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高温防护涂料研究与应用发展现状

http://www.coatings.hc360.com2015年04月24日08:32 来源:中国防腐涂料网T|T

    慧聪涂料网讯:

付敏(中海油常州涂料化工研究院有限公司,江苏常州213016)

    摘要:综述了高温防护涂料的研究与应用现状、高温防护涂料的种类以及应用的发展概况,展望了未来高温防护涂料的发展趋势。

    关键词:高温防护涂料;有机耐高温聚合物;陶瓷涂料;高温腐蚀

    中图分类号:TQ630.7 文献标识码:A 文章编号:1672-2418(2014)12-0033-04

    0·引言

    金属的高温腐蚀是金属材料面临的关键问题之一,在现代科学技术和工程的发展中占有重要的地位。如在汽轮机发展的初期,工作温度只有300℃左右,而今己高达630~650℃;现代超音速飞机发动机的工作温度已达1150℃。这些高温工作环境,必然带来材料的高温腐蚀问题。现代石油化工、冶金、航天航空、核能等工程技术也离不开高温防腐蚀材料的发展,高温腐蚀已成为金属防腐蚀领域的重要组成部分。近年来,国内外相关科技工作者都在致力于不断研发具有耐高温、多用途、性能优异以及低污染的高温防护涂料。

    1·有机高温防护涂料

    有机耐高温聚合物及涂料的发展特点是在原有基础上不断提高性能、降低成本,推动低污染、功能化新产品的出新,促进防腐蚀工业的发展。提高涂料耐高温性能的研究主要集中在对基体树脂的探索上,如杂环聚合物、梯形聚合物和有序聚合物的研究。目前有机耐高温涂料主要包括有机硅、杂环聚合物、含钛聚合物等类型。

    1.1 有机硅树脂

    有机硅耐高温涂料一般由纯有机硅树脂或经过改性的有机硅树脂为基料,配以无机耐高温的填料、溶剂和助剂组成,具有优良的耐热、耐辐射、耐水、耐化学腐蚀和电绝缘等性能。其清漆可耐200~250℃高温,添加金属粉末、玻璃料等功能填料可制成耐300~700℃的高温防护涂料。近年来国内对有机硅高温涂料的研究主要集中在对有机硅树脂的改性,以及耐高温填料的加入对涂料高温性能的影响等,并取得了长足的进步,已形成耐高温防腐涂料、耐高温绝缘涂料和耐高温阻燃涂料等各类功能性涂料。但在水性、光固化以及耐更高温度等级的有机硅高温涂料等方面的研究与国外相比还存在较大差距,为此有机硅高温防护涂料的功能化和水性化已逐渐成为研究热点。水性涂料以应用不受场合限制,不需要特殊的设备与涂装工具,低VOC、低毒性等优点成为涂料主流发展方向。因此,应大力发展水基、无溶剂、低黏度、高固含量的有机硅耐高温涂料研究,并且向高性能、多功能和复合化方向发展。如引入新型的有机取代基,通过改性处理提高结构性能;通过探索、研究新型合成技术,开发特殊功能性材料。

    目前的有机硅高温防护涂料研究方向包括:(1)引入纳米技术耐高温聚合物,利用微观复合和宏观复合技术,达到改善涂层强度和韧性,提高耐高温性能的目的;(2)在有机硅主链上引入各种杂环或其他耐热环状结构以及杂原子等官能团,如碳硼烷笼形结构、杂环耐热基团等;也可以在有机硅主链上引入二茂络铁等络合物结构,大幅度提高有机硅树脂的耐热性和力学性能;(3)开发以硅为主链的梯形聚合物,该聚合物耐温等级可达1300℃,同时涂层在1200℃下仍具有一定的强度;(4)倍半硅氧烷及聚合物的合成技术研究。笼形六面体倍半硅氧烷是有机/无机杂环材料中具有特殊性能的一类新型杂环材料,不仅兼具无机物和有机物的特性,而且由于材料组成的可调性,还具有单一无机物和有机物无法比拟的独特性能;(5)超支化耐热聚合物的研究,超支化聚合物可通过单体的直接聚合,简单易得,且在分子结构的表面上具有很高的官能度,在有机溶剂中溶解度大。与线型分子相比,其溶液黏度低,玻璃化转变温度较高;与树枝状聚合物相比更易实现规模化工业生产,具有良好的应用潜力。

    1.2 杂环聚合物类

    聚酰亚胺作为杂环聚合物家族中的一员,不仅具有优良的电性能、耐辐射和耐化学药品性,还具有更为优异的耐高温性能,其分解温度可达600℃,是当今有机聚合物中热稳定性最好的品种之一。同时还具有优异的耐低温特性、良好的机械性能以及与金属相近的热膨胀系数等性能。因此在航空领域的高温防护中得到了应用。

    1.3 含钛聚合物类

    钛聚碳硅烷树脂在200~700℃下的质量损失率约为10%,易溶于有机溶剂。加入适量填料可制成耐高温涂料,固化后的涂层致密、硬度高,耐热性达800℃。

    2·无机高温防护涂料

    随着工业技术水平的不断提高,社会对金属材料的使用性能要求越来越高。如在火箭、导弹、航天飞机、原子能设备、喷气飞机、兵器工业等领域使用的金属材料,均要求使用耐高温、轻质、无污染、满足特殊用途的材料进行保护。由于上述领域的特殊性,通常是在800℃以上温度及强腐蚀介质条件下使用[1],普通的有机耐高温材料难以满足要求。而无机涂层在高温下可发生陶瓷化(玻璃化)转变,耐高温防腐蚀性能优异,近年来无机高温防护涂料得到了迅速发展,这对高温涂层的研究提出了更高的要求。其研究的方向主要包括:根据不同高温基体材料的要求,改善和提高涂层与基体之间的结合力,提高涂层在高温下的抗氧化性;利用新型材料的特殊性能,研制具有特殊功效的耐高温涂层。

    2.1 硅酸乙酯类

    硅酸乙酯涂料是无机耐热涂料中发展最为迅速、产量最大的品种之一,具有可常温固化、干燥迅速、施工方便、毒性小等特点。以正硅酸乙酯水解液作为主要原料的涂料具有耐高温、防腐性能优异、硬度高、附着力好、不粘等优点,在耐高温以及透明、高硬度耐磨涂料等领域得到了广泛的应用,并形成了不粘锅涂料、无机富锌涂料、耐火涂料、高硬度电泳涂料等产品。在配方中添加耐高温颜填料和玻璃料,可以生产耐200~600℃甚至更高温度的涂料,其中以耐400℃高温的富锌底漆产量最大。据研究,该涂料对钢铁的阴极保护能力大大优于环氧富锌底漆,可广泛用于重防腐和耐高温涂料的配套底漆。

    尽管硅酸乙酯高温防护涂料具有以上诸多优点,但也存在着无机涂料的通病,如涂膜脆、易龟裂,与金属基体的附着力较差等,而且在贮存过程中容易胶凝,限制了涂料的应用。导致上述缺点的原因是正硅酸乙酯在水解过程中形成的纳米SiO2·nH2O溶胶粒子具有较高的表面能,属于热力学不稳定体系,因此易发生团聚,导致涂料胶凝。基于SiO·nH2O2溶胶粒子表面含有大量活性硅羟基(Si—OH),易与有机树脂或单体发生水解缩合反应的特点,选择具有特殊官能团的有机硅单体对SiO2表面进行化学改性,可提高水解液的贮存稳定性,改善涂层的柔韧性和耐热性。改性途径包括:通过在硅酸乙酯水解物中加入10%~30%的醇溶性聚乙烯缩丁醛或乙基纤维素,显著提高涂料的成膜性和柔韧性;用硅酸乙酯水解物与多元酸进行酯交换生成聚醚硅酸酯,显著提高涂膜对底材的附着力;以硅酸乙酯水解物和烷氧基硅单体等共水解缩合,提高涂膜柔韧性和保持较高的耐热性;以醇溶性酚醛树脂进行改性,可用于耐高温、耐烧蚀涂料。

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