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电工钢表面耐高温绝缘无机涂层的制备和表征(上)

信息来源:paintkey.com  时间:2009-08-06  浏览次数:216

  摘要:以磷酸和氢氧化铝为原料在90~100℃合成二聚磷酸三氢铝,将硅酸钠,草酸按-定比例加入到二聚磷酸三氢铝溶液中制备成粘度为0.16~0.2Pa·s的涂液。用浸渍提拉法在清洗过的电工钢表面涂覆,自然干燥12h后,经退火炉在600℃热处理1min得到耐高温绝缘涂层。用X射线衍射分析(XRD)、差热分析(DTA)、热重分析(TG)及显微镜研究了涂层组成变化。用Franklin烧损试验表征了涂层的绝缘能力。结果表明,磷酸和氢氧化铝比例为3.3:1时生成二聚磷酸三氢铝产率最高,性能最稳定。硅酸钠的加入既可以加强涂层的结合力又可以改善涂液的分散性。螯合剂的加入使涂料稳定存放。涂层在300℃稳定使用。最高使用温度可达600℃。
  关键词:二聚磷酸三氢铝;涂层;绝缘;螯合剂

  中图分类号:TQ126.3 文献标志码:A

文章编号:0367-6358(2009)04-0220-04

  电工钢表面涂层不仅要求良好的绝缘能力,而且还要求涂层在高温条件下不脱落失效。目前,国内外电工钢涂层分三大类,有机涂层、半无机涂层和无机涂层[1]。有机涂层不能满足高温的要求逐渐被淘汰,半无机涂层不能解决有机成分高温分解失效的问题,同时有机成分的挥发会给环境造成污染。无机涂层是国外研究的重点,随着VOC标准的颁布,无机涂层将取代半无机涂层。随着电工钢使用温度的不断提高,无机涂层有着广泛的应用前景。伴随着电机应用的推广,研究开发一种具有世界先进水平的耐受Franklin烧损的无机电工钢涂层并应用于大型发电机上是必要的,也是电工钢涂层的发展方向。

  1 实验部分

  1.1 实验原料

  磷酸(85%),分析纯,上海菲达工贸有限公司和桥分公司;氢氧化铝,化学纯,上海金山化工厂;硅酸钠,化学纯,上海凌峰化学试剂有限公司;草酸,分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司。

  1.2 实验仪器

  恒温磁力搅拌器,超声波清洗机,箱式电阻炉,自制提拉机,DHp9076A型电热恒温鼓风干燥箱,PC68型数字高阻计,R101型电阻炉,CRY-32P型差热分析仪,WGH-30/30A双光束红外分析仪。

  1.3 涂液的制备工艺

  磷酸和氢氧化铝按物质的量比为3.3;1放入反应釜中,90~100℃下反应生成透明粘稠状二聚磷酸三氢铝,主要反应如下:

  Al(OH)3+2H3PO4-→AlH3(PO4)2·3H2O               (1)

  副反应

  2Al(OH)3+3H3PO4-→Al2(HPO4)3+6H2O               (2)

  Al(OH)3+H3PO4-→AlPO4+3H2O                 (3)

  反应产物中,二聚磷酸三氢铝溶于水,磷酸铝和少量磷酸氢二铝不溶于水。将二聚磷酸三氢铝、硅酸钠、水和螯合剂(草酸)按一定比例高速分散制备成粘度为0.16~0.2Pa·s的涂液。

  1.4 涂层的制备工艺

  硅钢片首先经过表面碱洗、超声波水洗、醇洗,用浸渍提拉法在其表面涂膜。涂层自然干燥12h后,放入600℃恒温的退火炉中,热处理1min,得到耐高温绝缘涂层。

  1.5 硅钢片涂层性能指标

硅钢片在使用过程中需要满足一定的要求,行业里制定了涂层使用的一系列技术标准(见表1)。

表l 硅钢片涂层性能技术标准[3]



  2 结果与讨论

  2.1组成对涂层基料的影响

表2显示了不同组成制备的二聚磷酸三氢铝AlH3(PO4)2,理论[2]上磷酸和氢氧化铝的物质的量比为2:1时,反应生成AlH3(PO4)2,可实验表明过量的磷酸有利于反应的进行,同时少许过量的磷酸有利于涂层的形成。当磷酸和氢氧化铝的物质的量之比小于3:1时,反应釜中的白色沉淀是没有完全溶解的氢氧化铝。当物质的量为3:1时,白色沉淀完全溶解。当物质的量之比在3.3:1~3.4:1时,产物澄清透明主要是AlH3(PO4)2·3H2O,水溶性良好,室温下粘度适中,它是磷酸盐体系中粘结性最好的成分之一。当物质的量之比达到4:1以上时,体系中过量的磷酸在干燥过程中吸收空气中的水分,不利于涂层的固化;而且在高温处理阶段过量的磷酸会使硅钢片表面出现粉状堆积物;同时过量的磷酸会首先和硅钢片表面接触形成钝化膜,阻止了AlH3(PO4)2与电工钢表面的螯和作用,造成成膜性下降和结合力下降。所以本实验采用C和D组成。

表2 不同组成对制备二聚磷酸三氢铝的影响




  2.2 合成温度对涂料的影响

  如表3所示,当温度低于85℃时,反应不够完全,留有白色未反应物质A1(OH)3,温度在90℃时反应充分但反应时间较长,由于产物中二聚磷酸三氢铝夹杂着不溶于水的白色物质,所以使产物呈现半透明状态。当反应温度在95℃时,溶液粘度增大,溶液透明澄清,这是因为反应物主要是A1H3(PO4)2,它是磷酸盐体系中粘度最好的物质之一,而且A1H3(PO4)2溶液是无色透明的。当反应温度在l00℃时,溶液粘度迅速增大,短时间内溶液透明澄清,加上适量的水,反应最短只需要17 min。

表3 合成温度对涂料的影响




  2.3 螯合剂对涂料的影响

  如表4所示,没有加入螯合剂[3,4](草酸)的涂料放置在空气中,2 h后涂料底部会出现少量白色沉淀,经加热搅拌后部分沉淀消失。经XRD测试可知,沉淀为AlPO4,当加入1%的螯合剂时,涂料稳定存放的时间延长到24 h,当加入质量分数为2%的螯合剂时,可以有效防止沉淀的生成,使存放时间达到48 h以上。原因如下:首先,草酸的加入使溶液中有H+存在,反应(4)往左方向进行。弱酸的环境使体系中磷酸盐以酸式磷酸盐的形式存在,避免了磷酸正盐沉淀的产生。

表4 螯合剂(草酸)对涂料稳定存放时问的影响




  xH2O+Al(H2PO4)3→AlPO4·2H2O↓+2H3PO4            (4)

  其次,草酸能有效的将铝离子固定在溶液中,如反应式(5)至(7)所示草酸铝有极小的不稳定常数(KD),所以能够形成稳定的草酸铝螯合物。

  (AlOx2)-A13++2Ox2- KD=10-13                  (5)

  (AlOx3)2-(AlOx2)-+Ox- KD=10-14                (6)

  (AlOx3)3-A13++3Ox2- KD=10-17                 (7)

  2.4 硅酸钠对涂液结合力的影响

硅酸钠溶液可以加强涂层和电工钢表面的结合力,也可以改善涂液的分散性和涂层的硬度。本实验采用ASTM D3359-02和GB/T 9286-1998标准测试附着力(见表5)。

(未完待续)
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