由于發(fā)動機(jī)部位及排氣管等設(shè)備經(jīng)常處于高溫和腐蝕介質(zhì)中,兩者的協(xié)同作用進(jìn)一步加速了設(shè)備的腐蝕穿孔,使生產(chǎn)成本增加,并給安全生產(chǎn)帶來很大隱患。為了延長設(shè)備的使用壽命,通常采用有機(jī)高分子材料對其進(jìn)行防護(hù)。本文以水溶性磷酸鹽作為主要成膜物質(zhì),以鉻酸酐為調(diào)節(jié)劑,添加不同種類的反應(yīng)性、功能性顏填料以及不同熔點(diǎn)的金屬粉末,制備了無機(jī)耐高溫防腐蝕涂料。該涂料在一定的溫度下可自身反應(yīng)生成致密的保護(hù)層,同時也可在短時間內(nèi)與金屬材料發(fā)生反應(yīng)形成金屬絡(luò)合層,而具有極好的附著力,可長期在850℃以上溫度使用,并具有優(yōu)異的耐濕熱、耐鹽霧以及高低溫等性能。
1·實(shí)驗(yàn)部分
1·1實(shí)驗(yàn)用原材料
磷酸:85%;五氧化二磷:化學(xué)純;氫氧化鋁、氧化鎂、化學(xué)純;云母粉、滑石粉、顏填料、鋁粉、鎳粉、銅粉、不銹鋼粉:工業(yè)級。
1·2制備工藝
水性耐高溫防腐涂料的制備如圖1所示。
圖1
2·性能測試
水性耐高溫防腐涂料主要性能如表1所示。
表1
3·結(jié)果與討論
3·1基料的合成
3·1·1聚磷酸的影響
磷酸鹽基料是通過磷酸與堿金屬反應(yīng)制得的。堿金屬的原子半徑越小、得到的基料對底材的附著力越好,越容易得到無序的固化體,更易吸收應(yīng)力和應(yīng)變而提高涂層的性能。作為合成磷酸鹽基料的堿金屬有Mg、Al、Zn等,相比較Al的原子半徑小,更適宜做合成基料的堿金屬。磷酸與氫氧化鋁的配比不同,其反應(yīng)產(chǎn)物與反應(yīng)程度也不同。據(jù)報(bào)道按H3PO4∶Al(OH)3=3∶1(物質(zhì)的量比)的比例進(jìn)行反應(yīng),可形成效果良好的C型磷酸二氫鋁結(jié)構(gòu)。但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)用以上的方法制備的基料,無論是涂層的強(qiáng)度還是防腐蝕能力上均存在著一定程度的缺陷,很難滿足使用要求。磷酸和氫氧化鋁均屬于三官能度單體,二者反應(yīng)相當(dāng)于高分子化學(xué)中的交聯(lián)固化。因此可通過適當(dāng)?shù)奶岣呋系木酆隙?來達(dá)到提高涂層的性能的目的。試驗(yàn)采用以下能提供更長鏈段的聚磷酸鹽的的方法來合成涂料的基料:
為了增加基料的聚合度,以便形成更為致密的涂層,試驗(yàn)分別采用磷酸和聚磷酸合成基料來制備水性高溫防腐涂料,并對其性能進(jìn)行了對比,其結(jié)果見表2。
表2
由表2可以看出,采用有聚磷酸存在的無機(jī)涂料整體性能優(yōu)于無聚磷酸存在無機(jī)涂料。其原因在于無聚磷酸存在,生成的產(chǎn)物主要靠范德華力和氫鍵力粘合在一起,因而內(nèi)聚力小,得到的涂層整體性能不好。而聚磷酸形成階段已經(jīng)生成了具有一定鏈長的大分子,當(dāng)它與A1(OH)3反應(yīng)時可進(jìn)一步生成具有一定相對分子質(zhì)量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子聚合物,使得磷酸鹽體系具有較高的內(nèi)聚力[2],從而提高了涂層的附著力及高溫防腐等性能。
3·1·2反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間的確定
反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對于無機(jī)合成反應(yīng)來說至關(guān)重要。反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間的差異會造成基料的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,乃至后來基料的性能不同。根據(jù)酸堿反應(yīng)理論,氫氧化鋁與磷酸在較低的溫度下就已開始反應(yīng)。隨著溫度的升高,反應(yīng)速率增大。溫度過高,則產(chǎn)物開始出現(xiàn)副產(chǎn)物,影響基料的強(qiáng)度;過低形成不了性能優(yōu)異的磷酸二氫鋁結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹分別進(jìn)行了溫度為110℃以下、110~120℃、120~140℃,反應(yīng)時間為1h的合成試驗(yàn)。其結(jié)果是在110~120℃/1h條件下制得的磷酸鹽基料的整體效果最為理想。
3·1·3緩蝕劑的影響
緩蝕劑是用來緩解基料對金屬材料的腐蝕作用。緩蝕劑的正確選擇是制備磷酸鹽耐高溫涂料的技術(shù)關(guān)鍵之一。由于磷酸鹽本身的成膜性和涂料中存在的水溶性物質(zhì),對涂層的性能有一定的負(fù)面影響?？紤]到金屬Cr6+不僅具有良好的成膜性,還可以給涂料體系提供一定量的強(qiáng)氧化劑。因此選擇CrO3做體系的緩蝕劑,并采用磷酸二氫鋁+水+CrO3合成具有一定鏈長的磷酸鋁鉻基料。
CrO3用量對涂層性能的影響見表3。
表3
表3數(shù)據(jù)表明,用Cr6+與磷酸等配合可以鈍化涂料中的金屬,提高貯存穩(wěn)定性;同時在固化過程中與不同的材料(涂料和底材中的不同金屬材料,甚至是與聚合過程中的聚磷酸鹽)發(fā)生反應(yīng)形成大分子化合物,有利于涂層的形成,使多孔的材料致密。同時可利用鉻的憎水性來進(jìn)一步彌補(bǔ)磷酸鹽涂料的耐水性不足。但過多的加入CrO3,涂料會因金屬材料過度的鈍化,導(dǎo)致無法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響涂層成膜性。
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