郭中寶,劉杰民,范慧俐,陳敏,張彪( 北京科技大學化學系應用科學學院化學系,北京100083 )作者簡介:郭中寶,(1981-),男,碩士研究生,主要從事耐高溫涂料方面的研究。
    摘要:研究了顏填料的用量及配比、偶聯劑和固化劑及其用量等因素對環氧改性有机硅涂料耐溫性能的影響,确定了耐溫達650℃的耐高溫涂料最佳配方。該涂料可室溫固化,并有著优良的附著力和耐沖擊強度。
    關鍵詞:環氧改性有机硅樹脂,耐高溫,影響因素

    耐高溫涂料一般是指在溫度200℃以上,漆膜不變色,不脫落,仍能保持适當的物理机械性能的涂料。耐高溫涂料廣泛地應用于煙囪、高溫蒸气管道、熱交換器、高溫爐、石油裂解設備、發動机部位及排气管等方面。隨著航空、宇航事業的發展,耐高溫涂料的重要作用已引起世界各國的關注。
    在高溫涂料的研究中,高分子材料一直引起眾多的關注,出現了許多耐熱性的聚合物,其中有机硅樹脂由于具有較好的耐熱性、耐水性、電絕緣性而一直占有非常重要的地位。但有机硅樹脂也存在附著力較差等諸多缺點,而環氧樹脂以其优异的机械性能和粘接性能等优點著稱,因此,環氧改性有机硅樹脂是改性有机硅研究領域中較為重要的一類。它通過引入環氧基、烴基等改性基團,提高有机硅樹脂的綜合性能[1]。
    本研究從提高環氧改性有机硅樹脂的耐熱性入手,研究顏填料、偶聯劑和固化劑等因素對涂料耐溫性能的影響,從而确定具有优良耐高溫性能涂料的最佳配方。
    1　實驗部分
    1.1　原料
    基材:馬口鐵片,工業;碳鋼板,工業。基料:ＦＪＮ 9802自干型有机硅樹脂,常州市嘉諾有机硅有限公司;Ｅ 44環氧樹脂,三木公司。填料:六方氮化硼,工業級;硅酸鈉,分析純;固化劑:低分子量聚　胺,江陰惠峰合成材料有限公司;溶劑:二甲苯,分析純;助劑:防沉劑,偶聯劑,分散劑為工業級。
    1.2　性能測試
    附著力:ＧＢ1720 89(79)(划圈法);柔韌性:ＧＢ/Ｔ1731 93;沖擊強度:ＧＢ/Ｔ1732 93;表干時間、實干時間:ＧＢ1728 79(88)。耐高溫:涂料涂刷在碳鋼板上,于室溫固化。將固化后的碳鋼實驗板置于馬弗爐中,從300℃開始,每升高50℃,恒溫1ｈ,冷卻后觀察試驗板上涂層的情況,耐溫終點為涂層開始出現開裂或剝落的溫度減去50℃,即涂層完好的最后承受溫度。每個樣品平行制備3個實驗板,實驗結果取平均值。
    1.3　工藝流程
    1.3.1　環氧改性有机硅樹脂的制備
    稱取一定質量的環氧樹脂,用其2倍質量的二甲苯在一定溫度下完全溶解,然后向其中加入一定質量的有机硅樹脂和偶聯劑,充分混勻,待用。
    1.3.2　耐高溫涂料的配制
    稱取一定質量的環氧改性有机硅樹脂和顏填料,并添加一定量的助劑,用錐形磨進行充分研磨。然后添加固化劑,并進行攪拌,使涂料盡可能分散均勻,制成環氧改性有机硅耐高溫涂料。將涂料涂覆在經過表面處理的碳鋼板和馬口鐵片上,待其實干后,進行附著力、沖擊性能和耐高溫性能的測試。
    2　結果与討論
    2 1　環氧改性有机硅樹脂涂料耐溫性能的影響因素
    2.1 1　顏基比和顏填料比
    (以下文中所指顏填料比為六方氮化硼︰硅酸鈉)
    2.1.1 1　顏填料的選擇
    為了提高涂料的耐高溫性能,本研究采用向基料中添加耐高溫顏填料六方氮化硼和硅酸鈉的方法。六方氮化硼具有良好的耐熱耐侵蝕性,常溫下几乎對所有的腐蝕性化學物質以及有机溶劑都是穩定的,同時,它還具有优良的潤滑性、電絕緣性和抗震性,有著廣泛的用途。但將六方氮化硼用于耐溫涂料還未見文獻報道。
    硅酸鈉是無机涂料中常用的成膜物質,用于耐高溫涂料的配制,而且其來源易得、价格低廉、無毒害。2.1.1 2　顏基比和顏填料比對環氧改性有机硅樹脂涂料耐溫性能的影響
    考慮顏基比和顏填料比對漆膜耐高溫性能、附著力和耐沖擊強度的影響,設計不同顏基比和顏填料比,配制涂料,進行性能測試。實驗結果如表1所示。
  
    由表1可以看出,隨著顏基比的增大,涂料的耐高溫性能略有提高,且六方氮化硼含量的增大有助于耐溫性能的提高。但在實驗條件下,改變顏基比和顏填料比對漆膜附著力和沖擊強度影響不大。這主要是由于實驗所選擇的基料環氧樹脂對基材有著优良的附著力,盡管顏基比和顏填料比不斷變化,但漆膜仍能保持优良的附著力和耐沖擊強度。綜合比較表1中各組數据,确定顏基配比為1︰1,顏填料配
比為1︰1。
    2.1 2　偶聯劑种類
    采用向涂料中添加硅烷偶聯劑的方法以提高基料樹脂与顏填料的复合性,同時提高涂料對基材的附著力,改善漆膜綜合性能。本研究選用的偶聯劑分別為南大 42、ＫＨ550、ＫＨ792和ＫＨ902,加入量為顏填料質量的1%,實驗結果見表2。　　
   
    比較表2中數据可以發現,使用偶聯劑南大 42既可以提高漆膜附著力,又可以提高漆膜耐高溫性能。因此,本實驗選擇南大 42作為助劑。
    2.1 3　固化劑及其用量
    2.1 3.1　固化劑的選擇
    因為環氧改性有机硅樹脂碳鏈中含有環氧基團,決定了多种的胺類、酸酐及具有某些活性基團的樹脂都能使其交聯固化。乙二胺、二乙烯三胺、聚　胺均為可以使環氧樹脂常溫固化的固化劑,本實驗通過比較這3种固化劑對環氧改性有机硅樹脂的固化速度和漆膜固化后的綜合性能,選擇出固化性能最好的固化劑。
  
    比較表3中的實驗結果可以發現,使用聚　胺作為固化劑性能最好,而且聚　胺還可以提高漆膜的耐高溫性能。同時,由于固化成膜過程中聚　胺無毒有利于人工操作,固化條件受環境(如水分、濕气)影響較小[3],故本實驗采用聚　胺作為固化劑。
    2.1 3.2　固化劑用量的确定
    在确定選用聚　胺為固化劑的基礎上,本實驗通過比較不同固化劑用量下的漆膜性能,确定固化劑的最佳用量。
   
    由表4可以發現,聚　胺用量的增大可以提高漆膜固化速度,但差別不是很大。聚　胺用量為100%和120%時,漆膜綜合性能最好。考慮到成本問題,本實驗選擇聚　胺用量為配制環氧改性有机硅樹脂時環氧樹脂用量的100%。
    2.2　最佳配方的确定
    綜合以上實驗,最終确定涂料顏基比為1︰1,顏填料比為1︰1,偶聯劑選用南大 42,用量為顏填料質量的1%,固化劑選擇聚　胺,用量為配制環氧改性有机硅樹脂時環氧樹脂用量的100%。按照以上配方制備涂料,測得涂料綜合性能見表5。
   
    3　結　論
    (1)在本体系中六方氮化硼含量的增大有助于涂料耐溫性能的提高。
    (2)相對于ＫＨ550、ＫＨ792和ＫＨ902等3种偶聯劑,南大42更有利于提高涂料的耐溫性,并使其保持良好的附著力、柔韌性和耐沖擊強度。
    (3)以聚　胺作為固化劑,涂料性能較以乙二胺或二乙烯三胺作固化劑為好。
    (4)确定了涂料顏基比為1︰1,顏填料中六方氮化硼与硅酸鈉的配比為1︰1,偶聯劑用量為顏填料質量的1%,固化劑用量為環氧樹脂用量的100%。該涂層可耐熱650℃高溫,附著力達到1級,耐沖擊強度≧50ｃｍ,并可室溫固化。