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含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料制备的研究

信息来源:paintkey.com  时间:2011-04-18  浏览次数:199

  王志强1,胥卫奇1,王国志1,腾瑞2,刘文兴1,李洁1
  (1.北方涂料工业研究设计院,兰州730020;2.西安航空发动机(集团)公司,西安710021)
  摘要:探讨了含铝磷酸盐涂料配方中部分原材料的用量对施工工艺和涂料性能的影响。主要讨论了水的用量、助剂的选择和用量以及施工环境对涂层表干速率和施工工艺的影响,在此基础上简单总结了该涂料的制备方案以及相应的施工工艺。
  关键词:磷酸盐;铝粉;耐高温;防腐蚀;施工工艺
  中图分类号:TQ637;TQ639文献标识码:A文章编号:1007-9548(2010)02-0003-03
  1引言
  每年金属腐蚀都会造成很大的经济损失,特别是在高温、高湿、高腐蚀的环境中,如:涡轮机叶片、燃气轮机压缩机、发动机、生物燃料的加热系统、锅炉燃烧系统、过热管、焚秽炉管道和墙壁等。其中金属工件的腐蚀尤为严重,带来的损失也不仅仅是金属材料的损失,还影响和制约着其它关键技术能否广泛地应用于工业生产和国防建设领域。
  在国外,20世纪50年代就已经开发了性能优异的用于“三高”环境的防腐蚀涂料品种,其中最具代表性的是SermatechInternational公司的磷酸盐系列耐高温防腐蚀涂料品种。该系列涂料用水作为溶剂,含有部分特种性能的金属粉体(常用的金属粉体为球形铝粉)。其主要以喷涂工艺施工为主,通过高温固化后获得的涂层性能十分优异,产品具有较高的技术含量,广泛应用于具有特殊要求的工业领域,因只有该公司掌握着关键技术,所以产品价格昂贵。
  北方涂料工业研究设计院先后研制了含铝水基耐高温防腐蚀涂料和与之配套使用的无机耐高温防腐蚀系列涂料。该类涂料有良好的耐高温(600℃,1000h)、耐盐雾(1000h)、耐高湿、耐燃油、耐滑油等性能,且与金属底材有良好的匹配性。但是在含铝水基耐高温防腐蚀涂料的施工过程中发现,涂料中水和部分助剂的用量对于施工环境非常敏感,影响到涂料的施工工艺和最终性能。
  本文主要讨论含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料中部分原材料的用量、助剂的种类和用量以及施工环境对涂料施工工艺和最终性能的影响,并总结了简单实用的涂料制备方案以及相应的施工工艺。
  2试验部分
  2.1原料
  试验用主要原料见表1。
  含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料制备及施工工艺的研究
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  2.2合成工艺
  黏结剂的制备:让过量的磷酸和氧化锌、氢氧化铝在水中反应生成磷酸二氢盐的水溶液,待反应体系的温度低于30℃时加入铝粉、水性润湿分散剂和其它助剂,高速分散后过滤包装。
  2.3施工工艺
  传统的含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料的施工工艺:施工环境温度为15~30℃、相对湿度为35%~60%,金属底材严格除油除锈(推荐喷砂处理)。将涂料喷涂于金属底材上,表干后于(85±5)℃烘箱中烘烤20~60min,再放置到(340±10)℃的高温中30~60min,最后在(550±10)℃固化2h。一道喷涂涂层厚度为25~30μm,传统的该类涂料如果需要大于30μm的涂层,则需在涂料固化后重复上述施工工艺。施工周期长且对能源的消耗也大,因此在实际施工时总结了如下工艺:金属底材严格除油除锈(推荐喷砂处理),将涂料喷涂于金属底材上,第1道喷涂厚度为25~30μm,表干后喷涂第2道,厚度为20~25μm,表干后喷涂第3道,厚度约为17μm,待涂层完全表干后于(85±5)℃烘箱中烘烤20~60min,再放置到(340±10)℃的高温中30~60min,最后在(550±10)℃固化2h。这样涂层总厚度在62~77μm,如果需要更厚的涂层则需要重复上述施工工艺。
  3结果与讨论
  3.1水的用量对含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响
  水的用量对于含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响。
  含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料制备及施工工艺的研究
  在本涂料中水是溶剂,同时也给其它成分提供了一个水溶液反应的环境。在溶液反应中,反应物和生成物的浓度对于反应平衡有很大的影响,在本涂料中存在酸碱反应平衡和氧化还原反应平衡,而水的用量直接决定了各反应物和生成物的浓度,影响化学平衡的移动方向,从而也影响了涂料的附着力和表干速率。该涂料喷涂到底材上时,底材会与涂料中的氢离子发生置换反应。表干时间太快,涂料中氢离子和底材反应时间较短,局部形成的化学键较少,涂层的附着力较差;表干时间太长,涂料中氢离子和底材反应时间较长,涂料对底材形成了腐蚀,降低了涂料的附着力;同时这种反应又能加速表干,反应速率快,表干速率也快。通过大量试验和上述数据证明本涂料中水的用量非常严格,在不使用其它助剂的条件下,必须控制在(28.0±0.2)%。
  3.2助剂种类对含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响
  助剂种类对于含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响见
  含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料制备及施工工艺的研究
  从表3、表4可以看出,一般的低分子易挥发有机物能加快水的挥发,当水的含量为(28.0±0.2)%时,由于加快了水的挥发速率,容易形成干喷,并且影响了涂料体系和底材之间的作用时间,降低了涂料的附着力。水的含量为(33.0±0.2)%时,降低了涂料的成本,虽然加入低分子易挥发有机物,单从表干速率上可以加快水的挥发速率,降低表干时间,但是这种易挥发低分子有机物容易使涂层表面形成一层封闭层,使里面的水不易挥发,因此在(85±5)℃、(340±10)℃烘烤时涂层会起泡,低分子易挥发有机物的加入增加了涂料中VOC的排放,对环境带来污染。为此研制了一种和水具有很好混溶性的低分子非易挥发助剂,当水的含量增加的时候能够加快水的挥发速率,而且在涂层表面不会形成封闭层。
  3.3环境对于含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响
  环境对于含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响[水的含量为(28.0±0.2)%]
  含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料制备及施工工艺的研究
  从表5可以看出,环境温度和相对湿度对涂料的施工工艺也有影响。在温度高,相对湿度低的环境中涂料的表干速率快,因此在实际的使用环境中可根据环境的温度和相对湿度适当地增加或减少水的含量。
  3.4其它的影响因素
  气压对于水的挥发速率有一定的影响,因此在海拔较高的地方该涂料的表干速率较快,海拔低的地方表干速率较慢,因此可根据涂料使用地的不同微调水的含量,以满足实际使用环境的要求。
  施工过程中涂层周围空气的流动速率对表干速率和水分的挥发也有影响,一定速率的流动空气能增加水分的挥发,使涂层的表干速率加快。在具体施工时,可根据当地的环境特征及涂层要求适当加以利用。涂料固化工艺中,(85±5)℃烘烤的时间对于涂料也有一定的影响,如果只采用2道喷涂,(85±5)℃烘烤的时间相对短一些,为20~30min。如果采用3道喷涂,则(85±5)℃烘烤的时间相对长一些,为40~60min,在采用3道喷涂后,如果(85±5)℃烘烤的时间太短,则在(340±10)℃烘烤时涂层容易起泡。
  4结语
  根据试验可以看出涂料中水的含量为(28.0±0.2)%,环境温度在20~25℃,相对湿度为40%~50%,制备的涂层性能最优,但是随着特殊环境的变化,该涂料中水的含量和施工工艺也要随之改变。
  作者简介:王志强(1981-),男,工程师,2003年毕业于兰州大学化学化工学院。现就职于北方涂料工业研究设计院,主要从事水性无机磷酸盐类涂料的研究,承担的“水基耐高温涂料”项目获得国防科学技术进步三等奖。
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