郭亚林 1，梁国正1 ，丘哲明 2，刘爱华2 ，冯喜利 2

    (1 ．西北工业大学理学院应用化学系， 710072 ； 2 ．西安航天复合材料研究所， 710025)
 
 
    摘要：介绍了一种钢管用新型耐烧蚀涂层的研究情况。在对涂层材料基本性能研究的基础上，采用带有涂层的钢管和无涂层钢管的对比实验对所研制涂层材料的实用性进行了研究。实验结果表明：涂层材料的拉伸强度达到 7 MPa ；伸长率为 1 ． 04 ％ ；附着力为 2 ． 25 kg ／ cm2 ；导热系数为 0 ． 334 W ／ (m · K) ；比热容为 4 ． 669 × 10 3 J ／ (kg · K) ；密度为 0 ． 83 g ／ cm 3；氧一乙炔烧蚀的线烧蚀率为： 0 ． 204 mm ／ s ，质量烧蚀率为： 0 ． 0873 g ／ s ；热分解温度在 330 ～ 600 ℃ ；涂层使钢管的熔速大幅度下降。

    关键词：耐烧蚀涂层；钢管；导热系数

    0 引 言

    有机硅改性环氧树脂具有优良的防腐性、耐高温性、电绝缘性，特别是对底材的附着力和耐介质性能较有机硅树脂有很大的提高，广泛应用于航空、航天、核工业、兵器、电子等领域，采用这类树脂制得的涂料具有优良的耐高温性、隔热性、防腐性、电气绝缘性以及耐核辐射性，因此在军工和民用方面得到了越来越广泛的应用 J 。赵英民等人采用有机硅改性环氧树脂为基料，以氢氧化铝和硼酸等为填料制得了一种低温挥发散热隔热涂层，用于超音速飞行器在 350 ～ 400 ℃之间的热防护 ；邓明山等人研制的常温固化有机硅改性环氧树脂涂层能在 400 ℃ 下长期使用，成功应用于闪速炉、高温管道和预热塔等 J 。

    在钢铁冶炼过程中，为了达到某种目的需向熔融的钢水中吹人氧气，向钢水中吹氧气的钢管在高温 ( 约 1 750℃) 下会发生熔化而消耗掉，为了提高钢管的使用效率，需对钢管采取一定的保护措施，以降低其熔化速度，采用涂层是一种简单而有效的方法。本文借鉴高温防热材料的研究经验，以有机硅改性环氧树脂为基体，研究了一种有机涂层材料，将其涂覆于钢管的表面，以期达到降低熔速的目的 。

    本文研制的涂层材料具有良好的力学性能、隔热性能、热稳定性和耐烧蚀性能，同时该涂层材料还可大幅度降低钢管的熔化速度。

    1 实验部分

    1 ． 1 实验材料

    有机硅改性环氧树脂；聚酰胺树脂；多种无机功能填料；混合溶剂；所有原材料均为国产工业品。

    1 ． 2 试样制备

    浇注体的制备：参照 GB ／ T 2567-1995 第一章要求进行。按比例配制好涂料，浇铸于已调整水平的拉伸模具，室温放置 3 d 后脱模，去掉毛边即可得试样。涂料配制：各组分混合后，采用乳化机在 3 000 r ／ m 条件下乳化约 5 ～ 10 min 。

    涂层制备：采用空气喷涂方式进行。首先按喷涂工艺要求利用混合溶剂将乳化好的涂料的黏度调节到可喷涂范围，然后组装喷枪，并调节气压，按喷涂工艺控制喷枪与喷涂面的距离进行喷涂。涂层的厚度是通过多次喷涂的方式来控制的。钢管规格：外径为 25 mm ，内径为 10 mm ，长 1 000 mm ，仅在钢管外壁喷涂，喷涂后涂层厚度为 0 ． 5 ～ 0 ． 6 mm 。

     1 ． 3 性能测试

    拉伸性能测试参照 GB ／ 568 — 1981 进行：附着力测试参照 GB ／ T5210 — 1985 进行；热常数 i 贝 0 试参照 GJB 1201 ． 1_91 进行；密度测试参照 GB ／ Tl463 — 1988 进行；热失质量实验：称取试样 15 mg 左右，在 7 系列热分析仪上以 10 ℃ ／ min 升温速率测定，升温范围为室温至 900 ℃ ，整个过程中试样使用 N ：保护；氧 - 乙炔烧蚀实验参照 GJB 323A 96 进行；钢管的熔速测试：由用户按其要求自行测试。

    2 结果与讨论

    借鉴高温防热材料的研究经验，特别是固体发动机燃烧室内绝热层和导弹再人热防护材料等的研究成果，通过比较多种烧蚀防热材料的特征，选择了一种有机硅改性环氧树脂作为基体材料，以无机耐高温隔热材料为填料组成了涂层材料配方，该配方具有成型工艺简单、室温固化等优点 E5 — 7 2 。实验对该配方的基本性能进行了初步研究，并采用实际应用实验对其性能进行了进一步考核。

    2 ． 1 力学性能

    涂层力学性能测试结果列表 1 。

表 1 涂层材料力学性能测试结果

从表 1 可以看出，涂层材料的拉伸强度达到 7MPa ，相对较高：其伸长率为 1 ． 04 ％，相对较小，但在耐热性测试中发现，该涂层材料在受热温度升高的情况下会发生一定程度的软化，从而使伸长率增大，因此在高温条件下不会由于钢管膨胀而产生裂纹。这一点在应用实验中已得到证实；同时，涂层材料的附着力达到 2 ． 25 kg ／ cm2 ，相对较高，可确保涂层不发生脱落现象。

    2 ． 2 隔热性能

    钢管在熔融的钢水中时，热量由钢水通过钢管表面传递给钢管，从而使钢管温度升高进而熔化。因此，要求涂覆于钢管表面的涂层应具有良好的隔热性能。表 2 是实验测试的涂层材料在室温时的热常数。

表 2 涂层材料室温热常数测试结果

由表 2 可知，该涂层材料在室温下的比热较高，导热系数和导温系数较低，说明其隔热性能良好。当温度升高涂层材料发生热分解后，由于气体成分的放出及一系列相应的化学反应，残余物成为附着于钢管表面的具有较多微孔的物质，该物质的导热系数由于微孔的存在会更低，因而隔热效果更好。以上分析说明，该涂层材料的隔热性能良好。

    2 ． 3 热稳定性

    在热稳定性方面，进行了浇铸体的热质量分析，图 1 是涂料的热失质量曲线。

    从图 1 可以看出，试样从室温升高到 900 ℃ ，热失质量为 51 ． 009 ％ ，剩余物为 48 ． 991 ％ ，可见，该材料在热分解后的残余量较高。

   从图 2 可以看出，在温度升高的初始阶段，材料失质量速度较慢，在 240 ℃ 附近热失质量加速，分别在 260 ℃ 、 337 ℃ 和 479 ℃ 出现峰值，在 600 ℃ 附近，热失质量速度已较小，在约 700 ℃ 以后，基本趋于稳定。在 260 ℃ 出现的峰值是由涂料中某功能填料的热分解造成的。在涂料中含有一种功能填料，该填料在 200 ℃ 以上会发生热分解反应，吸收大量的热量，同时生成挥发性小分子从涂层中逸出，从而使涂层的质量下降，出现失质量峰。小分子的逸出还能带走一部分热量，该填料在涂料中的作用是阻止涂层发生燃烧。在 337 ℃ 和 479 ℃ 的失质量峰是涂层中作为基体的有机硅改性环氧树脂的两次热分解。可见，该涂料分解最为剧烈的阶段集中在 330 ～ 600 ℃ ，在 260 ℃ 以下变化较小。由以上分析可见，该涂层材料具有较高的耐热性，并且在热分解后残余物较多。

    2 ． 4 烧蚀性能

    在 1 750 ℃ 的高温条件下，涂层的烧蚀现象是相当严重的，实验在对涂层材料进行马弗炉烧蚀的基础上，利用氧一乙炔烧蚀实验对涂层材料的烧蚀性能进行了量化测量。涂层材料的氧一乙炔烧蚀试验结果 列表 3 。

表 3 涂层材料的氧一乙炔烧蚀结果

由表 3 可知，其线烧蚀率为 0 ． 204 mm ／ s ，质量烧蚀率为 0 ． 087 3 g ／ s ，两者均较小，说明该涂层材料具有良好的耐烧蚀性能。

    2 ． 5 钢管实际应用实验

    涂层材料基本性能研究表明，所研制涂层材料具有良好的力学性能、隔热性能和耐烧蚀性能。在此基础上，为进一步考核所研制的涂层材料，实验制作了带涂层的钢管，对涂层材料的实用性进行了考核。实验采用无涂层钢管和带有涂层的钢管进行对比实验，结果表明，无涂层钢管的熔速约为 849 mm ／ min ，带有涂层钢管的熔速约为 381 mm ／ min 。可见，涂层使钢管的熔融速度在实际应用过程中大幅度下降，这说明所研制涂层材料具有较好的实用性。

    3 结语

    (1) 以有机硅改性环氧树脂为基体材料，以无机 耐高温隔热材料为填料的涂层配方具有固化温度低，成型工艺简单的优点；

    (2) 该涂层材料具有较高的热稳定性，并且热分解残余物多；

    (3) 该涂层材料具有良好的力学性能、隔热性能和耐烧蚀性能；

    (4) 实际应用实验表明，该涂层材料能够大幅度降低钢管的熔速。