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发动机用耐高温铝粉涂料的制备

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发动机用耐高温铝粉涂料的制备
张玉忠,李 静,艾秋实,王 彦 ( 北京航空材料研究院,北京 100095)

0 引言
发动机高温部件中使用大量高强度钢材,而钢材强度越高,对杂质离子也越敏感,在较高温度下,钢材的腐蚀更快。为避免钢材失效,采用耐高温涂料进行防护是一种行之有效的方法,它以施工方便、成本低廉而得到广泛应用。耐高温涂料一般是指漆膜在200℃以上不脱落、仍能保持适当物理机械性能的涂料[5-6]。其防护机理大致可归为两种:一种是利用涂层的致密性,防止涂层外部的腐蚀介质侵入底材,另一种是依靠防锈颜料和填料起到抑制腐蚀的作用。这两种功能相辅相成,协同起到防护作用。
常用的有机硅耐高温涂料注重耐高温性,但存在附着力和耐腐蚀性差等问题[7],而发动机部件对耐高温涂料的防腐性要求十分苛刻。因此,在设计耐高温涂料的配方时,需综合考虑漆膜的机械性能、耐热性及防腐性要求。
 
1 试验部分
1.1 原材料
环氧改性有机硅树脂:中昊晨光;环氧树脂:江苏无锡;铝粉浆:山东济南;铝粉定向剂:Eastman ;流平剂、消泡剂:BYK ;聚酰胺树脂、磷酸锌、三聚磷酸铝、滑石粉、二甲苯、正丁醇:均为工业品。
1.2 仪器设备
分散机:德国DISPERMAT 公司;盐雾试验箱:美国Q-PANEL 公司;湿热试验箱:美国Q-PANEL公司;烘箱:上海实验仪器厂。
1.3 涂料/ 涂层制备
1.3.1 涂料制备
按表1 配方在树脂中加入磷酸盐、滑石粉等填料及助剂,搅拌均匀,然后用砂磨机研磨至规定的细度,加入溶剂分散,过滤,即制得成品涂料的组分一;组分二为聚酰胺树脂;组分三为铝粉浆。其质量份比为100∶5∶15。
耐高温铝粉涂料(组分一)配方
1.3.2 涂层制备
涂层的制备包括底材处理、涂料的施工和涂层固化。
底材处理:将马口铁板用有机溶剂除油、打磨除锈,再用溶剂清洗干净,干燥。
涂料施工:将涂料各组分按规定的配比搅拌均匀,采用空气喷涂(或刷涂)涂覆于马口铁板上,表干后再进行下一道涂料施工。涂层厚度控制在40~80 μm。
涂层固化:将施工完毕的马口铁板置于烘箱内,升温至150℃,2 h 后即可完全固化。
1.4 性能测试
1.4.1 耐高温性
按GB/T 1735—2009 进行涂层耐高温性测试。将涂装耐高温涂料的钢板试片放入烘箱中,从室温升至300℃,保持5 h ;再冷却至室温后取出。用放大镜观察涂层表面状况,如无龟裂、起泡、脱落等现象,即表明涂层耐高温性良好。
1.4.2 耐盐雾性
按GB/T 1771—2007 进行涂层耐盐雾性测试。试验结束后,检查涂层表面状况,如无锈蚀、起泡、脱落等现象,即表明涂层耐盐雾性良好。
1.4.3 耐湿热性
按GB/T 1740—2007 进行涂层耐湿热性测试。试验结束后,检查涂层表面状况,如无锈蚀、起泡、脱落等现象,即表明涂层耐湿热性良好。
1.4.4 力学性能
按GB/T 1720—1979 测定附着力;按GB/T 富锌底漆—1993 测定柔韧性;按GB/T 1732—1993 测定耐冲击性;按GB/T 6739—2006 测定铅笔硬度。
 
2 结果与讨论
2.1 耐高温树脂体系的选择
有机硅树脂以Si—O 键为主链,其键能为443.7 kJ/mol,较C—C 键能347 kJ/mol 高很多。由于Si—O 键极性大,键能高,在高温下不易断裂,提高了树脂的热稳定性。在温度超过有机硅树脂的分解温度时,残余的Si—O 键可与部分Al 及Fe 熔合生成Si—O—Al(Fe)合金层。合金层的形成大大提高了涂层与基材的黏结力,不仅热、氧不易侵入,而且涂层的附着力进一步提高,使其耐高温性大幅提升。但有机硅树脂一般需在高温下才能交联固化,为降低固化温度,一般需进行改性处理。
本研究中,采用环氧改性有机硅树脂。若单独采用化学改性的环氧有机硅树脂,由于环氧值较低,经固化后,交联密度低,涂层较软,容易划伤。为提高涂层硬度,在体系中加入了部分环氧树脂进行物理改性。改性后的体系,其涂层硬度提高,可在较低的温度下固化,且涂层耐高温性仍能满足要求。
2.2 颜填料的选择
2.2.1 铝粉浆
本研究中的涂料用于底面合一的涂层,因此选择使用浮型铝粉浆独立作为一个组分。与非浮型铝粉浆相比,浮型铝粉鳞片可漂浮在涂层上层,能屏蔽底材,还可提高涂层阻隔氧气的能力,从而提高涂层的耐温性和耐蚀性。
铝粉浆的种类很多,其中铝粉鳞片的径厚比和处理方法,都会影响涂层的外观和对杂质粒子的阻隔能力。根据铝粉浆的特点和实践经验,选择常用的工业化品种进行试验,通过对涂层外观、耐水性、耐温性等性能比较,确定了铝粉浆的品种和用量。表2给出了3 种铝粉浆对涂层性能的影响。
3 种铝粉浆对涂层性能的影响
由表2 可见:体系中加入不同铝粉浆,对涂层的外观、耐水性等有较大影响。根据试验结果,选用铝粉浆C 进行试验。当铝粉浆用量为10%~20% 时,效果较好。
2.2.2 其他颜填料
本研究中,防锈颜料选用了复合磷酸盐(磷酸锌和三聚磷酸铝),填料选用滑石粉、云母、沉淀硫酸钡、轻质碳酸钙等。根据颜填料的自身特点,选择了常用且性能稳定的颜填料品种,通过试验,确定了颜填料的用量和比例。
2.3 助剂的选择
2.3.1 铝粉定向剂
在涂料施工后,由于铝粉浆中铝粉鳞片自身径厚比、处理方法不同等原因,虽在涂层中有一定的定向,但仍有较大可能产生排列方向不一致,这会降低涂层的致密性和对杂质粒子的阻隔性。采用一定量的铝粉定向剂,可改善铝粉鳞片的定向性,提高涂层的致密性和耐温性等性能。表3 是铝粉定向剂对涂层性能的影响。
铝粉定向剂对涂层性能的影响
由表3 可见:铝粉定向剂的加入不但改善了涂层的外观,而且提高了涂层的硬度和耐温性。当铝粉定向剂用量为2% 时,涂层性能最佳。继续增加其用量,对涂层性能改善不明显,但会增大涂料黏度,不利于涂料施工。
2.3.2 其他助剂
除铝粉定向剂外,为使各种填料能够更好地分散在树脂中,并提高涂料对底材的附着力,本研究还选择了润湿分散剂;为改善涂层的表面状态,选择了流平剂;为改善涂料的生产状态,选择了消泡剂等等。
2.4 涂层性能
对制备的环氧改性有机硅铝粉涂层进行了性能检测,结果列于表4。由表4 可见:涂层综合性能良好;涂层耐温性良好;涂层硬度高达4H,不易划伤;涂层耐盐雾性优良,达2 000 h 以上;涂层耐湿热性达1 000 h 以上。该涂料已在某高强钢制造的发动机部件上应用。结果表明,涂层工艺性能良好,耐温性达到要求,力学性能和耐蚀性优良,综合性能达到使用要求。
环氧改性有机硅高温铝粉涂层性能检测结果
3 结语
以环氧有机硅树脂为主要成膜物,配以适当的固化剂、功能性颜填料等,制得一种具有良好物理机械性能和防腐蚀性,且在300℃高温下可长期使用的环氧有机硅耐高温铝粉涂料。铝粉可提高涂层的耐高温性和致密性,用量以10%~20% 为宜;铝粉定向剂可改善铝粉的排列分布,从而提高涂层的硬度、致密性、耐温性和防护性能,用量为2% 时,效果最佳。
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