室温固化硅酸盐耐高温防腐蚀涂料的研制

施颖波，王志强，杨阳，魏超，周敏

（中昊北方涂料工业研究设计院有限公司，兰州）

摘要：主要描述一种含铝硅酸盐涂料，首先使用硅烷单体对铝粉进行表面包覆处理，然后通过硅酸钾和硅溶胶加入硅烷偶联剂及助剂组成硅酸钾树脂，和处理后的铝粉混合均匀制成单组分涂料。该涂料能在室温条件下固化，固化后涂层具有良好的耐高温、防腐蚀、耐汽油、煤油、润滑油、各种溶剂等性能。

关键词：高模数硅酸钾；包覆；室温固化；防腐

0引言

随着工业科技的发展，对金属的耐高温防腐蚀要求越来越高，目前使用比较多的是含铝磷酸盐耐高温涂料，但是该类涂料固化温度最低为℃，这个条件限制了许多使用厂家及施工工艺，而且该涂料在后期加工过程中如果出现损坏，不能进行再次喷涂固化，这就迫切需要一种室温固化的涂料来解决问题；而室温固化的涂料一般可以使用硅酸盐类，该类涂料具有价格低廉、无毒、无污染、化学稳定性好等优点,但是其耐蚀性能比较差、其耐水性及与金属涂料的热匹配性都相对较差。

本文讨论的含铝硅酸盐涂料能够长期稳定贮存，可室温固化。固化后涂层具有良好的耐高温、防腐蚀、耐汽油、煤油、润滑油、各种溶剂等性能。

1试验部分1.1原料

试验用主要原料见表1。

表1试验用主要原料

名称

规格

厂家

铝粉

4～5μm

鞍钢实业

正辛基三乙氧基硅烷

分析纯

成都艾科达

异丁基三乙氧基硅烷

分析纯

成都艾科达

甲基三乙氧基硅烷

分析纯

广州双桃化工

无水乙醇

工业

天津滨海科迪

硅酸钾

工业

邢台大洋

硅溶胶（28%）

工业

青岛海洋

水

去离子

自制

KH-

工业

南京立派

BYK-

工业

德国毕克

1.2试验过程

1.2.1铝粉的包覆处理

在三口反应瓶中加入无水乙醇.0g，加入0.5g硅氧烷单体搅拌1h，使体系完全均一，然后加入铝粉.0g，给予体系一定的温度，30~40℃最佳，匀速搅拌3h（搅拌速率不宜过快），将反应产物转移到事先准备好的容器内，放入干燥箱内常温干燥，或在减压装置下干燥，干燥后得到硅氧烷单体包覆的铝粉。

1.2.2硅酸盐涂料制备

在mL三口烧瓶中加入80.0g硅酸钾，补充一定量的去离子水，搅拌均匀，在搅拌条件下缓慢地加入6.0g硅溶胶，最后滴加3%的硅烷偶联剂，然后搅拌1h，制备成改性硅酸钾树脂。然后加入之前处理好的铝粉80.0g及1%的分散助剂BYK-，继续搅拌2h后使用目的纱网过滤，最终制成题述产品。

1.2.3涂层的制备

施工环境温度为10～30℃，相对湿度为≥35%，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25～30μm，表干后喷涂第2道，厚度为25～30μm，将试片放置在干燥洁净的室温环境中，24h后涂层完全固化。

1.3性能测试

性能测试标准见表2。

表2测试标准

序号

检测项目

检测标准

1

弯曲试验

GB/T

2

耐润滑油

GB/T

3

耐热

GB/T

4

耐盐雾

GB/T

5

耐甲醇试验

GB/T

2结果与讨论

2.1铝粉包覆处理对涂料性能的影响

2.1.1铝粉包覆预处理原理

超细球型铝粉均匀分散在体系中，硅氧烷单体中烷氧基容易与球型铝粉结合，随着处理时间的增长，球形铝粉被硅氧烷单体包覆，降低了超细球形铝粉的团聚程度，提高了球形铝粉在树脂体系中的分散性，同时由于硅烷单体不溶于水，能够起到屏蔽作用，包覆处理后的超细球型不容易与水发生反应，提高了涂料贮存稳定性以及涂层的耐腐蚀性能。

采用扫描电镜对比分析包覆处理和未包覆处理的球形铝粉在涂料中的存在情况。我们将包覆处理过的铝粉和未处理过的铝粉制成硅酸盐涂料，放置1周后，喷涂制板。在SEM下（SEMMAG：2.00kx）观察漆膜外观（见图1），通过对比发现经过预处理包覆的铝粉制备的涂层，相比未经过处理的铝粉制备的涂层，呈现出更规则的形状，更好的致密性，而未经过包覆处理的铝粉制备的涂层表面形状均一性较差，涂层较为疏松。该涂料为碱性水溶液体系，未包覆处理的球型铝粉在碱性环境中容易与水发生反应，经过化学反应之后很难保持原有的球型状态，从电镜图中可以看出球型铝粉的形状发生了变化，而且发生了一定程度的团聚。

2.1.2铝粉包覆处理中单体的选择

我们选用了几种不同的硅烷单体对铝粉进行了预处理。然后使用处理过的铝粉与硅酸盐树脂混合搅拌均一，制备了含铝硅酸盐涂料。采用喷涂的方式分别对几个样品进行了制样，24h室温固化后，通过SEM观察漆膜表面形貌。通过图2可以明显观察到，预处理过的铝粉明显在颗粒规则和排布上要优于未处理过的铝粉，其次不同单体对铝粉包覆后产生的作用不近相同，其中可以看出正辛基三乙氧基硅烷包覆的铝粉所制成的硅酸盐涂料，铝粉颗粒较规则，大小差异较少，排布较紧密，没有明显的空隙，表面呈紧凑均一的膜。将不同硅烷单体包覆处理的铝粉配漆后，喷涂制板进行盐雾测试，测试结果如表3。通过SEM和盐雾测试结果我们可以得出结论：在防腐蚀过程中，正辛基三乙氧基硅烷包覆处理的铝粉所制成的硅酸盐涂料，因其铝粉颗粒较规则，排布较紧密，制备的涂层致密性较好，能更有效的保护基材不被侵蚀。

表3含不同包覆处理铝粉涂料盐雾测试

硅烷单体种类

盐雾出现红锈时间

未包覆处理铝粉

72h出现红锈

甲基三乙氧基硅烷

h出现红锈

异丁基三乙氧基硅烷

h出现红锈

正辛基三乙氧基硅烷

h未出现红锈

2.2改性硅酸钾树脂制备过程的影响因素

本产品为一种单组分室温固化涂料，单独使用硅酸钾溶液作为涂料的基料树脂时，存在风化、耐水性差和膜开裂等缺点，并且在后期施工过程中也存在容易干喷的潜在风险，所以我们通过适量添加硅溶胶与硅烷偶联剂对其进行改性，提高了体系的耐水性、柔韧性、贮存稳定性及可施工性。

2.2.1硅溶胶加量的影响

我们加入硅溶胶与硅酸钾混合物，在这个过程中二氧化硅粒子发生溶解，硅酸钾中的硅单体不断地沉积到硅溶胶的纳米粒子上，形成一种新的粒径分布。所以，硅溶胶的加量就需要我们找到一个比较合适的比例，才能使树脂具备良好的贮存稳定性及涂层有优异的性能。根据表4我们对不同硅溶胶添加量对涂料的影响，可以得到结论：硅溶胶的添加量较少会影响漆膜的成膜性，可能是由于混合物的粒径较大，树脂的稳定性很差；而硅溶胶的添加量较多时，漆膜容易发生开裂现象，原因可能就是在干燥过程中，由于混合物的粒径较小，容易发生毛细管作用，导致的漆膜开裂。

表4不同硅溶胶添加量对涂料的影响

硅溶胶与硅酸钾质量比

贮存及漆膜状态

1.0∶20.0

成膜性较差

1.5∶20.0

漆膜良好，贮存稳定

1.0∶10.0

漆膜有部分开裂

2.2.2硅烷偶联剂的选取与加量

采用不同的有机硅氧烷，添加量为硅酸钾溶液和硅溶胶质量（固含量）总和的3%，在室温下充分水解对树脂体系进行改性，试验结果如表5所示。

表5不同硅烷偶联剂对树脂体系的影响

硅烷偶联剂种类

现象

KH-

体系被破坏，出现凝胶化

KH-

透明的溶液，且溶液的粘度好，无气泡产生

KH-

两相分离，静置时下层是半透明胶体溶液，上层是白色的胶体溶液

我们选用了3种硅烷偶联剂，发现只有KH-改性后的树脂体系最稳定，制备的产品性能也最优。而由KH-偶联剂改性的树脂稳定性最差，可能是其中含有氨基，导致胶体表面电荷改变而导致不稳定。

在后期试验中，我们对KH-的用量也进行了考察：首先在不加入KH-的情况下喷涂后的漆膜有明显的缩边现象，可能是因为涂料的表面张力过大引起的，而随着KH-添加量的增加，改善了涂料不能和底材润湿的现象，同时贮存稳定性也有提高；但是当KH-添加量为4%时，涂层表干时间已经明显延长，涂层的机械性能有所下降，所以我们选择3%为最佳添加量。

2.3硅酸钾树脂与铝粉配比关系

为了研究硅酸钾及铝粉的最优配方比例，选用质量比例为A组分(改性硅酸钾溶液)∶B组分(正辛基三乙氧基硅烷包覆后的铝粉)=1.0∶0.6、1.0∶0.8、1.0∶1.0来进行试验。将配好的涂料分散搅拌至体系均一后出料，试验结果见表6，从表中可以看出：硅酸钾∶铝粉=1.0∶0.8时，制备的漆膜综合性能最优。

表6不同配比涂料的性能

测试项目

配比数

1.0∶0.6

1.0∶0.8

1.0∶1.0

表干时间/min

20

15

12

弯曲试验

漆膜完整

漆膜完整

有部分开裂

耐润滑油

漆膜完整

漆膜完整

漆膜完整

耐热（℃）/h

耐盐雾/h

耐甲醇试验

漆膜完整

漆膜完整

漆膜完整

3结语

采用硅溶胶和硅烷偶联剂改性硅酸钾制备得到树脂，贮存稳定，与包覆处理后的铝粉配制成性能优异的室温固化硅酸盐防腐涂料。

1）通过采用正辛基三乙氧基硅烷单体包覆处理的铝粉，配制成漆后防腐性能最佳。

2）通过加入硅溶胶改性硅酸钾溶液，硅溶胶（固含量28%）与硅酸钾的质量比为1.5∶20.0时，所得硅酸钾溶液性能最佳，贮存稳定。

3）KH-是改性硅酸钾溶液合适的有机硅偶联剂，合理的添加量为总量的3%。

4）A组分（改性硅酸钾溶液）与B组分（正辛基三乙氧基硅烷包覆后的铝粉）制备硅酸盐涂料时，A∶B=1.0∶0.8时漆膜致密且防腐性能优异，可作为长效防腐涂料使用。

（详见《现代涂料与涂装》-12期）

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