随着我国工业生产步伐的加快和城镇集中供热工程的发展,特别是热电联供产业的迅速发展,高温管道工程的建设将进入了一个新的发展阶段。为实现节能减排目标,高温管道保温工程将朝着降低成本、延长寿命、提高节能效率等目标推进,具体保温应用技术向高效、薄层、隔热防水外护一体化的方向发展。

以改性无机黏结剂为基料,采用抗热性强的空心陶瓷微珠和金属铝粉作主导填料,利用缩合磷酸铝为反应固化促进剂,研制而成的耐高温涂料,应用于各种工业高温管道表面,在高温热环境中,由轻质、中空、疏松的陶瓷微珠多级组合和金属铝粉形成的无机涂膜,利用其热导率极低的空气微孔层和反射层来阻隔热能传递,有效抑制辐射传热和对流传热,从而达到降低涂覆表面的热平衡温度,隔热保温效果显著。

2 　实验部分
211 　主要原料
⑴ 硅酸钠:山东东岳化工有限公司;
⑵耐高温有机硅乳液:美国道康宁公司;
⑶环氧树脂乳液:无锡新材料发展有限公司;
⑷乙醇胺:河北海森化工有限公司;
⑸浓硫酸:市售工业品;
⑹乳化剂OP - 10 :市售工业品;
⑺空心陶瓷微珠:青岛大洋材料有限公司;
⑻ 缩合磷酸铝:湖北三特化工有限公司;
⑼高岭土:山西琚丰高岭土有限公司;
⑽云母粉:安徽省滁州格锐矿业有限公司;
⑾海泡石粉:河南方正粉体材料有限公司;
⑿铝粉:山西晋中金属粉体材料有限公司。
2. 2 　主要仪器设备
三口烧瓶(1000mL) 、调温电热套(1000mL) 、JJ -1 型定时电动搅拌器、EFJ - 400 砂磨搅拌分散机、101FA - 00 型电热鼓风干燥箱、SX215 - 10 箱式电阻炉、AP - 800 激光测温仪、2”(51mm) 刷子等。
2. 3 　耐高温涂料的制备
21311 　无机改性黏结剂的配制
硅酸钠∶水∶有机硅乳液:环氧树脂乳液:乳化剂0P - 10∶硫酸稀释液(10 %) :乙醇胺= 100∶30∶10∶3∶2∶3∶1 (质量) 。
按配方秤取硅酸钠和水放入三口烧瓶内,开动电动搅拌器,使其转速为3000 转/ 分,然后通电加温,当三口烧瓶内的料温达到90 ℃时,依次慢慢加入其余物料。加料完毕后恒温继续搅拌15 分钟,然后停止加热,冷却静置过滤,即得无机改性黏结剂。
21312 　耐高温涂料的配制
改性无机黏结剂∶水∶高岭土∶云母粉∶ 海泡石粉∶空心陶瓷微珠∶铝粉= 500∶50∶80∶60∶100∶150∶20 (质量) 。
将原料按配比依次加入改性黏结剂、水、高岭土、云母粉、海泡石粉、铝粉混合后,用EFJ - 400 砂磨搅拌分散机高速分散研磨2h ,最后加入空心陶瓷微珠低速搅拌均匀,制得耐高温涂料A 组分。B 组分为反应固化剂缩合磷酸铝。
2. 4 　耐高温隔热保温涂膜的制备
取涂料A 组分96 克,B 组分4 克,混合搅拌均匀,调节合适的施工黏度,用2”(51mm) 刷子涂覆于130mm×80mm 的冷轧钢板上(钢板厚度为3mm ) ,室温凉干固化24h 后,测得涂膜厚度为1mm。
2. 5 　耐高温隔热保温涂膜的烧结固化
施工好的涂膜,在室温下放置24h 进行预固化,然后放入101AF - 00 型电热鼓风干燥箱内进行烧结固化,烧结固化时升温要慢,加热要均匀。
固化条件为: 60 ℃ ,015h ; 80 ℃,115h ; 100 ℃,015h ; 150 ℃, 2h ,最后自然冷却至室温。

3 　性能测试
3. 1 　涂膜基本性能
依据国家相关标准进行测试,结果见表1。
表1 　涂膜性能指标
项目检验结果测试标准
外观灰色粘稠体目测
固体含量% ≥50 GB1725 - 1979(89)
干燥时间表干10min 实干4h GB/ T1728 - 1989
附着力2 级GB9286 - 1988
耐冲击50cm GB/ T1732 - 1993
硬度(邵氏D) 70 GB/ T2411 - 1980
耐热性
(600 ℃ ,10 h)
无脱落、无起皮、
无开裂
GB/ T1735 -
1979 (89)
耐水性
(40 ℃ ,96h)
无脱落、无起皮、
无开裂
GB/ T1733 - 1993
耐盐雾 (500h) 无脱落、无起皮、
无开裂
GB/ T1771 - 1991
耐紫外光
老化(400h) 无脱落、无开裂SY/ T0320 - 1998B
312 　涂膜隔热保温性能
将涂有1mm 厚涂膜的钢板样品,涂层朝外放置于SX2 - 5 - 10 箱式电阻炉的炉膛口上,钢板正好封闭电阻炉的整个炉膛口,电阻炉通电加温后,在加热相同的时间内,记录电阻炉温度控制器显示的炉内温度与AP - 800 激光测温仪测得的涂层表面温度,
二者温度作比较显示温差数值见表2。
表2 　涂层表面与炉内在相同条件下测试的温度
加热时间,min 0 15 20 30 40 50 60 70 80
炉内温度, ℃ 27 100 200 280 320 360 400 450 590
钢板涂层温度, ℃ 26 35 62 87 99 117 142 164 216
注:测试时环境温度26 ℃。

4 　无机黏结剂的综合改性原理
硅酸钠的成膜主体是胶体二氧化硅,在水溶液中水解成硅酸或与空气中的二氧化碳发生作用,形成硅酸并逐渐干燥而固化。其固化成膜机理如下:
Na20•nSi02 + (2n + 1) H20 →2NaOH + nSi (0H) 4
Na20•nSi02 + 2nH20 + CO2 →Na2C03 + nSi (0H) 4
mSi (0H) 4
缩聚
[ Si (0H) 4 ]m
失水
mSi02
从上述的成膜机理可以看出:由于涂膜中存在大量游离的钠离子和OH- 离子可以进入水中,所以钠水玻璃可以溶于水;形成的- Si - O - Si - 无机涂层当中,硅氧键的脆性大,因而涂膜易收缩干裂。为克服这些缺陷,可以通过以下的改性措施来提高涂
膜的综合性能。
4. 1 　硅酸钠的酸改性
由于硅酸钠溶液Na - 0 键与Si - 0 键对氢离子不稳定,引入无机酸可提高其模数,增大- Si - 0 - Si- 链的网状结构;同时加入有机助剂,用憎水基取代一部分硅酸钠溶液两端的钠离子,可促进硅酸钠溶液干燥成膜后耐水性的提高。加入硫酸,其固化反应如下:
Na20•nSi02 + mH20 + H2S04 →Na2S04 + nSi02•(m + 1) H20
412 　与耐高温有机树脂的复合使用
将耐高温有机树脂与硅酸钠无机基料复合使用,有机树脂可以填充在- Si - 0 - Si - 网状结构的间隙中,既可以屏蔽残存的羟基,减少涂膜对水的敏感性;又可以有机物较好的弹性弥补硅氧键的韧性不足,提高涂膜抗干裂性能。而硅氧键在有机高分
子中形成了一个硬度较高的网状结构,这又增加了有机膜的强度和耐温性,二者相辅相成,形成性能优异的复合涂膜。
4. 3 　反应固化剂的应用
反应固化剂缩合磷酸铝在涂料中缓慢水解,释放出氢离子,氢离子与硅酸钠溶液反应,使其析出胶体二氧化硅,胶体二氧化硅自行缩合形成以- Si - 0- Si - 为主链的无机网状薄膜,磷酸根则与金属铝离子、钠离子等反应形成不溶水的复盐。其固化反
应过程如下:
3Na2O•nSiO2 + Al (PO3) 3 (0H) 2 + (6n + 3) H2O →
3nSi (OH) 4 + 2Na3 (PO3) 3 (OH) 2 + 2Al (OH) 3 →
Al (PO3) (OH) 2•Na3 (PO3) 3 (OH) 2

5 　分析讨论
5. 1 　涂膜基本性能分析
由表1 可知:采用了改性无机黏结剂,涂料的各项性能指标均得到了很大提高。无机型涂料一般表现出涂膜性脆易开裂、耐水性不好、柔韧性差等缺点,通过对基料的综合改性和引入了耐高温有机树脂的复合应用,无机有机优势互补,既保证了耐高温
性能优异的突出特点,又提高了涂料的附着力、耐水性、柔韧性等综合性能。
5. 2 　硅酸钠和有机树脂复配的稳定性
硅酸钠溶液和有机高分子树脂乳液均属胶体溶液,选用复配混合时二者必须电性能一致方能保证体系的稳定。如果乳液所带电荷与硅酸钠溶液不一致,就会出现硅溶胶的凝胶化和破乳。
实验结果表明:耐高温有机硅树脂乳液和水性环氧树脂乳液与硅酸钠溶液的电性能一致,混合体系稳定性良好,制备的涂料样品在常温条件下贮存了18 个月未见异常,涂料具有长期的贮存稳定性。
5. 3 　涂料填料的选择性
耐高温涂料在高温环境中保持优异的耐温性,其骨架填料的作用功不可没。骨架填料对无机基料的耐温性起着补强作用。因此,骨架填料必须选择无机惰性、耐温性高的增强材料。以它们的稳定性保持有效的骨架成分,而且长时间保持高效的隔热性。同时,骨架填料还可降低黏结剂固化时的收缩率,防止气泡及裂纹产生,使涂层强度提高。另一方面,填料选择不当会造成涂料体系的不稳定。属于这类填料的有氧化锌、轻质碳酸钙等。这是因为这些活性填料中的游离金属离子具有导致某些阴离子乳化剂的乳液破乳胶凝的可能性,所以应对填料精心试验,选择使用。
514 　涂料隔热保温性能分析
众所周知,热传递主要有三种形式:传导传热,对流传热及辐射传热。特别是在较高温度下,随着受热分子动能的增大,以电磁波的形式向四周辐射能量的能力增强, 温度越高,辐射能力越强。辐射出来的能量与绝对温度的四次方成正比,所以在高温
环境中热辐射成为传热的重要形式。
由于在耐高温涂料中选用了空心陶瓷微珠和金属铝粉配套应用,细微的铝粉在涂层中形成金属反射层,提高了涂层的热反射率;空心陶瓷微珠多级组合形成的低导热率的静止空气层。通过涂层的反射层对热能辐射的反射作用和静止空气层对
辐射和对流传热的有效抑制,使绝大部分的辐射热能被反射阻隔,等于有效地提高了高温条件下涂层的总热阻。由表2 可知,随着电阻炉温度的升高,炉内温度与钢板涂层表面温度之间始终保持一定的温度差,说明涂层的隔热保温效果显著。

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