低熔点玻璃粉在高温涂料中的应用研究

汤清琼，田英良，孙诗兵，刘海清
（北京工业大学材料学院玻璃材料研究室，北京100124）

1 引言
随着现代工业和国防建设的迅速发展，对设备耐高温性能的要求越来越高。与其它耐高温氧化腐蚀方法相比，高温涂料以其大面积施工方便、成本低、效果好等优点而受到青睐，高温涂料已经广泛应用于钢铁烟囱、高温管道、高温炉外壳、石油裂解装置及军工设备等高温场所，延缓了钢铁等金属设备在高温下的热氧化腐蚀，确保设备能够长期使用[1-2]。从20 世纪50 年代开始，人们投入大量精力研究耐高温涂料。据报道，国外已研制出可耐1 427 ℃的高温涂料。但我国在这方面的研究相对较弱，对能耐700 ℃并且具有优良性能的耐高温涂料报道较少[3]。据统计，国内市场对高温涂料的年需求量在600 ~ 800 t，而我国实际年产量仅为200 t 左右，并且产品普遍存在贮存稳定性差、附着力差、易脆化、耐高温时效短等问题[4]。本文使用耐热性能良好的有机硅树脂作为基料，通过配方优化，研制出一种能耐700 ℃并具有优良耐高温性能的涂料。采用扫描电镜和光学显微镜研究了涂层在不同温度下处理1 h 后的外观形貌特征，论述了低熔点玻璃粉在二次成膜时起到的重要作用。

2 试验过程与方法
2.1 耐热机理
有机硅聚合物即聚有机硅氧烷，其结构式如下：

结构式主链是由—Si—O—Si—组成，在有机硅高聚物中，Si—O 的共价键能比普通有机高聚物C—C 的共价键能大，高达451 kJ/mol，而C—C 和C—O 的键能分别为345 kJ/mol 和335 kJ/mol，这就增加了有机硅高聚物的键能稳定性。普通高聚物中的C—C 键受热氧化，很容易断裂成低分子物；而有机硅高聚物中Si 原子上连接的烃基受热氧化后，生成的是高度交联的更加稳定的Si—O—Si 键，形成Si—O—Si 链保护层，这是有机硅耐热涂料具有较好耐热性的直接原因[5]。有机硅树脂在400 ～ 500 ℃受热大量分解，低熔点的玻璃粉在这个温度范围内熔融，代替有机硅树脂在高温下起到黏结的作用。涂层在低温阶段主要由有机硅树脂起成膜作用，在高温阶段熔融的玻璃粉形成一层完整、致密、附着力好的涂层。另外，在耐热涂料中还要加入云母、石棉、滑石粉、高岭土等硅酸盐类填料，这些填料除增加涂膜的耐热性和提高机械强度外[6-7]，由于它们的表面带有少量羟基，在研磨过程中及高温下还会发生一定的物理化学反应，使聚有机硅氧烷和硅酸盐等无机组分连接起来，从而赋予有机硅耐高温涂料优异的性能[8] 。
2.2 试验原料
苯甲基硅树脂A 和B：固含量均为50%，工业品，常州市源恩公司；硅烷偶联剂：工业品，道康宁公司；低熔点玻璃粉：软化温度为400 ℃，细度400 目，自制；黑色耐热颜料：工业级，市售；填料：云母粉、滑石粉均为工业级，市售，1000 目；溶剂：二甲苯及正丁醇，分析纯；氨基树脂：工业品，江苏三木公司。
2.3 试验仪器
TherMax 700 热重分析仪；VK-9700 彩色3D 激光扫描显微镜；OLYMPUS BX51 高温光学显微镜；箱式电阻炉。
2.4 试验过程
2.4.1 底板处理
底板采用平整、无压痕和麻点等机械缺陷的马口铁板和冷轧钢板，用10%的NaOH 和10%的盐酸除油、除锈，砂纸打磨，然后用脱脂棉蘸酒精擦净，晾干，放在干燥器中备用，并保证被涂装表面清洁、干燥。
2.4.2 高温涂料的配制
在有机硅树脂中加入定量的低熔点玻璃粉、颜填料、溶剂和分散剂，用搅拌机分散均匀，然后在砂磨机中研磨至细度合格后用标准筛过滤。将制备的涂料涂覆在经过表面处理的马口铁板和冷轧钢板上，待其实干后进行相关性能的测试。
2.4.3 性能评价
譹訜附着力、细度、冲击强度、干燥时间等均按相关国家标准进行检测。譺訜耐热性：将试板置于箱式电阻炉中，从100 ℃开始每升高50 ℃恒温1 h，冷却至室温，用放大镜观察试板上涂膜的情况。耐热的终点为涂膜开始出现开裂或剥落的温度减去50 ℃，即为涂膜完好的后承受温度。每个样品制备3 块试板，试验结果取平均值。譻訜耐冷热交变性能：将试板随炉升温到预定温度，经过一段保温时间后取出，冷却至室温（25 ℃左右），观察试板表面状况，反复多个循环直至涂层破坏。