由于發動機部位及排氣管等設備經常處于高溫和腐蝕介質中,兩者的協同作用進一步加速了設備的腐蝕穿孔,使生產成本增加,并給安全生產帶來很大隱患。為了延長設備的使用壽命,通常采用有機高分子材料對其進行防護。本文以水溶性磷酸鹽作為主要成膜物質,以鉻酸酐為調節劑,添加不同種類的反應性、功能性顏填料以及不同熔點的金屬粉末,制備了無機耐高溫防腐蝕涂料。該涂料在一定的溫度下可自身反應生成致密的保護層,同時也可在短時間內與金屬材料發生反應形成金屬絡合層,而具有極好的附著力,可長期在850℃以上溫度使用,并具有優異的耐濕熱、耐鹽霧以及高低溫等性能。
1·實驗部分
1·1實驗用原材料
磷酸:85%;五氧化二磷:化學純;氫氧化鋁、氧化鎂、化學純;云母粉、滑石粉、顏填料、鋁粉、鎳粉、銅粉、不銹鋼粉:工業級。
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,更易吸收應力和應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,其反應產物與反應程度也不同。據報道按H3PO4∶Al(OH)3=3∶1(物質的量比)的比例進行反應,可形成效果良好的C型磷酸二氫鋁結構。但在試驗中發現用以上的方法制備的基料,無論是涂層的強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,二者反應相當于高分子化學中的交聯固化。因此可通過適當的提高基料的聚合度,來達到提高涂層的性能的目的。試驗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,并對其性能進行了對比,其結果見表2。
表2
由表2可以看出,采用有聚磷酸存在的無機涂料整體性能優于無聚磷酸存在無機涂料。其原因在于無聚磷酸存在,生成的產物主要靠范德華力和氫鍵力粘合在一起,因而內聚力小,得到的涂層整體性能不好。而聚磷酸形成階段已經生成了具有一定鏈長的大分子,當它與A1(OH)3反應時可進一步生成具有一定相對分子質量的網狀結構高分子聚合物,使得磷酸鹽體系具有較高的內聚力[2],從而提高了涂層的附著力及高溫防腐等性能。
3·1·2反應溫度和反應時間的確定
反應溫度和反應時間對于無機合成反應來說至關重要。反應溫度和反應時間的差異會造成基料的化學結構不同,乃至后來基料的性能不同。根據酸堿反應理論,氫氧化鋁與磷酸在較低的溫度下就已開始反應。隨著溫度的升高,反應速率增大。溫度過高,則產物開始出現副產物,影響基料的強度;過低形成不了性能優異的磷酸二氫鋁結構。根據文獻[3]介紹分別進行了溫度為110℃以下、110~120℃、120~140℃,反應時間為1h的合成試驗。其結果是在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關鍵之一。由于磷酸鹽本身的成膜性和涂料中存在的水溶性物質,對涂層的性能有一定的負面影響。考慮到金屬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數據表明,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)發生反應形成大分子化合物,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一步彌補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,導致無法發生化學反應而影響涂層成膜性。
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