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      發動機用耐高溫鋁粉涂料的制備

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      -->>發動機用耐高溫鋁粉涂料的制備

      發動機用耐高溫鋁粉涂料的制備
      張玉忠,李 靜,艾秋實,王 彥 ( 北京航空材料研究院,北京 100095)

      0 引言
      發動機高溫部件中使用大量高強度鋼材,而鋼材強度越高,對雜質離子也越敏感,在較高溫度下,鋼材的腐蝕更快。為避免鋼材失效,采用耐高溫涂料進行防護是一種行之有效的方法,它以施工方便、成本低廉而得到廣泛應用。耐高溫涂料一般是指漆膜在200℃以上不脫落、仍能保持適當物理機械性能的涂料[5-6]。其防護機理大致可歸為兩種:一種是利用涂層的致密性,防止涂層外部的腐蝕介質侵入底材,另一種是依靠防銹顏料和填料起到抑制腐蝕的作用。這兩種功能相輔相成,協同起到防護作用。
      常用的有機硅耐高溫涂料注重耐高溫性,但存在附著力和耐腐蝕性差等問題[7],而發動機部件對耐高溫涂料的防腐性要求十分苛刻。因此,在設計耐高溫涂料的配方時,需綜合考慮漆膜的機械性能、耐熱性及防腐性要求。
       
      1 試驗部分
      1.1 原材料
      環氧改性有機硅樹脂:中昊晨光;環氧樹脂:江蘇無錫;鋁粉漿:山東濟南;鋁粉定向劑:Eastman ;流平劑、消泡劑:BYK ;聚酰胺樹脂、磷酸鋅、三聚磷酸鋁、滑石粉、二甲苯、正丁醇:均為工業品。
      1.2 儀器設備
      分散機:德國DISPERMAT 公司;鹽霧試驗箱:美國Q-PANEL 公司;濕熱試驗箱:美國Q-PANEL公司;烘箱:上海實驗儀器廠。
      1.3 涂料/ 涂層制備
      1.3.1 涂料制備
      按表1 配方在樹脂中加入磷酸鹽、滑石粉等填料及助劑,攪拌均勻,然后用砂磨機研磨至規定的細度,加入溶劑分散,過濾,即制得成品涂料的組分一;組分二為聚酰胺樹脂;組分三為鋁粉漿。其質量份比為100∶5∶15。
      耐高溫鋁粉涂料(組分一)配方
      1.3.2 涂層制備
      涂層的制備包括底材處理、涂料的施工和涂層固化。
      底材處理:將馬口鐵板用有機溶劑除油、打磨除銹,再用溶劑清洗干凈,干燥。
      涂料施工:將涂料各組分按規定的配比攪拌均勻,采用空氣噴涂(或刷涂)涂覆于馬口鐵板上,表干后再進行下一道涂料施工。涂層厚度控制在40~80 μm。
      涂層固化:將施工完畢的馬口鐵板置于烘箱內,升溫至150℃,2 h 后即可完全固化。
      1.4 性能測試
      1.4.1 耐高溫性
      按GB/T 1735—2009 進行涂層耐高溫性測試。將涂裝耐高溫涂料的鋼板試片放入烘箱中,從室溫升至300℃,保持5 h ;再冷卻至室溫后取出。用放大鏡觀察涂層表面狀況,如無龜裂、起泡、脫落等現象,即表明涂層耐高溫性良好。
      1.4.2 耐鹽霧性
      按GB/T 1771—2007 進行涂層耐鹽霧性測試。試驗結束后,檢查涂層表面狀況,如無銹蝕、起泡、脫落等現象,即表明涂層耐鹽霧性良好。
      1.4.3 耐濕熱性
      按GB/T 1740—2007 進行涂層耐濕熱性測試。試驗結束后,檢查涂層表面狀況,如無銹蝕、起泡、脫落等現象,即表明涂層耐濕熱性良好。
      1.4.4 力學性能
      按GB/T 1720—1979 測定附著力;按GB/T 富鋅底漆—1993 測定柔韌性;按GB/T 1732—1993 測定耐沖擊性;按GB/T 6739—2006 測定鉛筆硬度。
       
      2 結果與討論
      2.1 耐高溫樹脂體系的選擇
      有機硅樹脂以Si—O 鍵為主鏈,其鍵能為443.7 kJ/mol,較C—C 鍵能347 kJ/mol 高很多。由于Si—O 鍵極性大,鍵能高,在高溫下不易斷裂,提高了樹脂的熱穩定性。在溫度超過有機硅樹脂的分解溫度時,殘余的Si—O 鍵可與部分Al 及Fe 熔合生成Si—O—Al(Fe)合金層。合金層的形成大大提高了涂層與基材的黏結力,不僅熱、氧不易侵入,而且涂層的附著力進一步提高,使其耐高溫性大幅提升。但有機硅樹脂一般需在高溫下才能交聯固化,為降低固化溫度,一般需進行改性處理。
      本研究中,采用環氧改性有機硅樹脂。若單獨采用化學改性的環氧有機硅樹脂,由于環氧值較低,經固化后,交聯密度低,涂層較軟,容易劃傷。為提高涂層硬度,在體系中加入了部分環氧樹脂進行物理改性。改性后的體系,其涂層硬度提高,可在較低的溫度下固化,且涂層耐高溫性仍能滿足要求。
      2.2 顏填料的選擇
      2.2.1 鋁粉漿
      本研究中的涂料用于底面合一的涂層,因此選擇使用浮型鋁粉漿獨立作為一個組分。與非浮型鋁粉漿相比,浮型鋁粉鱗片可漂浮在涂層上層,能屏蔽底材,還可提高涂層阻隔氧氣的能力,從而提高涂層的耐溫性和耐蝕性。
      鋁粉漿的種類很多,其中鋁粉鱗片的徑厚比和處理方法,都會影響涂層的外觀和對雜質粒子的阻隔能力。根據鋁粉漿的特點和實踐經驗,選擇常用的工業化品種進行試驗,通過對涂層外觀、耐水性、耐溫性等性能比較,確定了鋁粉漿的品種和用量。表2給出了3 種鋁粉漿對涂層性能的影響。
      3 種鋁粉漿對涂層性能的影響
      由表2 可見:體系中加入不同鋁粉漿,對涂層的外觀、耐水性等有較大影響。根據試驗結果,選用鋁粉漿C 進行試驗。當鋁粉漿用量為10%~20% 時,效果較好。
      2.2.2 其他顏填料
      本研究中,防銹顏料選用了復合磷酸鹽(磷酸鋅和三聚磷酸鋁),填料選用滑石粉、云母、沉淀硫酸鋇、輕質碳酸鈣等。根據顏填料的自身特點,選擇了常用且性能穩定的顏填料品種,通過試驗,確定了顏填料的用量和比例。
      2.3 助劑的選擇
      2.3.1 鋁粉定向劑
      在涂料施工后,由于鋁粉漿中鋁粉鱗片自身徑厚比、處理方法不同等原因,雖在涂層中有一定的定向,但仍有較大可能產生排列方向不一致,這會降低涂層的致密性和對雜質粒子的阻隔性。采用一定量的鋁粉定向劑,可改善鋁粉鱗片的定向性,提高涂層的致密性和耐溫性等性能。表3 是鋁粉定向劑對涂層性能的影響。
      鋁粉定向劑對涂層性能的影響
      由表3 可見:鋁粉定向劑的加入不但改善了涂層的外觀,而且提高了涂層的硬度和耐溫性。當鋁粉定向劑用量為2% 時,涂層性能最佳。繼續增加其用量,對涂層性能改善不明顯,但會增大涂料黏度,不利于涂料施工。
      2.3.2 其他助劑
      除鋁粉定向劑外,為使各種填料能夠更好地分散在樹脂中,并提高涂料對底材的附著力,本研究還選擇了潤濕分散劑;為改善涂層的表面狀態,選擇了流平劑;為改善涂料的生產狀態,選擇了消泡劑等等。
      2.4 涂層性能
      對制備的環氧改性有機硅鋁粉涂層進行了性能檢測,結果列于表4。由表4 可見:涂層綜合性能良好;涂層耐溫性良好;涂層硬度高達4H,不易劃傷;涂層耐鹽霧性優良,達2 000 h 以上;涂層耐濕熱性達1 000 h 以上。該涂料已在某高強鋼制造的發動機部件上應用。結果表明,涂層工藝性能良好,耐溫性達到要求,力學性能和耐蝕性優良,綜合性能達到使用要求。
      環氧改性有機硅高溫鋁粉涂層性能檢測結果
      3 結語
      以環氧有機硅樹脂為主要成膜物,配以適當的固化劑、功能性顏填料等,制得一種具有良好物理機械性能和防腐蝕性,且在300℃高溫下可長期使用的環氧有機硅耐高溫鋁粉涂料。鋁粉可提高涂層的耐高溫性和致密性,用量以10%~20% 為宜;鋁粉定向劑可改善鋁粉的排列分布,從而提高涂層的硬度、致密性、耐溫性和防護性能,用量為2% 時,效果最佳。
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