专利名称：水性无机耐热涂料及其固化方法
技术领域：
本发明涉及一种耐热涂料及其固化方法，尤其涉及一种水性无机耐热涂料及其固化方法。
背景技术：
涂料是指涂于物体表面能形成具有保护、装饰或特殊性能(如绝缘、防腐、标志等)的固态涂膜的一类液体或固体材料之总称，包括油(性)漆、水性漆、粉末涂料。随着现代工业技术的发展，化工、冶金、电力等行业的设备无时无刻不在经受高温的考验，在这样的恶劣条件下，设备的寿命降低，生产成本增加，并给安全生产带来大的隐患，虽然也有一些耐高温材料的报道，但总的说来应用上还是耐受温度或成本的限制。随着经济的发展，对耐高温性能要求的提高，使得工程界越来越关注耐高温涂料。耐高温涂料具有在高温条件下仍能保持一定物理化学性能的特点，使工件耐高温，从而延长其使用寿命，起到表面保护和装饰的作用。目前的有机耐高温涂料如有机硅系，硅酸乙酯系，一般只可耐200～700℃的高温，且涂膜硬度低、耐燃性耐久性差，并且存在环保问题。
发明内容
本发明提供一种生产成本低、使用寿命长的水性无机耐热涂料及其固化方法，涂层具有硬度和耐冲击强度高、高温抗裂性和稳定性好、防水防腐蚀且不易脱落的优点。
本发明采用如下技术方案
本发明所述的一种涂于物体表面的水性无机耐热涂料，包括固相和液相，固液质量比0.95～1.05∶1，固相包括高岭土、石英粉、陶瓷短纤维和二氧化钛，其质量百分比为高岭土35～46％，石英粉30～35％，陶瓷短纤维4～10％，二氧化钛4～8％，铁红10～15％，液相成分为钠水玻璃和助剂，助剂为液相质量的3.5％～6.5％，余量为钠水玻璃，助剂包括质量浓度为50±5％氢氧化钠水溶液和松香质量浓度为20～30％松香酒精，且氢氧化钠水溶液和松香酒精质量配比为0.9～1.1∶1。固相由高岭土、石英粉、氧化铝短纤维、二氧化钛和铁红组成，其质量百分比为高岭土35～46％，石英粉30～35％，陶瓷短纤维4～10％，二氧化钛4～8％，铁红10～15％。高岭土的粒度为800～1250目，石英粉的粒度为200～300目，铁红的粒度＞800目，二氧化钛的粒度～0.3μm，钠水玻璃的模数为3.0-3.3。陶瓷短纤维为氧化铝，硅酸铝或莫来石陶瓷短纤维中的一种或一种以上的混合物，纤维中的氧化铝质量含量为60％～80％，纤维直径5～10μm，长径比50～150。
本发明所述的水性无机耐热涂料的固化方法，是将上述水性无机涂料涂敷于物体表面后，置于50-70℃下0.5h，再置于100-150℃下0.5h，最后，置于240-260℃下0.5h。
与现有技术相比，本发明具有如下优点本发明主要适用于高温下使用的金属部件或砖，混凝土构件的表面防护。例如冶金冶炼热处理设备或部件，建筑工程，机械设备的防火防高温表面处理等。适用于1000℃以下(对于钢铁基金属防护)以及1220℃以下(对于无机硅酸盐混凝土防护)的高温防护。
本发明所述涂料中含有陶瓷短纤维，同时又是水性无机涂料，涂覆性能好，附着力强，所得涂层的硬度和耐冲击强度高，具有极好高温抗裂性和稳定性，防水性、防腐蚀性、，不易脱落，不易与外界环境因素发生化学反应，对人体无害。可大大地延长被涂物的使用寿命，降低生产成本，具有较好使用效果和经济效益和环保意义。
图1是本发明的制备工艺路线图。
图2是本发明所述涂料的耐高温特性结果比较图，a本发明涂料，b进口涂料，c国产涂料。
图3是1272h耐水性试验情况，a本发明涂料，b进口涂料，c国产涂料。
图4是纤维的局部断裂图。
图5是本发明涂料经过高温暴露试验后涂料表面的情况(SEM，放大200倍)。
具体实施例方式
实施例1一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土45.5％，石英粉31.8％，铁红13.6％，氧化铝短纤维4.6％，二氧化钛4.6％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1，液体成分其中液态助剂为总量的5％。分别涂刷在A3钢和耐火砖表面并置于50℃下0.5h，再置于100℃下0.5h，最后，置于240℃下0.5h固化后，在高温下保持2小时后冷却，按国家标准GB/T1766-1995对涂刷表面进行评级，结果如下A3钢，1000℃，起泡0级，剥落0级，变色3级，开裂0级耐火砖，1220℃，起泡0级，剥落0级，变色2级，开裂0级实施例2一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土42.6％，石英粉30.1％，铁红12.5％，氧化铝纤维10.0％，二氧化钛4.8％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1，液体成分其中液态助剂为总量的5％。涂刷固化方法、高温保持试验及评级同上，评级结果如下A3钢，1000℃，起泡0级，剥落0级，变色3级，开裂0级耐火砖，1220℃，起泡0级，剥落0级，变色2级，开裂0级以上两例均显示出较好的耐高温效果。
实施例3一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土37.0％，石英粉35.0％，铁红10.0％，氧化铝纤维10.0％，二氧化钛8.0％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1.2，液体成分其中液态助剂为总量的5％。
这个配比液体组分过高，结果涂料的湿附着力偏低，其湿附着力0.8N(正常值平均为1.3N)。另外在A3钢表面涂刷，900℃试验出现轻度起泡现象，试验评级结果如下A3钢，900℃，起泡2S2级，剥落0级，变色3级，开裂0级实施例4一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土41.7％，石英粉29.2％，铁红12.5％，氧化铝纤维12.5％，二氧化钛4.2％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1，液体成分其中液态助剂为总量的5％。
这个配比氧化铝纤维组分过高，涂刷性较差，涂刷后的表面较粗糙。经高温试验金属表面出现起泡现象。试验评级结果如下A3钢，1000℃，起泡1S3级，剥落0级，变色4级，开裂0级耐火砖，1220℃，起泡0级，剥落0级，变色2级，开裂0级实施例5一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土57.1％，石英粉25.0％，铁红10.7％，氧化铝纤维3.6％，二氧化钛3.6％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1，液体成分其中液态助剂为总量的5％。
这个配比高岭土组分过高，涂料的涂刷性能好，但是经高温试验金属表面出现剥落现象。试验评级结果如下A3钢，1000℃，起泡0级，剥落2S2，变色4级，开裂0级耐火砖，1220℃，起泡0级，剥落0级，变色2级，开裂0级实施例6一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土45.5％，石英粉31.8％，铁红13.6％，氧化铝纤维4.6％，填料A4.6％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1，液体成分其中液态助剂为总量的5％。
虽然配方在本发明范围内，但是涂刷后未分阶段固化处理，而是直接在250℃保温1h结果涂刷表面在高温下出现较严重的剥落现象。试验评级结果如下A3钢，900℃，起泡5S4级，剥落1S2a，变色2级，开裂2S3实施例7一种水性无机耐热涂料，配方中固体组分高岭土35％，石英粉30％，铁红10％，氧化铝纤维3.2％，莫来石陶瓷短纤维0.8％，二氧化钛4％；固体组分与液体组分的重量比为1∶1，液体成分其中液态助剂为总量的5％。涂刷固化方法、高温保持试验及评级同上，评级结果如下A3钢，1000℃，起泡0级，剥落0级，变色3级，开裂0级耐火砖，1220℃，起泡0级，剥落0级，变色2级，开裂0级上述高岭土工业级，粒度800～1250目石英粉化学纯，粒度200～300目铁红工业级，粒度＞800目二氧化钛(钛白粉)工业级，粒度～0.3μm钠水玻璃工业级，模数3.0-3.3陶瓷短纤维采用机械破碎加筛分的方法。
涂料的配制过程，涂刷过程和固化处理助剂的配制1)将一定重量的松香溶入工业酒精制成20～30％松香酒精；2)按照0.9～1.1∶1的质量配比将50％的氢氧化钠水溶液和上述松香酒精溶合并搅拌均匀，制成助剂；涂料的配制(工艺过程参照图1)1)将准备好的固相原材料按比例秤量后放入混合罐中，用机械搅拌方法尽可能充分混合均匀；2)加入等重量比例液相，充分搅拌。采用机械搅拌方式，改变粒子的表面能，使各组分充分润湿，混合均匀。
3)涂料放置时间久后，可适量加水搅拌，调整涂料的粘稠度。
涂刷在涂料的涂刷前，先对所涂的基材进行简单的表面清洁除污，然后将涂料直接涂刷于基材上。通过多次涂刷可以适当控制涂覆厚度。也可以采用喷涂工艺方式。
涂料的涂刷后，在室温中放置一段时间，进行涂层的预成膜和水份的挥发；固化处理实验表明涂层经分段固化处理后涂料的耐高温性比涂层直接高温固化的好。涂刷在钢铁表面，经过50℃0.5h+150℃处理0.5h+250℃处理0.5h这种固化工艺后，耐高温性优良能达到1000℃(金属表面)，涂刷在砖，混凝土表面，耐温能达到1220℃。减少高温固化处理或不处理仍可以使用，但耐高温的效果会降低。
本发明涂料的性能以上述涂料配方经上述涂布工艺测试几项性能并与某进口涂料，和市场销售的国产涂料的比较耐高温性A3钢基体涂层耐温达1000℃，耐火砖基体涂层耐温达1220℃；其比较结果如图2。
剪切力在陶瓷基体、金属铁基体上分别涂涂层，经固化后，测出粘结强度(数据如表1)。可见无论在陶瓷基底还是在金属基底上本发明涂料的粘结强度均显著高于对比的进口涂料和国产涂料。
表1各涂料在不同基体的粘结强度
硬度铁基体上涂层的硬度＞90.3HRB，铜基体上涂层的硬度＞82.0HRB抗热震性分别将几种对比涂料涂复在铁片和陶瓷块上，从室温加热到300℃，保温15分钟后再淬水冷。反复7次，结果如表2。总的说来本发明涂料表现最佳。无起泡，裂纹，剥落现象。
表2第七循环热震性结果
耐水性在室温下将涂刷了本发明涂料，进口涂料和国产涂料的铁板，浸泡在水中。随浸水时间的增加，自制涂层表现出相对优良的特性，在浸水近2个月的时间后仅少量起泡，而进口涂层则以大面积铁锈和细纹出现，国产涂层则随浸水时间的增加大量起泡，如图3所示。铜基体、铝基体上的所有涂料均表现出较好的耐水性。总体而言，本发明涂料的涂层不受基体的影响，保持良好的耐水性能。
耐盐水腐蚀性将上述三种涂料按工艺要求分别涂刷在铁，铜，铝材板上，然后放入盐水中浸泡34天。结果表明，铁基体上的进口涂料受腐蚀最厉害，在实验时间内几乎完全变化。国产涂料也有变色和起泡现象。本发明涂料在耐盐水性上表现更优。
氧化铝陶瓷纤维在涂料中的作用氧化铝纤维(包括氧化铝，硅酸铝，莫来石纤维)的主要特点是耐热性好，最高工作温度可达1500～1600℃，化学稳定性好；抗拉强度可达1000MPa，超过普通钢的强度，弹性模量为150GPa以上，力学伸长小.且具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，电气绝缘、电波透过性好，是一种很好的耐高温材料，保温材料和复合材料的增强体。
本发明把氧化铝短纤维引入耐高温涂料中，根据实验研究，氧化铝短纤维在耐高温涂料中主要起几个方面的作用1、由于氧化铝纤维本身是理想的工业用耐高温及保温材料，所以将其作为耐高温涂料的填料，可以明显提高涂料的耐高温性；2、氧化铝短纤维在涂层中以三维网络状结构分布，类似于加强筋的作用，可以有效地防止涂料龟裂和其他形式的开裂，这是由于(a).由于纤维的跨越式联结，在裂尖处起到桥接作用和纤维的咬合效应，使得裂纹的扩展受到了纤维的约束，有效制止裂纹的发生和发展；(如图4，5所示)(b)外力作用下，颗粒性材料间也会产生位错与滑移，由于纤维在涂层中的网络约束作用，将应力转移，使应力分布均匀，可有效克服颗粒间的相对滑移，减少裂缝的产生。
3、在受力时，高强度、高弹性模量的短纤维能为涂层分担部分外加应力，表现出更高的强度，硬度。当应力过大时，能在局部短纤维发生断裂，以“拔出功”的形式消耗部分能量。
4、在涂刷过程中，纤维产生一定的粘结力，使涂层的粘结性增大，使涂层的附着力大大加强。
5、在固化阶段，纵横交错的纤维骨架结构网有利于湿态涂料水分子的挥发和CO2的进入加速涂层的固化。纤维网络状结构可以减少成膜收缩和温差引起的胀缩变化，使涂料固化后形成更合理的力学结构。纤维作为涂料组分也有不利作用会降低涂料的涂刷工艺性，以及涂刷后的表面光泽效果。所以必须控制加入量在一定范围内。
权利要求
1.一种涂于物体表面的水性无机耐热涂料，其特征在于包括固相和液相，固液质量比0.95～1.05∶1，固相包括高岭土、石英粉、陶瓷短纤维和二氧化钛，其质量百分比为高岭土35～46％，石英粉30～35％，陶瓷短纤维4～10％，二氧化钛4～8％，铁红10～15％，液相成分为钠水玻璃和助剂，助剂为液相质量的3.5％～6.5％，余量为钠水玻璃，助剂包括质量浓度为50±5％氢氧化钠水溶液和松香质量浓度为20～30％松香酒精，且氢氧化钠水溶液和松香酒精质量配比为0.9～1.1∶1。
2.根据权利要求1所述的水性无机耐热涂料，其特征在于固相由高岭土、石英粉、氧化铝短纤维、二氧化钛和铁红组成，其质量百分比为高岭土35～46％，石英粉30～35％，陶瓷短纤维4～10％，二氧化钛4～8％，铁红10～15％。
3.根据权利要求2所述的水性无机耐热涂料，其特征在于高岭土的粒度为800～1250目，石英粉的粒度为200～300目，铁红的粒度＞800目，二氧化钛的粒度～0.3μm，钠水玻璃的模数为3.0-3.3。
4.根据权利要求1或2所述的水性无机耐热涂料，其特征在于陶瓷短纤维为氧化铝，硅酸铝或莫来石陶瓷短纤维中的一种或一种以上的混合物，纤维中的氧化铝质量含量为60％～80％，纤维直径5～10μm，长径比50～150。
5.一种权利要求1所述水性无机耐热涂料的固化方法，其特征在于在上述水性无机涂料涂敷于物体表面后，置于50-70℃下0.5h，再置于100-150℃下0.5h，最后，置于240-260℃下0.5h。
全文摘要
本发明公布了一种涂于物体表面的水性无机耐热涂料，包括固相和液相，固液质量比0.95～1.05∶1，固相包括高岭土、石英粉、陶瓷短纤维和二氧化钛，其质量百分比为高岭土35～46％，石英粉30～35％，陶瓷短纤维4～10％，二氧化钛4～8％，铁红10～15％，液相成分为钠水玻璃和助剂，助剂为液相质量的3.5％～6.5％，余量为钠水玻璃。其固化方法，是将上述水性无机涂料涂敷于物体表面后，置于50－70℃下0.5h，再置于100－150℃下0.5h，最后，置于240－260℃下0.5h。本发明所述涂料中含有陶瓷短纤维，同时又是水性无机涂料，涂覆性能好，附着力强，所得涂层的硬度和耐冲击强度高，具有极好高温抗裂性和稳定性，防水性、防腐蚀性、不易脱落，不易与外界环境因素发生化学反应，对人体无害。
文档编号C09D5/18GK101024739SQ20071002113
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者吴申庆, 朱秋华, 李军 申请人:东南大学