含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料制备及施工工艺的研究

王志强1，胥卫奇1，王国志1，腾瑞2，刘文兴1，李洁1
（1.北方涂料工业研究设计院，兰州730020; 2.西安航空发动机（集团）公司，西安710021）

1 引言
每年金属腐蚀都会造成很大的经济损失，特别是在高温、高湿、高腐蚀的环境中，如：涡轮机叶片、燃气轮机压缩机、发动机、生物燃料的加热系统、锅炉燃烧系统、过热管、焚秽炉管道和墙壁等。其中金属工件的腐蚀尤为严重，带来的损失也不仅仅是金属材料的损失，还影响和制约着其它关键技术能否广泛地应用于工业生产和国防建设领域。在国外，20 世纪50 年代就已经开发了性能优异的用于“三高”环境的防腐蚀涂料品种，其中具代表性的是Sermatech International 公司的磷酸盐系列耐高温防腐蚀涂料品种。该系列涂料用水作为溶剂，含有部分特种性能的金属粉体（常用的金属粉体为球形铝粉）。其主要以喷涂工艺施工为主，通过高温固化后获得的涂层性能十分优异，产品具有较高的技术含量，广泛应用于具有特殊要求的工业领域，因只有该公司掌握着关键技术，所以产品价格昂贵。北方涂料工业研究设计院先后研制了含铝水基耐高温防腐蚀涂料和与之配套使用的无机耐高温防腐蚀系列涂料。该类涂料有良好的耐高温（600 ℃，1 000 h）、耐盐雾（1 000 h）、耐高湿、耐燃油、耐滑油等性能，且与金属底材有良好的匹配性。但是在含铝水基耐高温防腐蚀涂料的施工过程中发现，涂料中水和部分助剂的用量对于施工环境非常敏感，影响到涂料的施工工艺和终性能。本文主要讨论含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料中部分原材料的用量、助剂的种类和用量以及施工环境对涂料施工工艺和终性能的影响，并总结了简单实用的涂料制备方案以及相应的施工工艺。

2 试验部分
2.1 原料
试验用主要原料见表1。

2.2 合成工艺
黏结剂的制备：让过量的磷酸和氧化锌、氢氧化铝在水中反应生成磷酸二氢盐的水溶液，待反应体系的温度低于30 ℃时加入铝粉、水性润湿分散剂和其它助剂，高速分散后过滤包装。
2.3 施工工艺
传统的含铝磷酸盐耐高温防腐蚀涂料的施工工艺：施工环境温度为15 ～ 30 ℃、相对湿度为35% ～60%，金属底材严格除油除锈（推荐喷砂处理）。将涂料喷涂于金属底材上，表干后于（85±5）℃烘箱中烘烤20～ 60 min，再放置到（340±10）℃的高温中30 ～ 60 min，后在（550±10）℃固化2 h。一道喷涂涂层厚度为25～ 30 μm，传统的该类涂料如果需要大于30 μm 的涂层，则需在涂料固化后重复上述施工工艺。施工周期长且对能源的消耗也大，因此在实际施工时总结了如下工艺：金属底材严格除油除锈（推荐喷砂处理），将涂料喷涂于金属底材上，第1 道喷涂厚度为25 ～ 30 μm，表干后喷涂第2 道，厚度为20 ～ 25 μm，表干后喷涂第3道，厚度约为17 μm，待涂层完全表干后于（85±5）℃烘箱中烘烤20 ～ 60 min，再放置到（340±10）℃的高温中30 ～ 60 min，后在（550±10）℃固化2 h。这样涂层总厚度在62 ～ 77 μm，如果需要更厚的涂层则需要重复上述施工工艺。

3 结果与讨论
3.1 水的用量对含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响
水的用量对于含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响见表2。

在本涂料中水是溶剂，同时也给其它成分提供了一个水溶液反应的环境。在溶液反应中，反应物和生成物的浓度对于反应平衡有很大的影响，在本涂料中存在酸碱反应平衡和氧化还原反应平衡，而水的用量直接决定了各反应物和生成物的浓度，影响化学平衡的移动方向，从而也影响了涂料的附着力和表干速率。该涂料喷涂到底材上时，底材会与涂料中的氢离子发生置换反应。表干时间太快，涂料中氢离子和底材反应时间较短，局部形成的化学键较少，涂层的附着力较差；表干时间太长，涂料中氢离子和底材反应时间较长，涂料对底材形成了腐蚀，降低了涂料的附着力；同时这种反应又能加速表干，反应速率快，表干速率也快。通过大量试验和上述数据证明本涂料中水的用量非常严格，在不使用其它助剂的条件下，必须控制在（28.0±0.2）%。
3.2 助剂种类对含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响
助剂种类对于含铝水基耐高温涂料施工工艺和涂层性能的影响见表3 和表4。
表3 助剂种类对涂料施工工艺和涂层性能的影响