新型耐高温纳米防护涂料研究

新型耐高温纳米防护涂料研究（通用3篇）

新型耐高温纳米防护涂料研究篇1

新型耐高温纳米防护涂料研究

以环氧树脂化学改性有机硅树脂为基体材料,纳米粒子为填料并采用了常温固化体系,研制了耐高温防护涂层.该涂层固化后的热学、力学性能良好,各项测试结果完全满足指标要求.该耐高温涂料可采用喷涂法成型,工艺性能良好,操作简单.

作者：孟宇曾金芳吴轲陶敬泳作者单位：中国航天科技集团公司四院四十三所,西安,710025刊名：固体火箭技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOLID ROCKET TECHNOLOGY年，卷(期)：26(4)分类号：V258关键词：有机硅树脂环氧树脂常温固化耐高温纳米粒子

新型耐高温纳米防护涂料研究篇2

水工泄水建筑物受高速夹砂水流冲刷及推移质撞击冲磨遭受严重破坏,这一直是水利水电建设中有待解决的重大问题,我国运行中的大坝泄水建筑物有70%由于高速含砂水流的冲刷磨损和空蚀作用,存在不同程度的冲磨破坏问题[1]。从20世纪60年代开始,技术研究人员开发了多种抗冲磨护面材料,如环氧砂浆、喷涂聚脲、衬砌钢板、硅粉高强砂浆、普通耐磨涂料等[2],在许多工程上得到了应用,起到了很好的抗冲磨保护效果。但是,随着西部大开发和西电东输战略的实施,大型高水头水电站相继开工建设,泄流最大流速可达50 m/s,对护面材料的硬度和柔韧性均提出了更高的要求。上述现有护面材料难以满足这一要求,急需开发性能更加优异的护面材料来填补空白。

纳米Al2O3/Zr O2具有纳米粒子的小尺寸效应、表面效应,与环氧树脂复合后,纳米粒子填充于环氧树脂分子结构中,起到润滑作用,当受到外力冲击时,引发微裂纹,吸收大量冲击能,所以对环氧树脂又起到了增韧的作用。另外,纳米粒子的高表面活化能可提高涂层与混凝土的粘结强度。

1 试验研究

1.1 原材料

纳米Al2O3(a相,40 nm)、纳米Zr O2(单斜,40 nm),均为南京埃普瑞纳米材料有限公司;环氧树脂(E44),无锡树脂厂;Si C,工业品,山东腾州;硅烷类分散剂,南京翔飞化学研究所;T31固化剂,无锡树脂厂;活性溶剂,自制。

1.2 涂料配制

在适量活性溶剂中加入硅烷类分散剂、纳米Al2O3、纳米Zr O2,在高速分散机中以5000 r/min速度分散1 h,再在超声仪中超声空化30 min,加入环氧树脂,在高速分散机中以4000 r/min速度继续分散1 h,加入其它助剂、颜料,继续分散20 min,制得新型纳米Al2O3/Zr O2抗冲磨面层涂料A组份。B组份为纯T31固化剂,涂装时将A、B组份按比例混合搅拌均匀即可使用。

1.3 性能试验方法

耐磨性:按GB/T 1768—2006《色漆和清漆耐磨性的测定旋转橡胶砂轮法》进行测试;柔韧性:按GB/T 1731—93《漆膜柔韧性测定法》进行测试;黏度:按GB/T 1723—93《涂料黏度测定法》进行测试;粘结强度:按JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中混凝土表面涂层试验方法进行测试,仪器采用英国Elcometer公司产F106漆膜附着力拉拔仪。

盐雾试验:按GB/T 1771—91《色漆和清漆耐中性盐雾的测定》进行,设备为美国Q-LAB Corporation产Q-FOG盐雾腐蚀试验仪。试板采用70 mm×150 mm×1 mm钢板,漆膜厚度约210μm。喷雾溶液用分析纯氯化钠溶解于去离子水中配制而成,浓度为50 g/l,用分析纯盐酸或氢氧化钠溶液调整p H值为6.5~7.2,控制箱内温度为(35±2)℃,采用连续喷雾方式。

紫外线老化试验:按GB/T 1865—1997《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露》进行,设备为美国Q-LAB Corporation产QUV/SPRAY老化仪,试板采用70 mm×150 mm×1mm钢板,漆膜厚度约210μm,试验方式采用辐照8 h,冷凝4h,箱内温度控制辐照为60℃,冷凝为50℃。

2 结果与讨论

2.1 分散方式对涂料性能的影响

纳米粒子由于表面积大、表面能高、处于能量的不稳定状态,极易发生团聚而达到能量的稳定状态[3]。引起纳米粒子团聚的原因还有很多,包括范德华力、氢键、化学键等。纳米粒子的团聚在纳米涂料中的宏观表现是极易发生沉淀,因此,纳米粒子的分散及稳定是纳米涂料研究的重点,本文分别采用高速分散、超声空化、高速分散加超声空化等3种分散方式,以稳定性评价分散效果,结果见表1。

由表1可见,高速分散和超声空化单独使用时,效果均不理想,而两者配合使用则能起到很好的分散稳定效果。高速分散是利用外界强剪切能强行打开团聚的纳米粒子,对大团聚体分散效果较好,但对小团聚体的分散效果就差些。超声空化分散是利用一定频率内的超声波具有波长短、能量集中、近似直线传播的特点,降低纳米粒子的表面能,打开团聚体,并使其不容易再次团聚,所以其效果优于单独使用的高速分散,尤其是对小团聚体。将两者结合使用,可以实现优势互补。图1为经高速分散1 h、超声空化30 min、静置24 h后的纳米分散浆体。

2.2 纳米Al2O3/Zr O2组成比例对涂料性能的影响

Al2O3是刚玉的主要成分,莫氏硬度为9,在天然矿物中,硬度仅次于金刚石,与环氧树脂复合能提高涂膜的硬度。Zr O2的莫氏硬度略低于Al2O3,但具有更好的韧性和耐化学性。表2为纳米Al2O3/Zr O2组成比例对涂料性能的影响

注:(1)指纳米粒子与环氧树脂的质量百分比。

由表2可见,当纳米粒子含量为1%时,纳米Al2O3/Zr O2组成比例对涂层性能无明显影响;当纳米粒子含量为3%时,适量提高纳米粒子中Zr O2的比例,有助于柔韧性和耐盐雾性的提高。涂层的韧性和硬度共同影响涂层的耐磨性能,韧性的适当改善有利于耐磨性能的进一步提高。

2.3 分散剂用量对涂料稳定性的影响

硅烷类分散剂真正起作用的是在溶液中形成单分子吸附层的那部分分子,分散剂用量太大,不仅提高成本,还起不到分散效果。理论上的最佳用量是在纳米粒子表面达到单分子层吸附所需的用量,但实际应用中这一最佳用量与通过计算得到的100%覆盖时的用量往往不同,所以需要通过试验来确定。分别将占树脂质量0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%分散剂、环氧树脂、活性溶剂高速分散后再超声空化,静置一定时间观察其稳定状况,结果见表3。

由表3可见,当分散剂用量在1.0%以上时,系统具有很好的稳定性。

2.4 纳米粒子含量对涂料性能的影响

纳米粒子含量不足,起不到提高耐磨性的效果;含量过高,会引起分散不均等后果,也会大大降低其耐磨性能,且纳米粒子单价较高,过高的含量对涂料成本的影响较大。根据表2的研究结果,固定m(纳米Al2O3)∶m(纳米Zr O2)=70∶30,研究纳米粒子含量对涂料性能的影响,结果见表4。

纳米粒子主要从以下3个方面提高环氧涂料的耐磨性能:一是硬度高的纳米粒子均匀分布于涂层表面,当涂膜遭受外界冲磨时,纳米粒子对成膜树脂起到保护作用;二是粒子以纳米状态均匀分散于树脂的空隙中,起到犹如滚珠的润滑作用;三是当涂膜受到冲磨时,纳米粒子首先引起微裂纹,吸收大量的冲击能,阻止涂层进一步破坏。理论上纳米粒子含量过低或过高都不利于耐磨性能的提高。表4的试验数据也与之吻合,当纳米粒子含量为3%~7%时,效果较好。考虑到对材料成本的影响,本试验采用3%的添加量。表5也表明,添加纳米粒子对以环氧树脂为主要成膜物质的涂料耐候性能也有明显的改善。

2.5 涂料的主要性能指标

涂料配方(质量份)为:E44环氧树脂30份,纳米Al2O30.63份,纳米Zr O20.27份,硅烷类分散剂0.3份,活性溶剂30份,填料22.3份,其它助剂1.5份,T31固化剂15份。按照1.2的方法配制的新型纳米Al2O3/Zr O2抗冲磨面层涂料的主要性能指标见表5。

3 结论

(1)采用高速分散与超声空化结合的分散方式,可以有效提高纳米粒子的分散效果。

(2)纳米粒子总的添加量以3%~7%为宜,加入过量的纳米粒子会降低涂膜的耐磨性能。在纳米Al2O3中添加30%的纳米Zr O2,有利于涂层柔韧性、耐盐雾性和耐磨性的提高。

(3)分散剂用量占树脂质量的1%以上时,能起到较好的分散效果。

摘要：采用高速分散和超声空化相结合的手段,在分散剂作用下,将纳米Al2O3/ZrO2均匀分散于环氧树脂中,对其进行增韧增强改性,并配制成适用于高速水流冲磨的新型纳米抗冲磨面层涂料,分析了纳米粒子分散方式、纳米Al2O3/ZrO2组成比例、纳米粒子含量及分散剂用量等几种主要因素对其性能的影响,试验表明,该涂料具有优良的耐磨、粘结、耐盐雾和耐老化等性能。

关键词：纳米Al2O3/ZrO2,环氧树脂,耐磨涂料,抗冲磨

参考文献

[1]张四平.水工抗冲磨混凝土原材料选用分析[J].山西水利科技,2007(3):63-64.

[2]徐雪峰,杨长征,邱益军,等.水工泄水建筑物耐磨涂层护面工艺探讨[J].水利水电技术,2003(6):21-23.

高温抗氧化涂料的研究篇3

关键词：Al2O3-ZrO2-C耐火材料,涂料,抗氧化

由于Al2O3-ZrO2-C耐火材料具有高强度及良好的抗热震性、抗渣侵蚀性等高温性能, 已成为一种广泛使用的耐火材料。然而这类材料与其它含碳耐火材料一样容易氧化,氧化造成脱碳,破坏了碳结合的结构,导致材料性能的急剧下降,限制了该材料使用寿命和使用范围。因此如何防止这类材料在烧成和使用过程中被氧化,对材料高温性能的正常发挥至关重要。目前,防止Al2O3-ZrO2-C耐火材料中石墨氧化的途径是在材料中添加少量Al、Mg、Si、SiC、B4C等物质,实践证明,这些物质的加入能够较好地阻止石墨的氧化,提高材料的强度, 从而提高材料的使用寿命,但不能有效地防止制品在烘烤和使用时表面的严重氧化脱碳[1]。防氧化涂料法是一种用于含碳制品表面的防氧化方法,通过在制品表面形成具有一定厚度的涂层,使外界的氧与制品隔离开来从而达到防氧化的目的。对防氧化涂料的组成研究有许多[2,3,4,5,6],采用不同的原料,形成了许多配方,使用效果也不尽相同。本文采用复合氧化物、氧化硅、氧化铝及施工性能调节剂等原料研制了一种低熔点防氧化涂料,并研究了该涂料在不同温度条件下的显微外观和抗氧化性能。

1 试验

1.1 原料

复合氧化物(自治)、氧化硅(化学纯)、氧化铝(化学纯)、施工性能调节剂(自治),所有固体材料的粒径均在800目以上。

1.2 涂料的制备

按一定配比准备复合氧化物、氧化硅、氧化铝、施工性能调节剂和去离子水等原料。将去离子水和施工性能调节剂倒入烧杯搅拌均匀,然后加入其它原料混合均匀即得试验所需的抗氧化涂料。

1.3 Al2O3-ZrO2-C耐火材料试块的制备

试块由经等静压成型的水口制品切割而成(河南新乡伯马集团提供)。

1.4 涂料性能的测试

将涂料涂刷在试块表面室温下干燥24 h,放入GW-2007-2型高温电炉中,在不同温度下各氧化处理4 h,计算试块高温下的氧化失重率,然后用日立S-3400N钨丝灯扫描电子显微镜对试块进行SEM分析。

2 结果与讨论

图1是试块的失重率曲线。从图1可以明显看出,涂料对具有明显的保护作用。无涂料保护的试块在800 ℃开始有明显失重,在1 600 ℃失重达30%,说明材料中的碳已全部被氧化;有涂料保护的试块在800 ℃有轻微失重,推测是涂层中残存的水分和少量的有机物被氧化分解,在1 200 ℃有进一步失重,推测是涂层中有部分无机氧化物在这一温度下具有一定的挥发性,与1 200 ℃相比,1 600 ℃下试块没有进一步失重,表明试块没有被氧化,本实验制得的涂料高温抗氧化效果很好。

图2是涂料经过800 ℃处理4 h的表面扫描电镜照片。从图2可以看到,涂料颗粒开始融化并形成保护层,但仍有较多的涂料颗粒不能在这一温度下融化。

图3是涂料经过1 200 ℃处理4 h的表面扫描电镜照片。从图中可以看到,涂料颗粒进一步融化,液相的保护层已经能明显看到,同时液相表面有一些不规则的近椭圆形的凹陷,推测是涂层中的一些挥发性的氧化物逸出时留下的,这些凹陷也表明,高温下的液相涂层具有极高的粘度。

图4是涂料经过处理4 h的表面扫描电镜照片。从图中可以看到,涂料颗粒融化接近完全,平滑的液相的保护层已经形成,没有图3中出现的凹陷,说明挥发性的无机氧化物已经挥发完全,涂层由在1 600 ℃下稳定的氧化物形成,表面完整无明显缺陷,具有良好的抗氧化保护能力。

通过以上分析表明,在800～1 600 ℃的温度区间内,涂料能够在Al2O3-ZrO2-C耐火材料表面形成一层保护膜,隔绝空气,减缓高温条件下O2以及对Al2O3-ZrO2-C耐火材料的侵蚀,提高了材料的抗空气氧化性能,延长材料在高温状态下的使用寿命。

3 结论

(1)涂刷涂料后,Al2O3-ZrO2-C耐火材料的失重率降低,抗氧化效果明显。

(2)抗氧化机理是由于涂料能在Al2O3-ZrO2-C耐火材料表面形成一层保护膜,提高Al2O3-ZrO2-C耐火材料的抗空气氧化性能。

参考文献

[1]Anon.谭立华译.碳结合碱性耐火材料的抗氧化作用[J].国外耐火材料,1993(6):22-43.

[2]张玲,窦淑菊,王壮.铝镁碳砖中的玻璃防氧化剂[J].鞍山钢铁学院学报,2000(4):254-256.

[3]刘开琪.含碳耐火材料抗氧化涂料的配制及抗氧化原理[J].耐火材料,2000(1):17-19.

[4]张文丽,陈加庚.铝碳制品防氧化涂料的作用机理[J].耐火材料,1997(3):131-133.