水基含鋁耐高溫防腐蝕涂料制備及性能

1、    水基含鋁耐高溫防腐蝕涂料制備及性能                         更新時(shí)間：2008-04-22 14:20:38               

2、             摘要：以水溶性的磷酸鹽為主要成膜物質(zhì)，鉻酸（鹽、酐等）為調(diào)節(jié)劑，球形鋁粉為顏料合成了水基含鋁耐高溫防腐蝕涂料，該涂料具有優(yōu)異的耐熱、耐濕、耐鹽霧、耐高低溫沖擊等性能。關(guān)鍵詞：磷酸鹽；耐高溫涂料；防腐蝕涂料；鉻酸；鋁粉本文探索了水溶性磷酸鹽作為主要成膜物質(zhì)的水基耐高溫涂料的制備條件。以鉻酸(鹽、酐等)作為調(diào)節(jié)劑，球形鋁粉為主要顏料，制備了無(wú)機(jī)耐高溫防腐蝕涂料。該涂料具有優(yōu)異的耐溫、耐濕熱、耐鹽霧、耐高低溫、耐冷熱沖擊(500常溫水，10個(gè)循環(huán)

3、)性能，是綜合性能優(yōu)異的涂料品種，被廣泛應(yīng)用于車(chē)輛尾噴管金屬、換熱器管壁等的長(zhǎng)效保護(hù)。該產(chǎn)品至今仍被少數(shù)國(guó)外廠(chǎng)商控制，價(jià)格很高。水基含鋁耐高溫防腐蝕涂料最知名的牌號(hào)為SERMETELW，是美國(guó)TELEFLEX公司的專(zhuān)利產(chǎn)品，最早在1961年出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)該產(chǎn)品用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片(不同等級(jí)葉片采用不同的金屬材料)的長(zhǎng)期防護(hù)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，形成了600多種系列涂料產(chǎn)品，并廣泛用于長(zhǎng)期工作溫度為600700的高濕熱環(huán)境的金屬材料的保護(hù)。因該產(chǎn)品的技術(shù)思路十分特殊，只有少數(shù)國(guó)外廠(chǎng)商研制成功了該類(lèi)產(chǎn)品。1.試驗(yàn)部分11原料試驗(yàn)用原料見(jiàn)表1。      

4、                                     表1 原料名稱(chēng)、規(guī)格及產(chǎn)地12合成工藝磷酸與氧化鎂在可控條件下反應(yīng)，生成透明純凈的Mg(H2PO4)2，反應(yīng)方程式如下：  &

5、#160;                  Mg的磷酸鹽有MgHPO4、Mg(H2PO4)2、Mg3(PO4)23種，只有Mg(H2PO4)2是水溶的，并具有在成膜過(guò)程中形成無(wú)機(jī)高分子的性能。在上述磷酸鹽樹(shù)脂中加入鋁粉、鉻酐及其他水性助劑，高速分散后過(guò)濾，最終制備成題述產(chǎn)品。13施工工藝將鋼板(或其他金屬板)工件仔細(xì)除銹、除油處理后吹干，將該涂料噴涂或刷涂后置于85烘箱中閃蒸05h，除去水分、溶劑等，然后將工件在3

6、45下預(yù)干燥05h。如涂層厚度不夠可以重復(fù)上述工藝，最終將工件置于(550±10)下干燥2h即可。14水基含鋁耐高溫防腐蝕涂料的主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。                                    

7、;                        表2 主要技術(shù)指標(biāo)2 結(jié)果與討論21基料對(duì)涂料性能的影響雖然對(duì)于磷酸二氫鹽在高溫下的固化機(jī)理不十分清楚，但通常采用磷酸二氫鹽作為無(wú)機(jī)涂料的基料。理論上H3PO4：MgO=2：1(克分子比)，但是實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果并不完全相符，往往過(guò)量的H3PO4對(duì)成膜有幫助。在其他條件一致的情況下，考察了

8、磷酸二氫鹽制備過(guò)程中酸超量多少對(duì)涂料成膜性的影響(見(jiàn)表3)。                                             

9、              表3 磷酸過(guò)量對(duì)涂膜性能的影響通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，過(guò)量磷酸有助于涂料與底材的附著，但是磷酸達(dá)到一定量后可能過(guò)早或過(guò)多地與底材金屬反應(yīng)，形成連續(xù)的氧化鈍化層，阻止了樹(shù)脂與底材的螯合等反應(yīng)，造成了成膜性的下降；此外，在涂料高溫固化過(guò)程中，超量的磷酸及產(chǎn)物磷酸二氫鹽不但與金屬基材反應(yīng)，而且對(duì)球形鋁粉表面的氮化層、氧化層的破壞具有積極影響，提高了液態(tài)鋁的融合、擴(kuò)展、流平等，并提供鋁膜與底材的附著力。22 鉻酐和鉻酸鈣的影響

10、鉻酐的作用是提供給涂料體系一定量的強(qiáng)氧化劑，與磷酸等配合來(lái)鈍化存在于涂料水溶液中的鋁粉，提高貯存穩(wěn)定性；同時(shí)在固化過(guò)程中與不同的材料(鋁粉中的鋁、底材中的不同金屬甚至是與聚合過(guò)程中的聚磷酸鹽)發(fā)生反應(yīng)形成大分子化合物，有利于涂層的形成。加入鉻酐的作用很復(fù)雜，過(guò)量引入會(huì)與過(guò)量加入磷酸一樣，引起鋁粉的過(guò)度鈍化，對(duì)涂層的形成不利，為了降低鉻酐對(duì)酸值的影響，在涂料中加入適量的鉻酸鈣，并獲得了良好的效果。有資料顯示固化后的鉻離子50與金屬底材結(jié)合，35與鋁粉結(jié)合，10與鎂結(jié)合，從而可以確定鉻酐鈣的加人對(duì)涂層的附著力貢獻(xiàn)突出。鉻酸鈣的加入對(duì)涂層的影響見(jiàn)表4。    

11、                                                  

12、  表4 鉻酸鈣對(duì)涂層的影響試驗(yàn)證明，鉻酸鈣主要為提供涂料六價(jià)鉻離子，在高溫下活潑的化學(xué)性質(zhì)使其有明顯的螯合作用，可以提高涂層的附著力等性能。過(guò)多的加入鉻酸鈣在固化過(guò)程中容易引起氣泡等弊病，需控制其用量。鉻酐通常用于化學(xué)電鍍和金屬鈍化處理，近年來(lái)有研究顯示鉻酐有可能引起癌變，因此國(guó)外已經(jīng)禁用。考慮到這一因素，希望通過(guò)高錳酸鉀替代鉻酐，但是采用高錳酸鉀可能失去鉻酐的許多特性，引發(fā)很多問(wèn)題，因此仍須謹(jǐn)慎選擇。2.3球形鋁粉的選擇及影響本涂料中鋁粉含量很高，高溫過(guò)程使大量鋁粉熔融并形成致密的膜，提供了涂料主要的耐高溫、防腐蝕（陰極電化學(xué)保護(hù)）性能；當(dāng)涂層遭到損傷，暴露面

13、附近的金屬鋁通過(guò)氧化犧牲過(guò)程形成氧化鋁并逐漸修補(bǔ)損傷面，最終有效修補(bǔ)涂層。因此鋁粉的選擇至關(guān)重要，球形鋁粉的耐溫高于片狀鋁粉，通常應(yīng)用于要求耐溫高于500的涂料中，與片狀鋁粉相比，球形鋁粉顆粒中含有大量金屬鋁，更好地保護(hù)涂料，熱熔點(diǎn)也更高；更高的鋁含量促使涂料在固化過(guò)程中有效形成鋁的薄膜，有利于獲得更加優(yōu)良的性能。球形鋁粉的制造過(guò)程通常是：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將熔融的鋁通過(guò)高速氣流氣化噴霧形成球形鋁粉。不同粒徑的鋁粉通過(guò)不同強(qiáng)度的氣流和不同等級(jí)篩分獲得。在制備過(guò)程中生產(chǎn)廠(chǎng)商采用這一工藝的另一個(gè)原因是將鋁粉表面氮化，形成致密的氮化鋁薄膜，降低鋁粉的活性并可更有效地保持其形態(tài)穩(wěn)定性；在這一過(guò)程及儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中

14、少量鋁的氧化也是不可避免的。通過(guò)這些過(guò)程將純鋁含量為99.8%以上的原料制備成了含有95活性鋁的球形鋁粉。氮化鋁和三氧化二鋁的熔點(diǎn)    遠(yuǎn)高于純鋁，純鋁的熔點(diǎn)接近700，表面的氮化膜和氧化膜的熔點(diǎn)更高于2000，而固化溫度只有550，難于熔融鋁粉，但無(wú)機(jī)樹(shù)脂磷酸二氫鹽在高溫或較高溫度階段作為路易斯酸提供氫和六價(jià)鉻共同作用破壞保護(hù)膜，讓新鮮的鋁粉暴露出來(lái)；此外加入的高純度錫粉在高溫下先行熔融，提供鋁粉很好的助熔作用，最終獲得連續(xù)、致密的合金鋁層。    325目鋁粉制備的涂料固化后涂層表面總會(huì)出現(xiàn)少量突起，經(jīng)顯微鏡

15、觀(guān)察可清晰地看出是鋁，這是因?yàn)檩^大顆粒的鋁粉在2h的高溫固化過(guò)程中不能完全熔融并流平。為進(jìn)一步改善涂層的外觀(guān)，根據(jù)國(guó)外產(chǎn)品規(guī)范要求該涂料的細(xì)度應(yīng)小于10m，因此將原325目鋁粉換成4號(hào)粉(46m)，分別為改良配方13，但是鋁粉粒徑的變化引起了表面積的極大增加，原有的其他材料用量變化很大，尤其是鉻酐的用量增加很大，樹(shù)脂對(duì)鋁粉的包覆性變差，助劑的用量提高等，這也導(dǎo)致了鋁粉在涂料中的比例下降，涂料性能有所下降，通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整，最終獲得令人滿(mǎn)意的產(chǎn)品。不同規(guī)格鋁粉對(duì)涂層性能的影響見(jiàn)表5。          

16、;                                     表5 不同規(guī)格鋁粉對(duì)涂層性能的影響     24施工工藝的影響    在摸索過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，涂裝工藝的不同對(duì)涂層性能的影響很大，刷涂的涂層致密度大于噴涂的涂層，這是因?yàn)椴煌氖┕すに囋斐闪虽X粉排列的差異；此外刷涂的涂料黏度大，加入