CN110479564A - 一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于发动机排气管、高温蒸汽管道等高温部件的耐高温隔热涂层，具体的是一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层。所述涂层由特种耐高温隔热涂层经高温处理原位陶瓷化后形成，所述特种耐高温隔热涂料由耐高温聚硅氧烷(100份)、成瓷填料(10‑50份)、助熔剂(1‑10份)、隔热填料(15‑60份)、增强填料(5‑40份)、耐热稳定剂(1‑10份)等组成。该原位陶瓷化耐高温隔热涂层具有良好的隔热性，且具有比有机隔热涂层更优的耐高温性能、比无机耐高温涂层更优的耐热震性能、附着力，可应用于温度变化较快的高温部位，对高温部位长时间隔热保护。

Description

一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备及工艺

技术领域

本发明属于功能涂料领域，涉及一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备及工艺。该涂料可用于发动机部位、工业锅炉、高温蒸汽管道等高温领域。

背景技术

耐高温隔热涂料在保温节能、隔热防热领域具有重要应用价值，根据成膜物可以划分为有机耐高温隔热涂料和无机耐高温隔热涂料两大类；根据隔热涂层发挥隔热效果的时间可分为短时(几分钟到几十分钟，伴随涂层发生物理化学变化)隔热和长时(几十分钟以上且长时间保持隔热效果)隔热。一般有机耐高温隔热涂层的耐热温度低于500℃，在此温度之上，有机耐高温隔热涂层只能短时发挥隔热效果，例如专利CN102863895A等中所描述的耐高温隔热涂层。无机耐高温隔热涂层耐热温度可到1000℃以上，但无机隔热涂层的附着力低、耐温度冲击性能较差，在温度变化过程中易发生开裂脱落的现象。因此，现有的耐高温隔热涂料不适用于发动机排气管、高温蒸汽管道等温度变化相对较大的高温部件的长时间隔热。

为解决上述问题，采用聚硅氧烷隔热涂料进行原位陶瓷化形成耐高温隔热涂层的方法，陶瓷化之后具备良好的耐高温性同时在烧结过程中与金属基材产生较强的附着力。然而，目前关于有机硅陶瓷化的专利多是集中于实现更低温陶瓷化转变(如CN15924979 A等)，而与隔热相关的则主要通过陶瓷化过程中形成气孔进行隔热，在这个过程中伴随较大的体积收缩，无法应用于制备原位陶瓷化耐高温隔热涂层。

本发明的益处在于具有比有机隔热涂层更优的耐高温性能、比无机耐高温涂层更优的耐热震性能、附着力，适用于发动机排气管、高温蒸汽管道等温度变化相对较大的高温部件的长时间隔热，通过配套面漆之后，还可用于海洋环境下高温部位的隔热防护，例如舰船上高温蒸汽管道；同时该涂层具有陶瓷化体积变化小(内应力低)的特点对高气动加热表面热防护有借鉴意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的原位陶瓷化耐高温隔热涂层，该涂层可在400-900℃加热条件下形成陶瓷化隔热层，涂层陶瓷化后基本不发生体积变化，而且能够在曲面上保持原涂层状态、不发生开裂脱落等问题，陶瓷化后涂层耐温可达1000℃，且具备良好的隔热性和温度冲击性，适用于发动机排气管、高温蒸汽管道等温度变化相对较大的高温部件的长时间隔热。

本发明所述原位陶瓷化耐高温隔热涂层是由特种耐高温隔热涂料经刷涂(或喷涂)、固化再经高温(400-900℃)处理陶瓷化成型。特种耐高温隔热涂料是由A、B和C三组分构成，其中A组分由耐高温聚硅氧烷(100份)、成瓷填料(10-50份)、助熔剂(1-10份)、隔热填料(15-60份)、增强填料(5-40份)、耐热稳定剂(1-10份)以及稀释剂组成，B和C组分则分别由固化剂和催化剂组成。

所述的耐高温聚硅氧烷是指二苯基硅橡胶或甲基苯基硅树脂，所述的二苯基硅橡胶，苯基/Si比为0.12-0.3，更优地，所选的二苯基硅橡胶的苯基/Si比为0.15-0.2，其结构为：

其中，n＝100-600,m＝9-80。

所选的甲基苯基硅树脂的苯基含量为：0.4-0.7、R/Si比为：1.2-1.7，更优地，所选的甲基苯基硅树脂中苯基含量为：0.5-0.6、R/Si比为：1.4-1.6，其结构片段如下所示：

所述的成瓷填料是由碳化硅、二氧化硅、云母粉、滑石粉、硅灰石中的一种或多种复配组成，具体地，碳化硅(0-10份)、二氧化硅(10-20份)、云母粉(0-10份)、滑石粉(0-10份)、硅灰石(0-10份)。添加成瓷填料可提高成瓷聚合物的热稳定性，并且可在聚合物降解后可形成骨架材料。更优地，成瓷填料的添加量为15-40份。

所述的助熔剂为低熔点玻璃粉、硼砂、铅丹中的一种或两种以上的复配，适量助熔剂的添加有利于二次成膜，但添加量过多会导致涂层在热处理过程中收缩，更优地，助熔剂的添加量为1-5份。

所述的隔热填料是空心玻璃微珠、玻化空心微珠、陶瓷空心微珠、二氧化硅气凝胶中的至少一种，中空微球的加入可有效降低涂层的导热系数，同时微球的堆积空隙可为降解气体的挥出提供路径，并为陶瓷化涂层提供有效骨架，降低涂层的体积收缩。隔热填料的粒径、导热系数和物性有差异，苯基硅橡胶为基体时优选中空微珠为隔热填料，根据涂层的导热系数和热处理的特性，更优地，添加量为20-50份；甲基苯基硅树脂为成膜物时，优选亲水性二氧化硅气凝胶作为隔热填料，优选添加量为10-25份。

所述的增强剂为复配无机纤维，具体地，硅酸铝纤维(0-15份)、二氧化硅纤维(0-10份)、玻璃纤维(0-10份)、六钛酸钾晶须(0-30份)，复配无机纤维形成三维骨架，可提高涂层热稳定性、降低密度，同时还可有效降低涂层的线性膨胀系数从而降低涂层在热处理过程中发生开裂的风险。更优地，增强剂添加量为10-30份。

所述的耐热稳定剂可与成膜物中残余或热分解中产生的Si-OH反应，有助于涂层的陶瓷产率提高，并改善陶瓷材料的综合性能。具体地，可添加纳米铝粉、二氧化钛粉末、氧化铁粉末等，可以添加一种或者多种复配。更优地，耐热稳定剂添加量为3-8份。

所述的B组分(固化剂)用于聚硅氧烷成膜物的交联，具体地，可选用正硅酸乙酯、甲基乙氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、烷氧基钛化合物等，用量为5-10份。

所述的C组分(催化剂)用于催化聚硅氧烷的交联反应，降低固化温度，可采用金属羧酸盐类，例如辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、二乙基二辛酸锡等，用量为0.3-0.8份。

所述的分散共混是根据填料的性质和分散要求采用相应分散方法进行分散，具体地，成瓷填料、助熔剂、耐热稳定剂采用研磨分散，转速为1000-2000rpm，更优选地为1500-2000rpm，增强填料和隔热填料采用高速搅拌分散，转速为2000-3000rpm，更优选地为2500-3000rpm。

所述的高温处理是聚硅氧烷完成有机无机化转变以及涂层最终形成陶瓷的过程，采用分段加热的方式，具体地，400-500℃/30min，600-700℃/10min，800-900℃/30min，最后关闭加热，缓慢冷却至室温。

原位陶瓷化耐高温隔热涂层在热处理之前涂层的导热系数为0.05-0.12W/(m·K)，涂层经过热处理陶瓷化之后的导热系数为0.07-0.15W/(m·K)，可见陶瓷化涂层具备良好的隔热性。陶瓷化后，涂层与金属基材的附着力≤1级(划格法)。

附图说明

图1为原位陶瓷化耐高温隔热涂层的表观(实施例1，陶瓷化前后，曲面)。

图2为特种耐高温隔热涂层(实施例1)分别经过高温600℃/10min和800℃/10min热处理后的X-射线衍射(XRD)谱图。

具体实施方法

以下具体实施例进一步说明本发明的内容，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层是由特种耐高温隔热涂料1经刷涂、固化、高温陶瓷化处理成型的。特种耐高温隔热涂料1的具体配方为：(1)A组分：甲基苯基硅橡胶(苯基/Si比为0.2，100份)、白炭黑(25份)、铁红(3份)、碳纤维(1份)、中空玻璃微珠S(40份)、二氧化硅纤维(18份)、二甲苯适量；(2)B组分：正硅酸乙酯(5份)、二甲苯适量；(3)C组分：二月桂酸二丁基锡(0.3份)。

上述特种耐高温隔热涂料A组分的具体制备方法如下：(1)按照配方称量硅橡胶、白炭黑、铁红，共混后采用蓝式砂磨机进行研磨，研磨速度采用1500-2000rpm，研磨时间为60min；(2)将称量好的二氧化硅纤维、碳纤维和中空玻璃微珠高速分散于上述研磨浆料中，采用高速分散机进行分散，分散速度为2000-2500rpm，时间为30min。

上述陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法如下：(1)将上述制备的A和B、C组分共混、搅拌均匀之后，刷涂于不锈钢异型件(曲面)，室温表干后(2h)，置于烘箱中80℃加热固化及干燥(12h)，固化后干膜厚度约0.98mm。(2)将上述带有涂层的不锈钢异型件置于马弗炉中，经过450℃/30min→600℃/10min→800℃/30min的高温加热处理，之后关闭马弗炉自然冷却降温，最后得到陶瓷化涂层，陶瓷化涂层厚度1.01mm，涂层完整，无开裂、脱落，涂层陶瓷化前后的表观如附图1所示。并对特种耐高温隔热涂层1分别经过高温600℃/10min和800℃/10min热处理后的样品进行XRD表征，其XRD谱图如附图2所示，从峰的变化和热处理后的样品的XRD峰位可以分析该热处理条件可以实现陶瓷化。

采用上述制备流程，采用喷涂，制备厚度1.2mm陶瓷化涂层片，用于测试导热系数，具体数据如附表1所示。

采用马弗炉作为热源，马弗炉温度稳定至700℃后放入带有陶瓷化耐高温隔热涂层的铸铁样件，持续加热15min后，立即取出置于室温15min，如此循环三次，观察涂层的耐温度冲击性(耐热震性)，发现陶瓷化涂层具有良好的耐温度冲击性。

采用马弗炉作为热源，马弗炉温度稳定至900℃后放入带有陶瓷化耐高温隔热涂层的铸铁样件，持续加热30min后，观察涂层耐温性，发现涂层耐高温性优良。

采用马弗炉作为热源，马弗炉温度稳定至900℃后，将不锈钢板挡在马弗炉门口，采用红外测温仪测试钢板表面温度，计算得到不带陶瓷化涂层钢板与带有陶瓷化涂层钢板表面温度之差即为隔热性能。

实施例2

一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层是由特种耐高温隔热涂料2经刷涂、固化、高温陶瓷化处理成型的。特种耐高温隔热涂料2的具体配方为：(1)A组分：甲基苯基硅橡胶(苯基/Si比为0.17，100份)、白炭黑(15份)、铁红(3份)、硅灰石(10份)、云母粉(5份)、玻璃粉(熔点650℃，2份)、中空玻璃微珠K(10份)、中空玻璃微珠S(40份)、二氧化硅纤维(18份)、二甲苯适量；(2)B组分：甲基乙氧基硅烷(8份)、二甲苯适量；(3)C组分：二月桂酸二丁基锡(0.5份)。

上述特种耐高温隔热涂料A组分的具体制备方法如下：(1)按照配方称量硅橡胶、白炭黑、铁红、硅灰石、云母粉，共混后采用蓝式砂磨机进行研磨，研磨速度采用1500-2000rpm，研磨时间为60min；(2)将称量好的二氧化硅纤维、中空玻璃微珠K、中空玻璃微珠S高速分散于上述研磨浆料中，采用高速分散机进行分散，分散速度为2000-2500rpm，时间为30min。

上述陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法如下：(1)将上述制备的A和B、C组分共混、搅拌均匀之后，刷涂于不锈钢异型件(曲面)，室温表干后(2h)，置于烘箱中80℃加热固化及干燥(12h)，固化后干膜厚度约0.90mm。(2)将上述带有涂层的不锈钢异型件置于马弗炉中，经过400℃/30min→650℃/10min→800℃/30min的高温加热处理，之后关闭马弗炉自然冷却降温，最后得到陶瓷化涂层，陶瓷化涂层厚度0.95mm，涂层完整，无开裂、脱落。

该陶瓷化耐高温隔热涂层的具体数据如附表1所示，具体测试方式如实施例1中所示。

实施例3

一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层是由特种耐高温隔热涂料3经刷涂、固化、高温陶瓷化处理成型的。特种耐高温隔热涂料3的具体配方为：(1)A组分，甲基苯基有机硅树脂(苯基含量为：0.53、R/Si比为：1.4，100份)、白炭黑(15份)、云母粉(8份)、滑石粉(2份)、硅灰石(10份)、玻璃粉(熔点650℃，2份)、纳米铝粉末(3份)、中空玻璃微珠K(20份)、中空玻璃微珠S(30份)、硅酸铝纤维(15份)、二氧化硅纤维(5份)、二甲苯适量；(2)B组分：正硅酸乙酯(5份)、二甲苯适量；(3)C组分：二月桂酸二丁基锡(0.3份)。

上述特种耐高温隔热涂料A组分的具体制备方法如下：(1)按照配方称量硅树脂、白炭黑、云母粉、滑石粉、硅灰石和玻璃粉，共混后采用蓝式砂磨机进行研磨，研磨速度采用1500-2000rpm，研磨时间为60min；(2)将称量好的纳米铝粉末、硅酸铝纤维、二氧化硅纤维、中空玻璃微珠K和中空玻璃微珠S高速分散于上述研磨浆料中，采用高速分散机进行分散，分散速度为2000-2500rpm，时间为30min。

上述陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法如下：(1)将上述制备的A和B、C组分共混、搅拌均匀之后，刷涂于不锈钢异型件(曲面)，室温表干后(2h)，置于烘箱中120℃加热固化(5h)，固化后干膜厚度约1.03mm。(2)将上述带有涂层的不锈钢异型件置于马弗炉中，经过500℃/30min→600℃/10min→800℃/30min的高温加热处理，之后关闭马弗炉自然冷却降温，最后得到陶瓷化涂层，陶瓷化涂层厚度1.01mm，涂层完整，无开裂、脱落。

该陶瓷化耐高温隔热涂层的具体数据如附表1所示，具体测试方式如实施例1中所示。

实施例4

一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层是由特种耐高温隔热涂料4经刷涂、固化、高温陶瓷化处理成型的。特种耐高温隔热涂料4的具体配方为：(1)A组分，甲基苯基有机硅树脂(苯基含量为：0.55、R/Si比为：1.5，100份)、白炭黑(15份)、云母粉(5份)、滑石粉(2份)、硅灰石(10份)、玻璃粉(熔点650℃，1份)、铁红(6份)、二氧化硅气凝胶(20份)、中空玻璃微珠S(20份)、硅酸铝纤维(25份)、二甲苯适量。

上述特种耐高温隔热涂料A组分的具体制备方法如下：(1)按照配方称量硅树脂、白炭黑、云母粉、滑石粉、硅灰石和玻璃粉，共混后采用蓝式砂磨机进行研磨，研磨速度采用1500-2000rpm，研磨时间为60min；(2)将称量好的铁红、硅酸铝纤维、二氧化硅气凝胶和中空玻璃微珠S高速分散于上述研磨浆料中，采用高速分散机进行分散，分散速度为2000-2500rpm，时间为30min。上述陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法如下：(1)将上述制备的A和B、C组分共混、搅拌均匀之后，刷涂于不锈钢异型件(曲面)，室温表干后(2h)，置于烘箱中120℃加热固化(5h)，固化后干膜厚度约1.03mm。(2)将上述带有涂层的不锈钢异型件置于马弗炉中，经过500℃/30min→700℃/10min→800℃/30min的高温加热处理，之后关闭马弗炉自然冷却降温，最后得到陶瓷化涂层，陶瓷化涂层厚度1.01mm，涂层完整，无开裂、脱落。

该陶瓷化耐高温隔热涂层的具体数据如附表1所示，具体测试方式如实施例1中所示。

对比例1

本实施例提供一种可瓷化耐烧蚀硅橡胶复合材料涂层的制备方法，其中涂层的组分及含量如下表1所示，涂层的制备方法包括如下步骤：

采用电子天平称取苯基硅橡胶100克、气相二氧化硅50克、碳酸钙10克、云母5克、氧化铝2克、空心玻璃微球20克、硼酸锌5克以及氧化锂10克，在开炼机上将上述胶料混合均匀后得到粘稠膏状的混炼胶。采用电子天平称取二甲苯220克、正硅酸乙酯6克、辛酸亚锡2克加入混炼胶中，采用机械搅拌的方式将其分散均匀，制成颜色均匀的硅橡胶涂料。把喷枪清洗干净，将配制好的涂料倒入喷壶中开始喷涂，推荐喷涂压力为0.4-0.8MPa，喷枪距离工件表面的垂直距离为150-200mm。将其喷涂于不锈钢异型件，固化后采用实施例1中相同高温处理方式，涂层经高温陶瓷化处理后，涂层发生破裂，部分涂层脱离基体，轻轻敲打不锈钢异型件，涂层基本全部剥落，具体结果如表1所示。

表1 实施例1-4中陶瓷化耐高温隔热涂层的性能对比

注：a高温处理后不完整未进行后续测试。

Claims (10)

1.一种原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，由特种耐高温隔热涂料经涂覆、固化再经高温处理陶瓷化成型后得到，所述特种耐高温隔热涂料是由A、B和C三组分构成，其中A组分由耐高温聚硅氧烷100份、成瓷填料10-50份、助熔剂1-10份、隔热填料15-60份、增强填料5-40份、耐热稳定剂1-10份以及稀释剂组成，B和C组分则分别由固化剂和催化剂组成。

2.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的耐高温聚硅氧烷为二苯基硅橡胶或甲基苯基硅树脂。

3.根据权利要求2所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的二苯基硅橡胶，苯基/Si比为0.12-0.3，优选苯基/Si比为0.15-0.2，其结构为：

其中，n＝100-600,m＝9-80。

4.根据权利要求2所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所选的甲基苯基硅树脂的苯基含量为：0.4-0.7、R/Si比为：1.2-1.7，优选苯基含量为：0.5-0.6、R/Si比为：1.4-1.6，其结构片段如下所示：

5.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的成瓷填料是由碳化硅、二氧化硅、云母粉、滑石粉、硅灰石复配组成，成瓷填料的添加量为15-40份。

6.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的助熔剂为低熔点玻璃粉、硼砂、铅丹中的一种或两种以上的复配，助熔剂的添加量为1-5份。

7.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的隔热填料是空心玻璃微珠、玻化空心微珠、陶瓷空心微珠、二氧化硅气凝胶中的至少一种，添加量为10-25份，所述的增强剂为硅酸铝纤维、二氧化硅纤维、玻璃纤维、六钛酸钾晶须中至少两种复配无机纤维，添加量为10-30份，所述的耐热稳定剂为纳米铝粉、二氧化钛粉末、氧化铁粉末一种或者多种复配，添加量为3-8份。

8.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的高温处理耐高温聚硅氧烷采用分段加热的方式，具体地，400-500℃/30min，600-700℃/10min，800-900℃/30min，最后关闭加热，缓慢冷却至室温。

9.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的B组分用于聚硅氧烷成膜物的交联，选用正硅酸乙酯、甲基乙氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、烷氧基钛化合物，用量为5-10份，所述的C组分可采用金属羧酸盐类催化剂，用量为0.3-0.8份。

10.根据权利要求1所述的原位陶瓷化耐高温隔热涂层的制备方法，其特征在于，由所述制备方法得到原位陶瓷化耐高温隔热涂层。