有机硅耐高温材料的研究.docx

1、有机硅耐高温材料的研究有机硅耐高温涂料的研究摘要:以两种通用牌号的有机硅树脂为基料，制备出一种能耐 700 C的高温涂料，并对低熔点玻璃粉、滑石粉、铝粉和硅烷偶联剂在有机 硅耐高温涂料中的作用机理以及对涂料性能的影响进行了讨论。 试验发现，有机硅树脂、低熔点玻璃粉、铝粉、滑石粉、硅烷偶联剂质量 分别为3050g,20 30g,1.5 6.0g,10g 和1.5g时涂层性能最佳。耐高温涂料应用广泛，在高炉、焦炉、烧结机等设备的外表面抗 氧化保护中起着重要的作用另外，石油精制炉、铝精炼炉、发动机排 气系统、农机、摩托车的消声器等都长期在很高的温度下工作，高温 腐蚀严重，也需要采用耐高温涂料加以保护

2、。据报道，目前国外已研 制出最高耐1427 C的耐高温涂料。但我国这方面的研究较弱，能 耐700 C高温涂料的报道较少。目前这方面的产品主要依靠进口， 每 年消耗大量外汇。有机硅高温涂料是耐高温涂料的一个主要品种。 它通常是以有机硅树脂为基料，配以各种耐高温颜填料制得。毫无疑 问，有机硅树脂的种类和基本特性对涂料的耐高温性能有着非常大的 影响，除此之外，颜填料的选择和配方优化也会影响涂料的性能。目 前文献报道基本是侧重于有机硅树脂的合成改性，而忽视了各种高 温颜填料、助剂的作用。本论文则以两种通用牌号的有机硅树脂为基 料，系统地研究了各种耐高温颜填料与有机硅树脂的复配作用， 通过配方的优选，制

3、备了一种能耐 700 C的高温涂料，并讨论了颜填料 的具体作用和合适配比。1试验部分1. 1实验原料苯甲基硅树脂，固体质量分数 50%，中国蓝星公司，工业品；硅 酮树脂sn-330，固体质量分数50%，台湾德千公司；硅烷偶联剂、酞 酸酷均为工业品；三氧化二铬、云母粉、滑石粉、硬脂酸铝、偏硼酸 钡、瓷土、铝粉、低熔点玻璃粉均为工业级。1.2实验方法1.2. 1制漆将经过筛选的颜填料、增强剂、添加剂及适量溶剂，加入 树脂基料中，用球磨机研磨成符合细度要求的漆浆。1.2.2制板将上述漆浆刷涂到经处理过的马口铁板或钢板上，晾干备 用。1.2.3高温处理将上述刷涂有耐高温涂料的马口铁板或钢板置于箱式 电

4、炉中，采用程序升温的方法升温至一定温度，取出并冷却至室温后， 进行性能测试和分析。1.3性能测试1. 3. 1热性能检测方法耐热性能参照日本相关标准，将试片于180 C烘烤2h后，放入电位差计核对的恒温箱式电炉中，按 5 C/min升高温度，随炉温到实验要求温度开始计时，试样经过持续高 温后，取出，冷至室温(25 C)，用放大镜观察涂层表面状况，如无龟 裂、脱落现象，即说明涂层耐热性能良好。图令热交变性能参照企业 标准，将试片随炉升温到预定温度，经过一段时间高温后，取出，冷 至室温(25 C)，观察试片表面状况，反复多个周期直至涂层破坏。132其它性能检测方法冲击强度，按 GB/T1732 -

5、1993检测;附着力，按GB 1720 -1979检测;漆膜干燥时间， 按 GB 1728 -1979 检测。1.3.3测试仪器箱式电阻炉，Sx22.5-12，天津市中环试验电炉有限 公司;热失重分析仪，TGS-2,PERIIN-ELMER 公司。2结果与讨论2.1涂料配方苯甲基硅树脂和硅酮树脂是两种耐高温性能比较优良的有机硅树脂，本文以这两种树脂作为耐高温涂料的基料， 辅以各种颜填料来研究涂料的基本配方。通过颜填料的筛选和配方组成的变化，研究 两种不同的有机硅树脂和各种颜填料对涂料性能的影响。在大量实验 的基础上，本文选用了两种比较好的涂料配方来进行性能研究和分 析。表1是这两种典型的涂料配

6、方的组成及其用量。表1涂料配方Tal)le 1 Two kinds ol coating formulas组分质量/鸟配方1配方2苯甲基硅树脂30- 50硅酮树脂sii-33030- 50低熔点玻璃粉15- 3515- 35三氧化二路5 105- 10瓷土5- 2525铝粉0- 15g 15滑石粉22硬脂酸铝0- 40- 4偏硼酸顿0- 100- 10酥酸酯04 10.4 1硅烷偶联剂卜22一-甲苯适量2. 2涂料性能参数对以上两个配方的基本物性和主要性能如耐热性能、室温交变性 能、500 C烘烤1h后的冲击强度进行了测试，其结果见表 2。从表2可见，在颜填料种类和用量基本相同的情况下， 有机

7、硅树 脂的基本性能对涂料的各项性能有着非常大的影响， 其中采用硅酮树 脂制备的涂料性能更加优良。从两个配方的热失重测试结果 （见图1） 可以看到，尽管这两种不同配方的涂料在 800 C以上质量都很稳定， 不再失重，然而配方1剩余质量分数为82. 1%，配方2剩余质量分 数为86.5%。很明显，配方2的热失重较少。由于在这两种配方中， 颜填料的组成和用量是一致的，由此可以判定，两种涂料体系热失重 后残余质量分数差别的主要因素应该是由于有机硅树脂种类不同引 起的。大量的实验结果表明，有机硅树脂的种类以及树脂中烷基与硅 原子的物质的量比，在一定程度下对涂层的许多性能有着直接的影 响，而硅的含量又直接

8、决定了树脂在高温下分解后的剩余质量分数。由于配方2的性能明显优于配方1，因此硅酮树脂srr330更适合作 为本体系中的耐咼温涂料的基料使用。表2涂料性能参数Table 2 Performance parameter of the two kinds ofcoating formulas项目配方1配方2外观军绿色军绿色附着力级别21冷热交变次数(5001225 C)冲击强度/kg* cm2025表干时间/min610实干时间/I)1116耐热性能10 h500 C后漆膜8h 600 C后漆膜完完整，附着在基材整，牢固的附着在;2h 600 C后膜基材上；1 h 700 C完整，附着在基材后漆膜完

9、整，牢固; 700 C漆膜开的附着在基材上。裂。%、頼念凋暝巡w图1配方1、配方2热失重曲线Fig. 1 TG curve of formula 1 and 22. 3颜填料、助剂作用分析经过大量试验发现，在涂料的各组分中，除了基料有机硅树 脂，低熔点玻璃粉、滑石粉、铝粉和硅烷偶联剂对涂层的性能影响较 大，以配方2为基准配方分别研究了这四种组分的作用。2. 3. 1低熔点玻璃粉的作用低熔点玻璃粉种类较多，有铅玻璃 粉、硼玻璃粉、磷酸盐玻璃粉等。据文献报道，有机硅耐高温涂料使 用硼玻璃粉较好。本文选用不同质量数的低熔点硼玻璃粉加入涂料 中，研究了低熔点玻璃粉对涂料性能的影响，结果列于表 3。同时

10、，利用显微镜对不添加玻璃粉和添加玻璃粉的涂料在 500 C隋况下加热1h后的表观形貌进行了观察，如图 2所示。表3低熔点玻璃粉用量对耐高温性能的影响Table 3 Effect of dosage of low melting-point glasspowder on resistance lo high temperature玻璃粉质量/g500 C耐高温时间/min600 C 耐高温时间/min700 C 耐高温时间/min10325190351541023040205152954525655335553092039085358603557050开裂图2配方2涂层500 C烘烤lh显微镜照

11、片 (放大1000倍)Fig. 2 M icroscope photo of the coating heated for1 h under 500 C( x 1 000)由图2可以看出，当涂料中不含有玻璃粉的时候，涂层在500 C烘烤1h后会开裂。这是因为：有机硅的受热分解温度在400 C 一 500 C,低熔点玻璃粉在这个温度范围内熔解， 替代有机硅树脂在 高温下起到粘结剂的作用，从而将无机填料与有机硅树脂分解后形成 的Si0:粘结在一起，使得涂层致密。图2( b)涂层中不含有玻璃粉， 涂层不够致密，附着力不好，高温烘烤后涂层开裂 ；而图2( a)涂层中 含有玻璃粉，涂层致密，附着力提高，

12、高温烘烤后涂层完整。从表3、图2可以看出，低熔点玻璃粉的用量不能太少，太 少不能起到粘结的作用，涂层在较低温度开裂；但用量也不能太多， 用量太多涂层的耐热性能较差。这是因为 ：高温涂料的涂刷基材都是 膨胀系数很大的金属，性能优异的涂料的膨胀系数要尽可能的与金属 的膨胀系数相匹配，而玻璃粉的膨胀系数较低，用量太多会降低耐高 温涂料的膨胀系数，温度超过500 C后，涂层的膨胀系数与钢铁基材 不能匹配，涂层开裂。经过反复实验发现，低熔点玻璃粉用量为20 30 g时，涂料的性能较好。文献认为，填充低熔点玻璃粉的涂料高温下容易发生流淌。 然而，本文的实验结果认为，一旦形成致密的涂层后，即使将温度升 高到

13、玻璃粉的熔点以上，也不会发生流淌现象。其原因很可能是玻璃 粉在高温下与分解后的有机硅树脂发生了化学反应， 被牢固的键结在涂层上。2. 3. 2滑石粉的作用滑石粉线膨胀系数很大，但体积膨胀系数很 小，因此滑石粉的添加可以改变涂料的线膨胀系数， 提高涂料的室温交变性能和高温下防裂的性能。滑石粉的用量对涂层在 500 C烘烤1h后性能的影响如表4所示。表4滑石粉的质量对涂层性能的影响Table 4 Effect of dosage of talcum powder oncoating5 s performance滑石粉质量僧涂层性能滑石粉质量您涂层性能0. 3脱落L 8不脱落0,脱落3- 0不脱落0

14、-9脱落4- 5不脱落1.2脱落6. 0不脱落L5不脱落由表4可以看出，当涂料中滑石粉的添加量大于 1.2g时，涂层不会 开裂，但以不超过6.0g的用量为佳。2. 3. 3铝粉的作用铝粉为片层结构，在高温环境下，增加了氧气传质 的路径长度；并且，铝粉对热有辐射作用，它可以起到一定的隔热作 用。铝粉的用量对涂层的耐高温性能影响如图 3所示。由图3可以看出，随着铝粉用量的增加，涂层的耐高温性能提高。而且，随温度的上升，铝粉可能向钢铁基材中扩散形成合金层。扩散过程如图4所不。合金层的形成大大提高了涂层与基材的结合能力， 不仅热、氧不 易侵入，而且涂层的附着力提高较多，耐高温性能实现了飞跃。此外, 铝作为阴极与钢铁形成电化学电池，提高了钢铁的耐腐蚀性能。经过大量试验发现，铝粉的用量为 IOg时涂层性能最好，用量超过IOg涂层表观形貌较差。2. 3. 4偶联剂用量及作用本文选用硅烷偶联剂作为涂料的主要助剂， 硅烷偶联剂的通式为RSiX4( n 4)，式中R为非水解的且可与有机 物反应的基团，而X为可水解的基团，能与无机物结合。偶联剂与涂 料中树脂、填料以及基材钢板的作用如图 5所示。金属基体0 0 0 H II II Ii IH OvwxXaaaaaaaXx金属基体图5偶联剂与涂料中树脂、填料以及基材钢板的作用示意图Fig. 5 Sketch map of int