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耐高温抗静电涂料的制备

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-->>耐高温抗静电涂料的制备

耐高温抗真石漆的制备
王志强1,王亚文1,刘晓红2,胡进奔1,韩敏3
(1.中昊北方涂料工业研究设计院有限公司,兰州730020;2.金川集团股份有限公司,甘肃金昌737100;3.中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司,陕西汉中723000)

0 引言
静电在日常生产生活中危害巨大,在特种工件方面尤为严重,如高速飞行器在高速飞行时与空气摩擦产生大量的静电,若不及时消除,会导致飞行器电子器件失灵,造成飞行器坠毁等严重事故。为了消除静电,人们采取了各种办法,其中采用抗静电涂层是解决问题的重要方法之一。
抗静电涂料的种类繁多,从制备方法上来说目前主要有两种:1)制备具有导电性能的树脂,如聚苯胺、聚吡咯等导电聚合物作为树脂基料,添加适当的颜填料制得抗静电涂料。2)采用有机树脂,在树脂中添加纳米氧化铟、碳纳米管或导电纤维等抗静电材料制得抗静电涂料。但是上述抗静电涂料的耐高温性能差,最高耐温不高于300 ℃,在应用于高速飞行器时,飞行中摩擦产生的高温会使有机涂层炭化,产生残炭,降低强度,甚至使涂层剥落,残炭会阻碍电磁波的穿透,对于飞行器的制导产生严重影响,因此制备一种耐高温抗静电涂料是形势所迫。
 
1 试验部分
1.1 原料
试验用主要原料名称、规格及产地见表1。
试验用主要原料
1.2 制备工艺
导电云母粉处理工艺:把钛酸酯偶联剂溶解在无水乙醇中,其中w 无水乙醇:w 钛酸酯偶联剂=25 ∶ 1,取钛酸酯偶联剂无水乙醇溶液100 mL 与200 g 导电云母粉混合搅拌均匀,在(50±2)℃的环境中放置4 h,减压蒸馏除去乙醇和水,在减压蒸馏时控制体系的温度小于70 ℃,减压蒸馏结束后置于干燥器中12 h。处理后导电云母粉可加入磷酸盐基涂料体系中。磷酸与氧化镁在蒸馏水中反应,控制反应体系的温度小于60 ℃,反应结束后冷却体系,当温度降至40 ℃以下时,边搅拌边加入硅溶胶,继续搅拌至体系均一。按照一定比例混合基料和导电云母粉,高速分散得到耐高温抗静电涂料。
 
2 结果与讨论
研制的耐高温抗静电涂料具有优异的耐高温(耐温达900 ℃)、抗静电、高硬度、附着力强等性能。
2.1 涂料成膜机理
氧化镁和氢氧化铝均能够与磷酸反应生成磷酸二氢盐,但是氢氧化铝与磷酸反应需要较高的温度,考虑到能耗及制备工艺的复杂性,故选择氧化镁与磷酸反应制备基料。磷酸二氢盐在高温环境中容易失水形成大分子化合物,并且比较稳定,当化合价大于+1的阳离子如Mg2+、Al3+存在时更有利于形成大分子化合物。磷酸二氢盐在经过560 ℃左右固化后形成大分子化合物,其平面示意如图1 所示,这种结构本身就能够耐受900 ℃以上的高温,并且具有一定的导电性。硅溶胶及硼酸的引入可有效降低涂层的固化温度至340 ℃左右。
磷酸二氢盐固化后形成大分子化合物的平面示意图
该涂料与金属底材之间的附着是反应性附着,如图2 所示,其中,底材金属用M 表示。
涂料与金属底材反应性附着示意
2.2 涂料中导电云母粉对涂层抗静电性能的影响
导电云母粉对涂层抗静电性能的影响见表2。
导电云母粉对涂层抗静电性能的影响
试验显示抗静电涂层的导电性随着涂料中导电云母粉用量的增加而增强,主要原因是导电云母粉自身能够导电,随着其用量的增加,涂层的导电能力增强,作为抗静电涂料其表面电阻不易过低,而且当导电云母粉的用量超过一定用量时,涂层直接具有导电性能,达不到实际使用要求。从试验结果可以看出,涂料中导电云母粉用量介于5% ~ 10%较好。
导电云母粉对涂料抗静电性能的影响除了用量之外还与其在涂层中的排布方式有关,在制备涂料时应调整涂料溶剂的整体挥发速度,使涂层的表干时间适宜,这样涂料中的导电云母粉能在涂层的最终排布中达到一种平衡状态,不会因为导电云母粉排布状态不同而造成涂料抗静电性能不稳定。
2.3 钛酸酯偶联剂对涂料贮存稳定性的影响
钛酸酯偶联剂用量和处理时间对涂料贮存稳定性的影响见表3、表4。
钛酸酯偶联剂用量及处理时间对涂料贮存稳定性的影响
该涂料使用的基料为pH=2 ~ 5 的酸性水溶液,因此导电云母粉在该基料的稳定性直接影响到涂料的贮存稳定性,为了使导电云母粉能长期有效的存在,使用钛酸酯偶联剂对导电云母粉进行处理,在处理过程中发现钛酸酯偶联剂的用量以及处理时间对涂料的贮存稳定性有较大的影响,重要原因是钛酸酯偶联剂能否对导电云母粉进行有效的包覆,从而使其在pH=2 ~ 5的酸性水溶液中有较好的稳定性。从试验结果可以看出,钛酸酯偶联剂用量大于2%、处理时间大于4 h 时涂料的贮存稳定性较好。应用钛酸酯对导电云母粉进行包覆在提高涂料的贮存稳定性的同时会对导电云母粉的导电性能造成一定的影响,但涂层在烘烤固化后,钛酸酯上所含有的有机成分分解,从而消除其对涂层抗静电性能的副作用。表5 所示为涂层表干后表面电阻和烘烤固化后的表面电阻对比,从表中可以看出,经烘烤固化后,涂层完全可以达到抗静电涂层的要求。
烘烤固化前后涂层的表面电阻
2.4 硅溶胶用量对涂膜性能的影响
涂料中硅溶胶的用量对涂膜硬度及抗静电性能的影响见表6。
涂料中硅溶胶的用量对涂膜硬度及抗静电性能的影响
从试验数据可知,硅溶胶的用量对于涂料的抗静电性能以及涂膜硬度有很大的影响,随着硅溶胶用量的增加,涂料的表面电阻增大,磷酸二氢盐具有一定的导电性能,随着硅溶胶用量的增加,硅溶胶中的羟基与磷酸二氢盐中的羟基在高温下反应生成的P—O—Si 键增多,降低了涂层的导电性,随着硅溶胶用量的进一步增加,多余的硅溶胶虽然在涂料中以颜填料的形式存在,但是由于单位体积内硅羟基含量过高,硅溶胶粒子之间互聚形成了更大的粒子,其上残留的硅羟基与磷酸二氢盐中的羟基在高温下反应形成P—O—Si 粒子结构,从而导致基料失去平衡,成膜性能下降,涂层的硬度下降,还会使涂层的耐介质性能下降。
2.5 流变助剂的用量对涂料施工性能的影响
该涂料基料为磷酸二氢盐水溶液,涂料具有较低的黏度,为了使导电云母粉在施工时有足够的时间达到排布平衡,需要较长的表干时间,这样涂料容易流挂。根据涂料的特性,通过引入流变助剂改变涂料的流变特性,达到了施工要求。
 
3 结语
在实验室中研制了耐高温抗静电涂料,该涂料固化后具有良好的耐高温、抗静电、附着力、硬度等性能。但是该涂料固化条件严格,需要在(350±10)℃的高温环境中至少固化1 h,对该涂料的广泛应用带来了影响,因此制备一种耐高温性能优异且应用方便的抗静电涂料还需要进一步研究。
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