不利于成膜。

2.3 不同樹脂對(duì)涂料性能的影響

根據(jù)表1中配方用量，采用不同的樹脂作為基材，考察不同樹脂對(duì)涂料性能的影響。熱處理后樣品表面外觀和性能測(cè)試結(jié)果如圖2和表2所示。

表1 耐高溫涂料初步設(shè)計(jì)方案

表2 各種不同基材的涂膜的性能測(cè)試表

黏度2400的樹脂 黏度3900的樹脂 黏度5300的樹脂環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂圖2 熱處理后不同樹脂表面狀態(tài)

由上述結(jié)果可知，樣品板在 600 ℃ 條件下，經(jīng)過 30 min 熱處理之后，黏度為2400、3900和5300的樹脂均發(fā)生了不同程度的起泡和龜裂、脫落現(xiàn)象。而以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為基材的涂料耐溫性能最好，沒有發(fā)生起泡、脫落和龜裂等情況。從表面硬度、附著力和耐沖擊性上來看，以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為基材的涂膜在固化后的各方面性能都優(yōu)于其他基材的涂膜。

2.4 氫氧化鋁的量對(duì)涂料性能的影響

高溫下氫氧化鋁會(huì)分解出結(jié)晶水吸收大量熱，降低涂料表面溫度，延緩其分解時(shí)間。選用環(huán)氧改性樹脂為基材，配方中其他物料不變，考察不同氫氧化鋁的量對(duì)涂料性能的影響，在 600 ℃ 下 30 min 熱處理后樣品表面狀態(tài)和性能測(cè)試結(jié)果如圖3和表3所示。

表3 不同氫氧化鋁添加量的涂膜的性能測(cè)試表

4%氫氧化鋁樣品熱處理后 6%氫氧化鋁樣品熱處理后 8%氫氧化鋁樣品熱處理后 10%氫氧化鋁樣品熱處理后

從上述結(jié)果可知，涂料的物理性能測(cè)試結(jié)果差別不大。隨著氫氧化鋁的量的增加，涂料開裂和剝落情況逐漸減少，含有8%氫氧化鋁的涂料效果最好，繼續(xù)添加，10%氫氧化鋁時(shí)的涂料表面出現(xiàn)了剝落，開裂。因此氫氧化鋁的添加量控制在8%為宜。

2.5 鈦白粉的量對(duì)涂料耐熱性能的影響

鈦白粉的熔點(diǎn)在 1850 ℃ 左右，具有良好的著色力與化學(xué)穩(wěn)定性，能增強(qiáng)漆膜的機(jī)械強(qiáng)度和附著力，防止裂紋，防止紫外線和水分透過，延長(zhǎng)漆膜壽命。

本實(shí)驗(yàn)以鈦白粉為主要的耐高溫顏填料，考察鈦白粉添加量對(duì)涂料耐高溫性能的影響。鈦白粉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、8%、10%，經(jīng)過 600 ℃ 的熱處理后，測(cè)試樣品的外觀和性能，結(jié)果如圖4和表4所示。

表4 不同鈦白粉添加量的樣品性能測(cè)試表

6%鈦白粉 8%鈦白粉 10%鈦白粉圖4 添加不同鈦白粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品熱處理后表面狀態(tài)

由圖4可看出,隨著鈦白粉的量增加,龜裂起皮現(xiàn)象明顯改善,說明涂料的耐熱性能提高,當(dāng)鈦白粉的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí),涂料表面完好無(wú)損,達(dá)到了耐熱性能指標(biāo)的要求。因此選擇添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%為宜。

3 結(jié)論

1)相對(duì)于黏度為2400、3900和5300的樹脂,以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為基材制備的涂料固化后具有優(yōu)良的耐沖擊性、表面硬度、附著力和耐熱性能。

2)涂料中氫氧化鋁的比例并不是越高越好,就該配方來說,氫氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以8%為宜。

3)提高鈦白粉的比例可以明顯提高涂料的耐熱性能,本試驗(yàn)中鈦白粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以10%為宜。