磷酸鹽粘結(jié)劑的發(fā)展與應(yīng)用

【摘 要】 近年來，磷酸鹽粘結(jié)劑作為耐熱涂料的成膜物被廣泛應(yīng)用于金屬的耐高溫保護(hù)涂層。尤其以磷酸鹽粘結(jié)劑為基料，添加硬質(zhì)陶瓷骨料制備的無機(jī)涂料，以其優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、耐磨性、抗氧化性，及工藝簡單、成本低、環(huán)保等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸替代機(jī)硅類耐熱涂料。除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的耐火材料和鑄造工業(yè)外，磷酸鹽粘結(jié)劑還被用來密封熱噴涂涂層，作多孔陶瓷的耐磨、耐高溫保護(hù)層，以及制備纖維復(fù)合材料等。

【關(guān)鍵詞】 磷酸鹽粘結(jié)劑；熱穩(wěn)定性；耐高溫保護(hù)層；纖維符合材料

國外早在20世紀(jì)60年代就開始對磷酸鹽的研究，開發(fā)出很多性能優(yōu)良的耐高溫粘結(jié)劑。前蘇聯(lián)到20世紀(jì)80～90年代，已成功地將固化溫度降至170℃，美國海軍航空局從20世紀(jì)60年代開始資助通用電氣公司著手此方面的研究，得到了能在315℃以下固化的石英織物增強(qiáng)磷酸鋁基復(fù)合材料。70～80年代，美國空軍實驗室等單位進(jìn)行了磷酸鹽基材料的常溫、高溫電性能等的詳細(xì)測試。國內(nèi)70年代開始研究磷酸鹽粘結(jié)劑，由于該領(lǐng)域的敏感性，目前國內(nèi)外均未見有關(guān)其具體制備方面的研究報道。

與硅酸鹽粘結(jié)劑相比，磷酸鹽粘結(jié)劑耐水性較好、固化收縮率小、高溫強(qiáng)度大并可在較低溫度固化。盡管有機(jī)硅類涂料具有較好的耐熱性、耐水性、電絕緣性和機(jī)械性能，但它的高溫穩(wěn)定性、附著力、抗氧化性與以磷酸鹽粘結(jié)劑為成膜物的磷酸鹽涂料相比差很多，并且制備工藝較為復(fù)雜、成本高等。這些優(yōu)點(diǎn)都決定了磷酸鹽粘結(jié)劑在工業(yè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。

1 磷酸鹽粘結(jié)劑在耐火材料領(lǐng)域的應(yīng)用

在耐火材料工業(yè)中，磷酸鹽粘結(jié)劑通常以酸式鹽或磷酸的衍生物在常溫下與弱堿或兩性氧化物反應(yīng)，但并非所有的反應(yīng)產(chǎn)物都具有粘結(jié)性能。具有較小的陽離子半徑的金屬離子有助于形成無序或玻璃狀結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)性，所以磷酸鋁、磷酸鉻及其復(fù)合系統(tǒng)的粘結(jié)劑在性能上完全能滿足要求，而被廣泛地應(yīng)用。

磷酸鹽粘結(jié)劑不僅在常溫下具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，并且隨使用溫度的提高粘結(jié)強(qiáng)度也在提高，加之磷酸鹽粘結(jié)劑本身固有的耐高溫性能、抗腐蝕性及抗吸濕性，因此它完全符合耐火材料領(lǐng)域粘結(jié)劑的要求。隨著耐火材料耐火度的提高，對粘結(jié)劑的高溫穩(wěn)定性也提出了更高的要求，所以如何繼續(xù)提高磷酸鹽粘結(jié)劑的高溫性能將成為未來這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

2 磷酸鹽粘結(jié)劑在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

磷酸鹽粘結(jié)劑由于具有良好的潰散性和高溫性能，制作簡單、成本低、無味、無毒，所以被認(rèn)為是一種極有應(yīng)用前景的鑄造用粘結(jié)劑。

肖澤輝、譚曉朝等研究發(fā)現(xiàn)以磷酸鋁為粘結(jié)劑，經(jīng)煅燒鈍化的冶金鎂砂為促凝劑的陶瓷料漿，以高鋁礬土熟料或棕剛玉為耐火粉料，生產(chǎn)出的熱壓模具具有較高的高溫強(qiáng)度和較小的熱膨脹系數(shù)，鑄件不粘砂，型殼易潰散，鑄件表面光潔等優(yōu)點(diǎn)。而加入鉻酸酐制備的磷酸鋁鉻粘結(jié)劑應(yīng)用到鑄鐵用陶瓷過濾片中，可以有效抑制過濾片在高溫時因失水收縮而產(chǎn)生的龜裂現(xiàn)象。

3 磷酸鹽粘結(jié)劑在無機(jī)涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

以磷酸鹽粘結(jié)劑作為基料，添加陶瓷骨料制備的磷酸鹽涂料主要用于鋼鐵等金屬的耐高溫、耐腐蝕的保護(hù)涂層。目前，應(yīng)用最為廣泛的耐熱涂料是有機(jī)硅類耐熱涂料。雖然有機(jī)硅類耐熱涂料具有較好的耐熱性、耐水性、電絕緣性和機(jī)械性能，但其硬度小，價格高，且不屬于環(huán)保型涂料，而無機(jī)化合物的耐熱性、熱穩(wěn)定性、耐氧化性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于有機(jī)聚合物。磷酸鹽粘結(jié)劑作為耐高溫基料，具有很強(qiáng)的附著力和耐熱性，將磷酸鹽粘結(jié)劑作為耐熱涂料的成膜物，并對其性能進(jìn)行改進(jìn)，可以制得具有良好附著力、耐熱性和施工性能的水性耐熱涂料。

4 磷酸鹽粘結(jié)劑在陶瓷纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用

碳纖維密度小，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，常用它們與很多金屬基體復(fù)合，制備性能較高的復(fù)合材料，其中鋁及其合金是用得最多的基體。由于碳纖維與鋁液的潤濕性差，高溫下相互之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成嚴(yán)重影響復(fù)合材料性能的化合物，所以通過對纖維進(jìn)行表面處理來提高碳纖維鋁基復(fù)合材料的性能已成為近些年研究的重點(diǎn)之一。

王新坤、汪定江等研究表明，在預(yù)制件中加入偏磷酸鋁粘結(jié)劑可以提高復(fù)合材料中纖維的平直度及分布的均勻性，從而提高鋁液浸滲填充的均勻性，制備缺陷較少、性能較好的復(fù)合材料。他們用P/Al=15：1、濃度為10wt%偏磷酸鋁溶液處理后的預(yù)制件經(jīng)真空液相浸滲后制備的復(fù)合材料，纖維不僅維持了較好的平直度，而且彎曲強(qiáng)度比未經(jīng)粘結(jié)劑處理的提高近102%，達(dá)到535MPa。