有機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，被廣泛應用在醫療、軍工、電子器械和航空等領域，作為保護涂層，防止金屬材料氧化燒蝕，從而延長設備的使用壽命。

但是，由于有機樹脂本身不能在高溫下持續使用，容易發生熱分解，對于一些特殊的高溫行業來說，普通有機硅樹脂涂料的耐熱性能已經不能滿足實際使用的要求，需要對有機硅樹脂進行改性，改善有機硅樹脂的耐溫性。因此利用一系列耐熱性能優良的無機類顏填料提高有機硅樹脂的熱穩定性逐漸成為了一個新的研究方向[1]。

美國道康寧公司通過在有機硅樹脂中添加鋁粉，成功研制出牌號為DC-805 的涂料，這種涂料可耐650℃高溫，現在主要應用于飛機的熱交換器[2]。俄羅斯的系列有機硅樹脂中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]。國內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樹脂為基料，通過試驗設計，主要探究了不同填料和助劑的種類以及添加量對涂層高溫性能以及其他性能的影響，為配方優化設計提供理論依據。

1 涂料的組成和制備工藝

1.1 試驗原料

有機硅樹脂，工業級，上海慧創貿易有限公司；鈦白粉，工業級，中國攀鋼集團鈦業有限責任公司；氫氧化鋁，工業級，合肥中科阻燃新材料有限公司；滑石粉，工業級，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，工業級，中山市永豐化工有限公司；二甲苯，工業級，天津大茂化學試劑廠。

1.2 試驗底板的制備

對 120 mm×52 mm×0.1 mm 的馬口鐵片進行除油除銹處理。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 的砂紙進行打磨，除去馬口鐵表面的氧化薄膜與鐵銹；然后用沾有無水乙醇的棉花對其表面進行擦拭，等到金屬表面的無水乙醇揮發之后，才可進行涂刷。

1.3 實驗步驟

高溫隔熱涂料的制備裝置如圖1所示。

在反應器中加入一定量的有機硅樹脂、有機溶劑、云母粉、滑石粉、氫氧化鋁、鈦白粉、流平劑、潤濕劑、消泡劑，使用攪拌機進行中速分散攪拌 20 min，轉速 500 r/min。充分攪拌后，得到漿料。將漆漿與一定量的固化劑按比例進行混合攪拌分散 5 min，充分混合均勻，然后倒入研缽進行研磨 10 min，達到所需的黏度和細度，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 涂料性能檢測方法

按照GB/T 1732-1993測試沖擊性能；按照GB/T 6739-2006測試硬度；按照GB/T 9286-1998測試附著力；按照GB/T 1728-79測試涂層干燥時間；涂層耐熱性測試，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，是否會出現其他狀況(例如起泡、剝落或龜裂等)。

2 實驗結果與分析

2.1 固化劑用量對涂膜性能的影響

當基材為環氧改性樹脂時，選用四乙烯五胺為固化劑，經過反復測試后可知最佳固化劑用量為環氧改性有機硅樹脂用量的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；當基材為有機硅樹脂時，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 溶劑對涂膜性能的影響

溶劑的選擇對產品性能有很大影響，若選擇不當，不但影響涂膜表面狀態(如針孔點、結皮、麻點等缺陷)，造成表面光潔度降低，而且影響涂膜的耐磨等性能。選擇溶劑的沸點應在70～130 ℃ 較好，若沸點太低，會造成溶劑從涂膜中揮發過快，導致涂膜微觀結構上的缺陷，表面機械性能降低；若沸點太高，溶劑難于揮發，會造成表面干燥時間過長，不利于成膜。

2.3 不同樹脂對涂料性能的影響

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

表1 耐高溫涂料初步設計方案

表2 各種不同基材的涂膜的性能測試表

黏度2400的樹脂 黏度3900的樹脂 黏度5300的樹脂環氧改性有機硅樹脂圖2 熱處理后不同樹脂表面狀態

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

2.4 氫氧化鋁的量對涂料性能的影響

高溫下氫氧化鋁會分解出結晶水吸收大量熱，降低涂料表面溫度，延緩其分解時間。選用環氧改性樹脂為基材，配方中其他物料不變，考察不同氫氧化鋁的量對涂料性能的影響，在 600 ℃ 下 30 min 熱處理后樣品表面狀態和性能測試結果如圖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

從上述結果可知，涂料的物理性能測試結果差別不大。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，繼續添加，10%氫氧化鋁時的涂料表面出現了剝落，開裂。因此氫氧化鋁的添加量控制在8%為宜。

2.5 鈦白粉的量對涂料耐熱性能的影響

鈦白粉的熔點在 1850 ℃ 左右，具有良好的著色力與化學穩定性，能增強漆膜的機械強度和附著力，防止裂紋，防止紫外線和水分透過，延長漆膜壽命。

本實驗以鈦白粉為主要的耐高溫顏填料，考察鈦白粉添加量對涂料耐高溫性能的影響。鈦白粉添加質量分數分別為6%、8%、10%，經過 600 ℃ 的熱處理后，測試樣品的外觀和性能，結果如圖4和表4所示。

表4 不同鈦白粉添加量的樣品性能測試表

6%鈦白粉 8%鈦白粉 10%鈦白粉圖4 添加不同鈦白粉質量分數的樣品熱處理后表面狀態

由圖4可看出,隨著鈦白粉的量增加,龜裂起皮現象明顯改善,說明涂料的耐熱性能提高,當鈦白粉的添加質量分數達到10%時,涂料表面完好無損,達到了耐熱性能指標的要求。因此選擇添加質量分數10%為宜。

3 結論

1)相對于黏度為2400、3900和5300的樹脂,以環氧改性有機硅樹脂為基材制備的涂料固化后具有優良的耐沖擊性、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,氫氧化鋁的質量分數以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,本試驗中鈦白粉的質量分數以10%為宜。