新型烧蚀隔热涂料的研制
齐风杰 李锦文 张俊华 张清辉 高守臻
(山东非金属材料研究所,济南250031)
隔热涂料是一种能够有效阻止热传导,降低涂层表面和内部环境的温度,从而达到改善工作环境、降低能耗的新型功能性涂料。根据隔热方式不同,隔热涂料分为阻隔型隔热涂料、吸热型隔热涂料和烧蚀型隔热涂料3种类型。
阻隔型隔热涂料主要包括陶瓷类隔热涂料等。陶瓷类隔热涂料具有导热系数低、热容高和硬度高等优点,但其成本高、工艺复杂,应用受到限制。吸热型隔热涂料主要包括金属耐高温类隔热涂料等。这些材料都要求具有高比热,在热流苛刻的情况下应用受到限制。烧蚀型隔热涂料是以损耗材料自身来吸收大量的热量,从而阻止热传导到材料的内部结构中,这是应用最广泛的防热方法。烧蚀型隔热涂料一般由有机的耐热性聚合物和无机的耐热性填料组成,采用有机-无机结构相结合的方法来提高材料的隔热、物理机械等性能。本研究以E-20环氧树脂为基体,聚酰胺为固化剂,氢氧化镁和滑石粉为烧蚀吸热填料,阿罗中空玻璃微珠为低传导隔热填料,三氧化二铬为着色剂,制得2种烧蚀隔热涂料,2种烧蚀隔热涂料均具有良好的热性能、常规物理性能和突出的隔热效果,为武器装备的烧蚀隔热选材提供了更大的选择余地。
1 实验部分
1.1 材料
环氧树脂、聚酰胺,无锡树脂厂;氢氧化镁、滑石粉、高岭土、蛭石粉、三氧化二铬,国药集团化学试剂有限公司;阿罗中空玻璃微珠,重庆阿罗科技有限公司;秦皇中空玻璃微珠,秦皇岛秦皇玻璃微珠有限公司。
1.2 仪器
锥形磨(QZM-1型)、电动漆膜附着力试验仪(QFD型)、漆膜冲击试验器(ZXV-24型),天津市材料试验机厂;恒速搅拌器(S212型),上海梅颖浦仪器制造有限公司;综合热分析仪(TG-DSC,TGSTA449C型),德国NETZSCH公司。
1.3 涂料的制备
1.3.1 基体筛选
E型环氧树脂机械强度高、耐热性能优异、密度小和固化收缩率低,在涂料工业中应用最多,包括E-03、E-06、E-12和E-20等。考虑到漆膜不能太软也不能太脆,选用分子量在500以上,1400以下的
环氧树脂,本研究选择E-20环氧树脂为涂料的基体树脂。
1.3.2 涂料的制备
涂料Ⅰ制备工艺如下:称取60g E-20环氧树脂,40g丙酮,30g氢氧化镁,2g三氧化二铬分别倒入塑料杯1并混合均匀,将塑料杯1内的涂料采用研磨机(QZM-1型,中国天津市材料试验机厂)研磨,称取20g丙酮清洗塑料杯1,清洗残液也倒入研磨机,研磨2~3遍后,检测涂料的细度,在细度满足10~30μm 条件下,停止研磨;称取30g阿罗中空玻璃微珠,30g甲苯慢慢倒入盛有涂料的塑料杯1内,充分搅拌15~20min,即制得涂料ⅠA组分,将30g聚酰胺加入A组分中充分搅拌均匀即制得涂料Ⅰ。
涂料Ⅱ制备工艺如下:称取60g E-20环氧树脂,40g丙酮,20g氢氧化镁,10g滑石粉,2g三氧化二铬分别倒入塑料杯1并混合均匀,将塑料杯1内的涂料采用研磨机(QZM-1型,中国天津市材料试验机厂)研磨,称取20g丙酮清洗塑料杯1,清洗残液也倒入研磨机,研磨2~3遍后,检测涂料的细度,在细度满足10~30μm 条件下,停止研磨;称取30g阿罗中空玻璃微珠,30g甲苯慢慢倒入盛有涂料的塑料杯1内,充分搅拌15~20min,即制得涂料ⅡA组分,将30g聚酰胺加入A 组分中充分搅拌均匀,即制得涂料Ⅱ。
1.4 样品的测试
采用电动漆膜附着力试验仪(QFD型,天津市材料试验机厂)对样品的密度、附着力进行测试。采用漆膜冲击试验器(ZXV-24型,天津市材料试验机厂)对样品的耐冲击性能进行测试。采用综合热分析仪(DSC-TG,STA449C 型,德国NETZSCH 公司)对样品的导热系数进行测试。
2 结果与讨论
2.1 烧蚀吸热填料热性能分析
氢氧化镁、滑石粉、高岭土和蛭石粉的DSC曲线见图1。从图可以看出,随着温度的升高,蛭石粉有1个大温度范围的放热峰,不利于烧蚀吸热;高岭土随着温度的升高,变化比较平稳,没有明显的吸热峰和放热峰;氢氧化镁在300℃附近有1个尖锐的吸热峰,滑石粉在700℃附近有1个较宽的吸热峰,因此氢氧化镁和滑石粉适用于烧蚀吸热填料。
氢氧化镁、滑石粉、高岭土和蛭石粉的TG曲线见图2。从图可以看出,随着温度的升高,氢氧化镁和滑石粉的失重较大,氢氧化镁在310℃条件下热重为74%,滑石粉在780℃条件下热重为73%,说明两者在相应温度发生了化学吸热,不是简单的晶型转变等物理吸热。
2.2 低传导隔热填料热性能分析
中空玻璃微珠具有密度低、导热系数低的优点,加入中空玻璃微珠能有效地降低材料的热导率,并能大大降低涂料的消极重量,适于用作低传导隔热填料。本研究优选了阿罗中空玻璃微珠和秦皇中空玻璃微珠2种中空玻璃微珠,借助DSC和TG分析和对比了它们的热性能。阿罗中空玻璃微珠和秦皇中空玻璃微珠的DSC曲线见图3。从图可以看出,阿罗中空玻璃微珠在800℃附近有1个较明显的吸热峰,而随着温度的升高秦皇中空玻璃微珠的DSC曲线变化比较平稳。
阿罗中空玻璃微珠、秦皇中空玻璃微珠的TG曲线见图4。从图可以看出,阿罗中空玻璃微珠整个升温过程热重较小,在800℃条件下热重为97%,性质较稳定,而秦皇中空玻璃微珠整个升温过程中热重呈下降较大态势,在800℃条件下热重为91%,性质不稳定,2种中空玻璃微珠相比较,阿罗中空玻璃微珠更适于用作低传导隔热填料。
2.3 涂料性能分析
以E-20环氧树脂为基体,聚酰胺为固化剂,氢氧化镁和滑石粉为烧蚀吸热填料,阿罗中空玻璃微珠为低传导隔热填料,三氧化二铬为着色剂,设计了2个配方的涂料,即涂料Ⅰ和涂料Ⅱ,对涂料Ⅰ和涂料Ⅱ的热性能、常规物理性能和导热系数进行了研究。
2.3.1 热性能分析
涂料Ⅰ、涂料Ⅱ的DSC曲线见图5。从图可以看出,涂料Ⅰ和涂料Ⅱ的DSC 曲线基本一致,在200℃附近有1个明显的吸热峰,对应氢氧化镁的吸热,800℃附近也有1个明显的吸热峰,对应阿罗中空玻璃微珠的吸热;不同之处主要有2点,一点是200~400℃范围,涂料Ⅰ的吸热峰多,可能是氢氧化镁的含量较高,逐步分解吸热造成的,另一点是800℃附近涂料Ⅱ的吸热峰温度位置比涂料Ⅰ的吸热峰温度位置高,可能是滑石粉和阿罗中空玻璃微珠相互作用导致2个吸热峰合并向高温度位置迁移,从图已经看不到滑石粉的特征吸热峰了,考虑到吸热对烧蚀隔热涂料有利和烧蚀隔热涂料主要用于中低温度场合,涂料Ⅰ显然更适合应用于烧蚀隔热领域。
涂料Ⅰ、涂料Ⅱ的TG 曲线见图6。从图可以看出,在50~200℃,涂料Ⅰ和涂料Ⅱ的热重基本一致,超过200℃后,相同温度下,涂料Ⅱ的热重要小于涂料Ⅰ的热重,在420℃条件下,涂料Ⅰ的热重为58%,涂料Ⅱ的热重为46%,说明涂料Ⅰ比涂料Ⅱ烧蚀隔热效果更好。
2.3.2 常规物理性能分析
2种涂料的常规物理性能和导热系数对比见表2。从表2可知,涂料Ⅰ和涂料Ⅱ均具有良好的常规物理性能和突出的隔热效果,都可以用于烧蚀隔热场合,涂料Ⅰ的密度为1.2g/cm3,导热系数为0.18W/(m·℃)均小于涂料Ⅱ,分别为后者的92.3%和85.7%,更适合用于烧蚀隔热领域。
3 结论
以E-20环氧树脂为基体,氢氧化镁和滑石粉为烧蚀隔热填料,阿罗中空玻璃微珠为低传导隔热填料,制得2种新型烧蚀隔热涂料。研究结果表明:
(1)氢氧化镁、滑石粉、高岭土和蛭石粉4种填料中,氢氧化镁和滑石粉适合用作烧蚀隔热填料;(2)阿罗中空玻璃微珠和秦皇中空玻璃微珠中,阿罗中空玻璃微珠更适合用作低传导隔热填料;(3)制得2种新型烧蚀隔热涂料均具有良好的常规物理性能和突出的隔热效果,都可以用于烧蚀隔热领域,涂料Ⅰ的密度为1.2g/cm3,导热系数为0.18W/(m·℃),均小于涂料Ⅱ,分别为后者的92.3%和85.7%,更适合用于烧蚀隔热领域。