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「摘要」

目的：開發一種具備低VOC含量耐高溫特性的功能涂料，漆膜整體性能優異，滿足綠色環保涂裝要求。

方法：以水性有機硅樹脂、低熔點玻璃粉、納米級氧化鋁、功能助劑為研究對象，研究成膜物類型、納米級氧化鋁用量及功能助劑種類對涂層耐高溫性能、貯存穩定性及施工性能的影響。結合耐溫性、附著力、柔韌性、硬度及鹽霧性等性能考察，確定水性有機硅耐高溫涂料的最佳配方涂料在線coatingol.com。

結果：選用5108有機硅分散體作為成膜物，將BLF350玻璃粉與GT50玻璃粉復配，用量為成膜物總量的25%～35%，選用BYK-190分散劑作為體系潤濕分散劑，LT有機改改膨潤土做為體系流變助劑，7072消泡劑作為體系消泡劑，用量為配方總量的1%，賦與涂料良好的貯存性與施工性 ，并具備較好的耐高溫性能。

結論：本文研制的耐高溫涂料以水為稀釋劑，滿足綠色環保要求，涂層可承受500℃高溫，并具有良好的耐高低溫沖擊性能。

作者| 張靜元 劉湘 劉洋 楊琳娜 胡文霞

來源| 中國兵器工業第五九研究所

引 言

傳統涂料在制造、施工中使用大量有機溶劑，這些溶劑在生產與涂裝過程中將散發到空氣中，對人體健康與環境構成嚴重威脅與污染。隨著人們環保意識的提高及環保法規的不斷完善，對于涂料中有機揮發物含量（VOC）進行規定，致使傳統涂料的使用受到限制。

為適應環保法規要求，水性涂料的研發與應用成為涂料行業發展的一個主要趨勢，在建筑涂料、汽車涂料、木器涂料等領域已實現水性化應用，但在耐高溫涂料中，性能優異的水性化產品應用較少。

耐高溫涂料因其良好的耐熱性能，廣泛應用于高溫設備及配套設施上，隔絕金屬材料與空氣接觸，避免高溫環境對金屬材料的氧化腐蝕。目前，高溫設備的耐高溫防護大多采用溶劑型有機硅耐高溫涂料。

為適應環保要求，本文以水性有機硅樹脂為研究對象，考察納米氧化鋁，玻璃粉，三聚磷酸鋅對耐溫性與鹽霧性能的影響，優化分散劑，消泡劑、流變助劑等功能助劑，得到水性有機硅樹脂配方，其各項性能指標與漆膜溶劑型有機硅耐高溫涂料相當，完全可以取代溶劑型有機硅耐高溫涂料。

實驗部分

① 原材料

SW303有機硅乳液（50%）；5108有機硅分散體（35%）；瓦克50E有機硅樹脂；755W分散潤濕劑；299聚氨酯流變助劑；677消泡劑；104E分散劑；BYK-180分散劑；BYK-190分散劑；銅鉻黑；滑石粉；納米級氧化鋁；BLF350玻璃粉；GT50玻璃粉；三聚磷酸鋅；360基材潤濕劑；FA975腐蝕抑制劑；150堿溶脹增稠劑；LT有機改性膨潤土；去離子水自制。

② 基本配方

有性有機硅耐高溫涂料配方如下表1所示。

③ 制備工藝

a.制備水性色漿

將5108有機硅分散體、755W分散潤濕劑、677消泡劑依次加入去離子水中，啟動高速分散機，轉速300～500r/min，分散5min，在攪拌狀態下加入銅鉻黑、滑石粉、玻璃粉BLF350、GT50玻璃粉、納米級氧化鋁、LT有機改性膨潤土，分散20min，采用砂磨機進行研磨，細度不大于30um。

b.制備色漆

將研磨好的色漿倒入燒杯中，啟動攪拌，轉速300～500r/min，加入299流變助劑、677消泡劑、360基材潤濕劑、FA975腐蝕抑制劑等，攪拌分散20min，出料包裝。

④ 性能測試

使用去離子水作為稀釋劑，加入量為涂料總量的5～15%，采用空氣噴涂，其中，耐溫測試用基材為4mm熱軋鋼板，涂層厚度為40～60um，其它性能測試按GB/T 9271-2008規定制備測試樣板,水性有機硅耐高溫涂料各項性能指標如表2。

結果與討論

① 成膜物設計原則

目前，耐高溫涂料的成膜物主要可分為兩種，一種為溶劑型有機硅樹脂，一種為水溶性無機鹽，如硅酸鹽、磷酸鹽。

無機鹽類耐高溫涂層硬度高，耐溫性強，可達800℃以上，但耐酸堿、耐水性、抗沖擊性、施工性等方面較差，因此，目前，在600℃以下高溫環境中應用的耐高溫涂料成膜物主要以有機硅樹脂為主。鑒于，有機硅樹脂在物理性能及耐溫方面的特點，本文以水性有機硅樹脂為成膜物。

有機硅樹脂的水性化有兩種方式，一種方式將主體樹脂中引入水性化官能團，如-OH、-COOH等，另一種方式采用乳化劑包覆有機硅樹脂，在水中形成穩定的分散體，實驗室選用了四種水性有機硅樹脂進行了對比實驗，實驗結果見下表3。

四種樹脂中，結合高溫后附著力與貯存穩定性考察， 5108有機硅樹脂和W303有機硅樹脂性能較好，將其作為體系成膜物，制備涂層進行測試，實驗結果見表4。

測試表明：兩種樹脂制備的涂層耐溫方面差異并不明顯，均可承受500℃高溫，但在貯存穩定性方面，5108有機硅樹脂表現更為突出，5108有機硅樹脂為一種水溶型樹脂，分子結構中存在較多的-OH基團，可匹配氨基樹脂降低固化溫度。試驗證明，5108有機硅樹脂中加入15%的氨基樹脂，可實現150℃烘烤固化，對于熱容量較大的工件，有利于節能降耗。因此，本文選用5108有機硅樹脂做為成膜物樹脂。

② 功能填料的設計與研究

對于耐高溫涂料而言，配方中填料的使用是決定耐高溫涂料使用性能的關鍵。有機硅樹脂與大多數高分子樹脂相比，耐溫性能優異，但在350℃以上時，也會逐漸發生分解，引起涂層粉化、脫落。但填料搭配得當，完全可以彌補這一不足，其中，使用低熔融點玻璃粉是有機硅高溫漆中一種非常有效的手段。

利用高溫下玻璃粉的熔融彌補有機物分解引起涂層粉化問題，將涂層成膜物由有機物轉變為無機物，其中玻璃粉的熔點是成膜物轉化的關鍵。

本文選用兩種不同融熔溫度的玻璃粉復配，將熔融溫度控制在（300～500）℃，玻璃粉用量對涂料性能的影響見表5。

從表5中知，當玻璃粉含量低于20%時，涂層外觀目測無異常，但易被棉布擦拭脫落，證明經高溫后有機硅樹脂分解，破壞了涂層的連續性，而低熔點的玻璃粉量較少，不足以彌補涂層完整性。

而當低熔點玻璃粉含量達到30%時，涂層經擦拭后無異常，這說明低熔點玻璃粉在高溫中有效替代了分解的有機硅樹脂，從而將顏填料與有機硅樹脂分解產物粘結在一起，使得涂層致密。但當玻璃粉含量達到40%時，涂層反而出現開裂現象，見圖1。

這一現象主要是由于玻璃粉融熔后形成的涂層膨脹系數較低，與鋼鐵基材膨脹系數差異較大，致使涂層出現開裂。

試驗發現：玻璃粉最佳用量為樹脂干量的25%～35%為宜，在這一比例下，即使將涂層在500℃高溫中取出直接浸入冷水，涂層狀態仍然保持完好，見圖2。

鑒于玻璃粉對涂層性能的影響，本文配方中將玻璃粉的用量控制在25%～35%。

③ 功能助劑的設計與研究

水的表面張力較大，且不易揮發，不僅對金屬基材浸潤性差、易生產氣泡，還不易實現涂層的厚涂。同溶劑型涂料體系相比，其應用過程中易出現縮邊、針孔、流掛等漆膜弊病。

為了實現水性涂料的良好性能，本文重點考察了適用于本體系的潤濕分散劑、消泡劑和流變助劑等功能助劑。

a.潤濕分散劑的設計與優化

水性體系中，大多數成膜物呈非連續相，加之水的表面張力影響，體系對顏填料的浸潤性較差，顏填料分散穩定性差，易沉降，通常輔助潤濕分散劑解決該問題，本文選用4種分散劑研磨進行試驗。試驗結果見下表6。

實驗對比發現：755W分散劑表現最差， BYK-180與104E可以用于色漿體系的研磨，但貯存過程中易出現分層或沉降， BYK-190分散劑對提高體系穩定性作用明顯，隨著加量的增大，穩定性逐步增強。

b.流變助劑的設計與優化

由于水的揮發速度較慢，噴涂后濕膜中含水量高，涂層不易一次實現厚涂效果，且極易出現流掛現象。為了提高施工效率，往往需引入流變助劑降低濕膜流動性，同時，流變助劑也會提高產品的粘度，提升貯存穩定性。本文選用3種類型的流變助劑進行測試，結果見表7。

試驗結果表明：150堿溶脹增稠劑與LT有機改性膨潤土兩種流變助劑可以有效提升產品的粘度，相比之下，LT有機改性膨潤土增稠效果更為明顯，在50℃環境中30d未出現沉降，穩定性良好。

c.消泡劑的設計與優化

水性涂料中使用大量表面活性物質，致使涂料本身就存在容易起泡的內部因素，而生產與施工過程中的剪切、攪拌等因素都會導致泡沫的產生。因此，消泡劑的使用在水性涂料配方中是必不可少的。試驗中選用四種消泡劑進行了考察，實驗情況見表8。

實驗結果表明：677消泡劑與DF70消泡劑在該體系中易產生縮孔，2508消泡劑有較好的消泡效果，但與體系相容性差，出現發花現象。7072消泡劑消泡效果顯著，同時不產生其它表面缺陷。因此，可選用7072消泡劑作為本水性體系的消泡劑。

結 論

1、本文研制的耐高溫涂料采用水性5108有機硅樹脂作為成膜物，以水作為稀釋劑，VOC含量低，滿足綠色環保涂裝要求。

2、通過兩種低熔點玻璃粉的復配，涂層可承受500℃高溫，無粉化、開裂、脫落現象。

3、通過對體系潤濕分散劑、流變助劑及消泡劑等功能助劑的優化，涂層施工性與貯存穩定性良好。