涂料是指通过特殊工艺能对目标物体起到特殊作用(如热防护、抗腐蚀、美化装饰)的固体或液体材料的总称。其中耐高温涂料是指能够在200℃以上对目标物体起到长时间热防护作用,表面无裂纹、起泡和剥离等现象的一类涂层。耐高温涂层按涂层组成分类分为有机耐高温涂层、无机耐高温涂层、有机-无机复合耐高温涂层。
无机耐高温涂料
1、硅酸乙酯涂料
硅酸乙酯涂料主要由无机硅酸盐、有机硅等成分构成。硅酸乙酯涂料具有良好的耐腐蚀、耐酸碱和耐热性能,同时具有较好的附着力和耐候性能。硅酸乙酯涂料的分解温度为200℃-400℃,在一定条件下,分解温度最高可达500℃。以硅酸乙酯和 Si共水解制得的材料为基体,添加一定量的固体树脂和铝粉,制备得到的涂层可在 600℃下长时间服役。硅酸乙酯涂料适用在各种建筑物、船舶、桥梁的表面涂装。
2、硅溶胶涂料
硅溶胶是以 Si-0 化合物为主的无机耐高温涂料,凭借较高的 Si-0 键能,硅溶胶具有优异的热稳定性,但其粘附力较差。通常硅溶胶通过改性以提高粘附力,何岩团队以甲基三甲氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷改性碱性硅溶胶,通过水解-缩聚反应制得了一种耐热温度达 500℃的有机硅改性硅胶。
3、硅酸盐涂料
以水溶性硅酸盐为基料,辅以特殊功能颜填料为硅酸盐涂料。由在无机成分优异的热稳定性能和抗腐蚀性能,性价比高结合性能好而应用广泛。丛鸿达团队用硅酸钾为基料,加以AlH2P3O10、Al2O3、SiC、KAl2(AlSi3O10)(OH)2、YSZ(Y2O3稳定的 ZrO2)、NiCrAlY 制备了一种用在 CB2钢的耐高温防腐蚀涂层,经650°C的水蒸气氧化1000h,基体几乎没有变化。
4、磷酸盐涂料
20世纪 50年代前苏联在耐高温透波材料的研究中,首次使用了磷酸盐耐高温材料。20世纪 90年代,磷酸盐基复合材料可耐1200℃的高温。现在磷酸盐耐高温涂料凭借出色的耐高温性能和毒性低的优点广泛应用在石油化工企业火力发电站,为设施提供高温腐蚀防护。
有机耐高温涂料
1、杂环聚合物涂料
杂环类耐高温涂料在国内外已应用多年,主要用在高温绝缘方面,价格昂贵,贮存性差,对颜料要求严格;有机氟涂料虽然高温防腐性能优越,但不易溶解在溶剂中,即使溶解,其固体含量低,成膜薄,施工不方便,而且有机涂料机械性能不太理想。有机钛涂料发展较晚,制备复杂,应用范围还不广泛。有机硅聚合物自20世纪40年代初实现工业化以后,有机硅耐高温涂料开始发展,目前已发展成为最常用的有机类高温防腐涂料。
杂环聚合物涂料一般为聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜类涂料。聚酰亚胺树脂是一种耐热性能良好、机械强度较高的有机材料。NASA Lewis研究中心利用芳香三胺引入支链改性聚酰亚胺来提高其交联密度,使得改性后的聚酰亚胺的Tg 达到400℃,有效地提高了聚酰亚胺树脂的耐热性。聚苯硫醚是一种含硫的芳香族聚合物,其Tg为88℃,热处理后进一步结晶Tg上升至93℃。聚硫醚低在 400°C稳定性较好,在1000℃下的残留率可达 40%。研究者通过十六烷基三甲基澳化铵下利用静电自组装制备SiC/有机蒙脱石改性聚苯硫醚,其氧化诱导温度较纯聚苯硫醚提高了40.9℃。聚醚Tg为200~220℃,相较在其它有机材料其具有较小的线膨胀系数,且线膨胀系数温度依赖性也小。
2、有机钛涂料
钛金属耐腐蚀性能优良、比强度高、比重轻。但钛金属价格昂贵,有机钛涂料是以钛金属聚合物为填料,混合树脂为基料的一种涂料。其既有钛金属的耐腐蚀性能好的优点,又达到了降低成本的目的。
3、有机氟涂料
因为C-F键的键能为486kJmol远高在C-C键347kJ/mol和 C-H键 413kJ/mol,且氟原子的电负性较大,邻近的原子之间彼此排斥,使得氟原子在锯齿状的C-C主链呈螺旋状排列,对C-C主链形成高度立体的屏蔽作用,进一步提高了氖树脂的稳定性。所以有机氮涂料具有优异的耐腐蚀性能和高温稳定性。
4、有机硅涂料
有机硅树脂中的 Si-0键具有 443 kJ/mol的键能,这比传统的有机树脂的C-C键能要高。这种键中Si和O原子的电负性差异使该键具有更大的极性,从而对羟基官能团提供了更好的氧化保护。此外附着在Si原子上的羟基在受热时经氧化而生成 Si-0-Si键,这种键具有更高的交联稳定性,从而最大限度地减少主键的降解。此外,有机硅树脂的表面形成了富含 Si-O-Si链的保护层减轻了对树脂内部结构的影响。所以这些因素使有机硅树脂具有卓越的耐热性和耐候性性能。