环氧改性有机硅耐高温防腐涂料的研制

环氧改性有机硅耐高温防腐涂料的研制

喻兰英1, 2,李新跃1, 2, *,罗宏1, 2,陈飞英1
(1.四川理工学院材料与化学工程学院,四川 自贡 643000;2.材料腐蚀与防护四川省高校重点实验室,四川 自贡 643000)

1 前言
有机硅树脂由于具有较好的耐热性、耐水性和电绝缘性而一直占有非常重要的地位,但存在附着力、耐有机溶剂性及高温防腐能力较差等诸多缺点。环氧树脂以优异的机械性能和粘接性能著称。因此,以环氧树脂改性有机硅树脂是近年发展起来的既能提高有机硅树脂附着力和防腐能力,又能降低环氧树脂内应力,增强环氧树脂韧性、耐高温性和耐候性等性能的有效途径[1-4]。本文以环氧改性有机硅作为漆基,制备了磷酸锌底漆、云母氧化铁中间漆以及面漆,研究了涂膜的耐高温防腐蚀性能。

2 实验
2. 1 原材料
色漆的主要组分是漆基、颜料、填料及助剂,对它们的选择、使用以及彼此的配合是决定配方成功与否的关键。在配制环氧改性有机硅耐热防腐涂料时,除了能成膜的树脂溶液外,还需要添加填料(如硫酸钡、滑石粉、玻璃粉等)和颜料(钛白粉、磷酸锌、云铁等)。虽然耐热颜料与防蚀颜料的作用机理不同,但很难截然分开,在配方上往往互相交叉,以达到取长补短的效果。所以耐热防腐漆中极少使用单一的颜料,通常要配合多种颜料和填料。根据配制涂料的不同,颜料、填料的种类和用量也有所不同。在底漆中,主要用保护颜料;中间漆里,主要是体质颜料;面漆必须有较高的遮盖力,故主要用着色颜料。配方中主要原料及来源见表1。
表1 主要原料及其来源

2. 2 配方
2. 2. 1 漆基的选择
漆基的功能在于粘结颜料和填料,同时把底材和面漆结合成牢固的整体,阻挡腐蚀介质的侵蚀。即要求漆基能较好地润湿和分散颜料,能容忍多种颜填料,以保证漆膜结构致密,施工时弊病少。由于晨光化工研究院的HG-43 改性环氧有机硅树脂加入硅烷偶联剂KH-550 后180 °C 干燥2 h,其耐热性(300 °C ± 5 °C)≥2 h,并耐甲苯、汽油、盐酸等溶剂,制成的涂料具有优良的耐高温防腐蚀性能,故采用其作为漆基。

2. 2. 2 底漆配方
底漆是以环氧改性有机硅为成膜物质、以磷酸盐为主要防锈颜料的高温防腐涂料。底漆配方如下(以质量分数表示):
HG-43 改性环氧有机硅树脂 45%
磷酸锌 8%
氧化锌 4%
二苯胍 2.5%
908 磷铁粉 15%
滑石粉 10%
有机膨润土 0.4%
硫酸钡 10%
APW 附着力促进剂 0.2%
202P 聚乙烯蜡防沉剂 0.2%
963S 非离子型湿润分散剂 0.2%
硅烷偶联剂KH-550 1.4%
二甲苯 余量

2. 2. 3 中间漆配方
中间漆是一种以环氧改性有机硅为主要成膜物质、以云母氧化铁为主要防锈颜料的高温防腐涂料。云母氧化铁具有优良的耐高温性和耐碱、耐酸及防水性,并且价格低、无毒性,是一种优良的涂料颜料。在片状云母氧化铁防腐层中,云母氧化铁是不连续的片状实体,在树脂中平行叠压排列,对腐蚀介质构成了一道道屏障,使介质不易渗透到基料中,相当于增加了防腐层厚度,从而达到防腐蚀目的。中间漆配方如下(以质量分数表示):
HG-43 改性环氧有机硅树脂 40%
灰云铁 27%
立多粉 20%
硫酸钡 5%
滑石粉 5%
有机膨润土 0.4%
202P 聚乙烯蜡防沉剂 0.2%
963S 非离子型湿润分散剂 0.2%
硅烷偶联剂KH-550 1.2%
二甲苯 余量

2. 2. 4 面漆配方
在很多高温环境下应用的涂料对颜色都有特定的要求,如化工厂中蓝色表示必须遵守,红色表示禁止、停用,绿色表示提醒、安全通行,黄色表示警告、注意等。所以有必要研制一些色漆配方作为面漆。本文制备的绿、红、黄3 种面漆配方如表2 所示。本研究中,面漆以环氧改性有机硅为成膜物质,要求涂膜具有较高的遮盖力,在高温、腐蚀条件下仍能保持漆膜的完整性、附着性、弹性和耐磨性等。
表2 不同颜色面漆配方对比

无机颜料氧化铬绿具有很好的耐光、耐热、耐酸和耐碱性能,主要用作耐化学品腐蚀、耐高温及耐候性涂料中。有机颜料主要应用于高档涂料、高档印刷油墨和塑料。永固黄是一种联苯胺类颜料,呈黄绿色,其色光纯正,着色力良好,并能耐光、耐油、耐酸和耐热,可用于户外涂料中;喹吖啶酮红属于喹吖啶酮类多环颜料,其色鲜艳,接近品红,耐候性好,有较高的着色力和热稳定性,透明度和光泽度高,耐溶剂性强,贮存稳定性好。

2. 3 复合涂层制备
马口铁片表面先用0#砂纸打磨除锈,再用二甲苯清洗除油。分别将底漆、中间漆和面漆均匀涂刷在样板上,静置表干后,在200 °C 下烘烤0.5 h。

2. 4 复合涂层性能检测
采用日本尼康EPIPHOT 200 型金相显微镜对受热350 °C 后的复合涂层断面进行观察、分析。

2. 4. 1 耐热性
采用中国天津材料试验机厂的QCJ 漆膜冲击器测定复合涂层分别在250、300、350 和400 °C 下烘烤3 h后的抗冲击强度。

2. 4. 2 耐蚀性
观察复合涂层分别浸泡在蒸馏水、97#汽油以及5%(质量分数)的NaCl、NaOH 和H2SO4 溶液中的漆膜变化。

3 结果与讨论
3. 1 耐热性
3. 1. 1 各涂层的耐热性
各涂层在不同温度下烘烤3 h 后的耐热性试验结果见表3。
表3 不同烘烤温度下各涂层耐热性比较

由表3 可看出,磷酸锌底漆的耐热性非常好,在400 °C 下烘烤3 h 后仍保持良好的物理性能,抗冲击强度为45 kg·cm,附着力和柔韧性分别为1 级和1 mm;中间漆在400 °C 下恒温烘烤3 h 后,仍保持良好的物理性能,其抗冲击强度为45 kg·cm,附着力为2 级,柔韧性为1 mm。以无机颜料为着色颜料的1#面漆,能耐高温到400 °C,在350 °C 时的抗冲击强度大于添加有机颜料喹吖啶酮红的2#面漆;在400 °C 时,2#面漆漆膜严重变色且伴有粉化。总体来说,1#面漆的耐热性优于2#面漆。而以有机颜料为着色颜料的3#面漆在300 °C 下受热3 h 后,虽然物理性能可达标,但漆膜已严重变色,表明3#面漆的耐热性最差。所以,采用无机颜料的面漆的耐高温性能好。

3. 1. 2 复合涂层的耐热性
底漆 + 中间漆 + 面漆(1# ~ 3#)所得的各复合涂层在不同温度下烘烤3 h 的耐热性能见表4。
表4 各复合涂层耐热性能对比

从表4 可以看出,在350 °C 下烘烤3 h 后,1#和2#复合涂层的抗冲击强度分别为40 kg·cm和45 kg·cm,而3#复合涂层在350 °C 下烘烤3 h 后漆膜变黄。这说明复合涂层的底漆和中间漆对涂膜的耐热性有一定的影响,但对直接与高温介质接触的面漆的耐热与耐溶剂性能的要求则更高。所以高温涂层在配以适当的底漆和中间漆的同时,采用热稳定性好的无机颜料面漆的复合涂层,其热稳定性高,但是由于添加了无机原料,涂膜的耐冲击性能稍有下降。3#复合涂层由于采用高温易分解的永固黄有机颜料,因此其耐热性差。所以,颜料种类对复合涂层的耐热性能影响很大,耐高温涂层应使用热稳定性高的有机颜料或无机颜料。

3. 2 复合涂层的防腐蚀性能
各复合涂层在不同介质浸泡20 d 的腐蚀状况如表5 所示。
表5 各复合涂层防腐蚀性能比较

从表5 可知,1#和2#复合涂层在蒸馏水、5% NaCl、5% H2SO4 以及汽油中浸泡20 d 后无变化,说明其耐腐蚀性能优秀;3#复合涂层在5% NaOH 和5% H2SO4 中分别浸泡13 d 和18 d 后开始起泡;1#复合涂层在350 °C下烘烤3 h 后,在腐蚀介质中浸泡20 d 漆膜无变化,说明磷酸锌底漆 + 云母氧化铁中间漆 + 氧化铬绿面漆复合涂层的高温稳定性好,防腐蚀性能优秀。

3. 3 复合涂层的截面形貌
1# ~ 3#复合涂层(总厚度约70 μm,底层约30 μm,中间层为25 μm,面层为15 μm)在350 °C 烘烤3 h 后的截面形貌照片见图1。

图1 各复合涂层截面形貌(× 400)

由图1 可知,各复合涂层中3 种涂层间的结合很紧密,颜料粒子均匀分布在各涂层中。但是3#复合涂层在金相显微镜下可以观察到较明显的变色,进一步说明颜料对涂层热稳定性有很大影响。

4 结论
(1) 环氧改性有机硅耐高温防腐复合涂层为:含908 的磷酸锌底漆+云母氧化铁中间漆+氧化铬绿面漆。
(2) 复合涂层在350 °C 烘烤3 h 后,耐冲击强度在40 kg·cm 以上,附着力≤2 级,柔韧性≤2 mm。

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