可承受500℃高温的低VOC水性涂料的研制

作者| 张静元 刘湘 刘洋 杨琳娜 胡文霞

来源| 中国兵器工业第五九研究所

引 言

传统涂料在制造、施工中使用大量有机溶剂，这些溶剂在生产与涂装过程中将散发到空气中，对人体健康与环境构成严重威胁与污染。随着人们环保意识的提高及环保法规的不断完善，对于涂料中有机挥发物含量（VOC）进行规定，致使传统涂料的使用受到限制。

为适应环保法规要求，水性涂料的研发与应用成为涂料行业发展的一个主要趋势，在建筑涂料、汽车涂料、木器涂料等领域已实现水性化应用，但在耐高温涂料中，性能优异的水性化产品应用较少。

耐高温涂料因其良好的耐热性能，广泛应用于高温设备及配套设施上，隔绝金属材料与空气接触，避免高温环境对金属材料的氧化腐蚀。目前，高温设备的耐高温防护大多采用溶剂型有机硅耐高温涂料。

为适应环保要求，本文以水性有机硅树脂为研究对象，考察纳米氧化铝，玻璃粉，三聚磷酸锌对耐温性与盐雾性能的影响，优化分散剂，消泡剂、流变助剂等功能助剂，得到水性有机硅树脂配方，其各项性能指标与漆膜溶剂型有机硅耐高温涂料相当，完全可以取代溶剂型有机硅耐高温涂料。

① 原材料

SW303有机硅乳液（50%）；5108有机硅分散体（35%）；瓦克50E有机硅树脂；755W分散润湿剂；299聚氨酯流变助剂；677消泡剂；104E分散剂；BYK-180分散剂；BYK-190分散剂；铜铬黑；滑石粉；纳米级氧化铝；BLF350玻璃粉；GT50玻璃粉；三聚磷酸锌；360基材润湿剂；FA975腐蚀抑制剂；150碱溶胀增稠剂；LT有机改性膨润土；去离子水自制。

② 基本配方

有性有机硅耐高温涂料配方如下表1所示。

③ 制备工艺

a.制备水性色浆

将5108有机硅分散体、755W分散润湿剂、677消泡剂依次加入去离子水中，启动高速分散机，转速300～500r/min，分散5min，在搅拌状态下加入铜铬黑、滑石粉、玻璃粉BLF350、GT50玻璃粉、纳米级氧化铝、LT有机改性膨润土，分散20min，采用砂磨机进行研磨，细度不大于30um。

b.制备色漆

将研磨好的色浆倒入烧杯中，启动搅拌，转速300～500r/min，加入299流变助剂、677消泡剂、360基材润湿剂、FA975腐蚀抑制剂等，搅拌分散20min，出料包装。

④ 性能测试

使用去离子水作为稀释剂，加入量为涂料总量的5～15%，采用空气喷涂，其中，耐温测试用基材为4mm热轧钢板，涂层厚度为40～60um，其它性能测试按GB/T 9271-2008规定制备测试样板,水性有机硅耐高温涂料各项性能指标如表2。

① 成膜物设计原则

目前，耐高温涂料的成膜物主要可分为两种，一种为溶剂型有机硅树脂，一种为水溶性无机盐，如硅酸盐、磷酸盐。

无机盐类耐高温涂层硬度高，耐温性强，可达800℃以上，但耐酸碱、耐水性、抗冲击性、施工性等方面较差，因此，目前，在600℃以下高温环境中应用的耐高温涂料成膜物主要以有机硅树脂为主。鉴于，有机硅树脂在物理性能及耐温方面的特点，本文以水性有机硅树脂为成膜物。

有机硅树脂的水性化有两种方式，一种方式将主体树脂中引入水性化官能团，如-OH、-COOH等，另一种方式采用乳化剂包覆有机硅树脂，在水中形成稳定的分散体，实验室选用了四种水性有机硅树脂进行了对比实验，实验结果见下表3。

四种树脂中，结合高温后附着力与贮存稳定性考察， 5108有机硅树脂和W303有机硅树脂性能较好，将其作为体系成膜物，制备涂层进行测试，实验结果见表4。

测试表明：两种树脂制备的涂层耐温方面差异并不明显，均可承受500℃高温，但在贮存稳定性方面，5108有机硅树脂表现更为突出，5108有机硅树脂为一种水溶型树脂，分子结构中存在较多的-OH基团，可匹配氨基树脂降低固化温度。试验证明，5108有机硅树脂中加入15%的氨基树脂，可实现150℃烘烤固化，对于热容量较大的工件，有利于节能降耗。因此，本文选用5108有机硅树脂做为成膜物树脂。

② 功能填料的设计与研究

对于耐高温涂料而言，配方中填料的使用是决定耐高温涂料使用性能的关键。有机硅树脂与大多数高分子树脂相比，耐温性能优异，但在350℃以上时，也会逐渐发生分解，引起涂层粉化、脱落。但填料搭配得当，完全可以弥补这一不足，其中，使用低熔融点玻璃粉是有机硅高温漆中一种非常有效的手段。

利用高温下玻璃粉的熔融弥补有机物分解引起涂层粉化问题，将涂层成膜物由有机物转变为无机物，其中玻璃粉的熔点是成膜物转化的关键。

本文选用两种不同融熔温度的玻璃粉复配，将熔融温度控制在（300～500）℃，玻璃粉用量对涂料性能的影响见表5。

从表5中知，当玻璃粉含量低于20%时，涂层外观目测无异常，但易被棉布擦拭脱落，证明经高温后有机硅树脂分解，破坏了涂层的连续性，而低熔点的玻璃粉量较少，不足以弥补涂层完整性。

而当低熔点玻璃粉含量达到30%时，涂层经擦拭后无异常，这说明低熔点玻璃粉在高温中有效替代了分解的有机硅树脂，从而将颜填料与有机硅树脂分解产物粘结在一起，使得涂层致密。但当玻璃粉含量达到40%时，涂层反而出现开裂现象，见图1。

这一现象主要是由于玻璃粉融熔后形成的涂层膨胀系数较低，与钢铁基材膨胀系数差异较大，致使涂层出现开裂。

试验发现：玻璃粉最佳用量为树脂干量的25%～35%为宜，在这一比例下，即使将涂层在500℃高温中取出直接浸入冷水，涂层状态仍然保持完好，见图2。

鉴于玻璃粉对涂层性能的影响，本文配方中将玻璃粉的用量控制在25%～35%。

③ 功能助剂的设计与研究

水的表面张力较大，且不易挥发，不仅对金属基材浸润性差、易生产气泡，还不易实现涂层的厚涂。同溶剂型涂料体系相比，其应用过程中易出现缩边、针孔、流挂等漆膜弊病。

为了实现水性涂料的良好性能，本文重点考察了适用于本体系的润湿分散剂、消泡剂和流变助剂等功能助剂。

a.润湿分散剂的设计与优化

水性体系中，大多数成膜物呈非连续相，加之水的表面张力影响，体系对颜填料的浸润性较差，颜填料分散稳定性差，易沉降，通常辅助润湿分散剂解决该问题，本文选用4种分散剂研磨进行试验。试验结果见下表6。

实验对比发现：755W分散剂表现最差， BYK-180与104E可以用于色浆体系的研磨，但贮存过程中易出现分层或沉降， BYK-190分散剂对提高体系稳定性作用明显，随着加量的增大，稳定性逐步增强。

b.流变助剂的设计与优化

由于水的挥发速度较慢，喷涂后湿膜中含水量高，涂层不易一次实现厚涂效果，且极易出现流挂现象。为了提高施工效率，往往需引入流变助剂降低湿膜流动性，同时，流变助剂也会提高产品的粘度，提升贮存稳定性。本文选用3种类型的流变助剂进行测试，结果见表7。

试验结果表明：150碱溶胀增稠剂与LT有机改性膨润土两种流变助剂可以有效提升产品的粘度，相比之下，LT有机改性膨润土增稠效果更为明显，在50℃环境中30d未出现沉降，稳定性良好。

c.消泡剂的设计与优化

水性涂料中使用大量表面活性物质，致使涂料本身就存在容易起泡的内部因素，而生产与施工过程中的剪切、搅拌等因素都会导致泡沫的产生。因此，消泡剂的使用在水性涂料配方中是必不可少的。试验中选用四种消泡剂进行了考察，实验情况见表8。

实验结果表明：677消泡剂与DF70消泡剂在该体系中易产生缩孔，2508消泡剂有较好的消泡效果，但与体系相容性差，出现发花现象。7072消泡剂消泡效果显著，同时不产生其它表面缺陷。因此，可选用7072消泡剂作为本水性体系的消泡剂。

1、本文研制的耐高温涂料采用水性5108有机硅树脂作为成膜物，以水作为稀释剂，VOC含量低，满足绿色环保涂装要求。

2、通过两种低熔点玻璃粉的复配，涂层可承受500℃高温，无粉化、开裂、脱落现象。

3、通过对体系润湿分散剂、流变助剂及消泡剂等功能助剂的优化，涂层施工性与贮存稳定性良好。

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