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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-01-25 22:21
艦船上使用的各類設(shè)備中，部分涉及到高溫反應(yīng)以及高溫液體的貯存與運(yùn)輸，如高溫蒸汽管道、高溫鍋爐、高溫機(jī)械設(shè)備等，這些設(shè)備運(yùn)行溫度較高，最高可達(dá)300℃；且該類設(shè)備由金屬材質(zhì)構(gòu)成，具有極好的導(dǎo)熱性，經(jīng)常會造成現(xiàn)場人員的燙傷以及熱量的嚴(yán)重?fù)p耗；因此，有必要對這些設(shè)備進(jìn)行隔熱處理，處理之后，不但可以確?，F(xiàn)場工作人員的安全，同時也能避免大量的能耗損失。
目前，各類艦船設(shè)備采用的隔熱保溫材料通常為多孔體或纖維型材料，這些材料與防腐涂層、打包帶以及鋁箔反射層配套使用，在實際的使用中能起到一定屏蔽熱量的作用，但是也存在諸多問題：（1）外表面保護(hù)層一旦受損，保溫材料極易受潮，會造成內(nèi)管的嚴(yán)重腐蝕以及影響保溫隔熱的效果；（2）部分保溫結(jié)構(gòu)吸水率高，不抗震動，使用壽命短，需設(shè)防水層和外保護(hù)層；（3）針對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱源設(shè)備，材料較難進(jìn)行施工，并且對一些異型設(shè)備表面無法做到完全有效覆蓋。
不同于常規(guī)隔熱保溫材料存在諸多局限性，隔熱保溫涂料綜合了涂料及保溫材料的雙重特性，具有高效、隔熱、節(jié)能環(huán)保及使用方便等特點。尤其是高溫隔熱涂料，一般采用無機(jī)硅酸鹽作為主體成膜物，耐溫性能優(yōu)異，可在600~700℃高溫環(huán)境下使用，但是基料中的硅溶膠在成膜固化過程中會不斷收縮，涂層極易開裂，無法厚涂。
針對有機(jī)隔熱涂層耐溫性能差、無機(jī)隔熱涂層易開裂的問題，本文研制了高性能隔熱保溫涂料，采用增韌樹脂和補(bǔ)強(qiáng)纖維來改善涂層的抗開裂性能，著重研究了主體樹脂和功能填料對涂層性能的影響，并對涂層的常規(guī)性能、施工性能以及隔熱效果進(jìn)行了評估。
1 實驗部分
1.1 主要原料與儀器
無機(jī)硅酸鈉樹脂（W-50）、無機(jī)硅酸鉀樹脂（S-60）、無機(jī)硅酸鋰樹脂（N-100）：建東化工；增韌樹脂：XL-3288D，科力森；空心陶瓷微珠：T-1、T-2、T-3，3M公司；空心玻璃微珠：B-1、B-2、B-3，3M公司；氫氧化鎂：江陰廣源；玻璃纖維：南京玻璃纖維研究院；流平劑：BYK-333，畢克；消泡劑：AFCONA-2035，埃夫科納；硅微粉：400目，賽普森；滑石粉：400目，海揚(yáng)粉體；磷酸三鈉：試劑級，國藥集團(tuán)；去離子水：自制；羥丙基纖維素：HPC-G，亞士蘭；殺菌劑：艾斯?fàn)枺粺o機(jī)富鋅底漆（CTN-7501）、高溫隔熱涂料（CTN-7602）、耐高溫面漆（CTN-7603）：中海油常州環(huán)保涂料有限公司。
電子天平（LE4002E）：梅特勒托利多；高速分散器（GFJ-1100/U）：上海賽杰；鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9146A）：上海精宏；斗式空氣噴槍：自制；無氣噴涂機(jī)（GMaxII7900）：固瑞克；接觸式測溫儀（TES-1310）：臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司；附著力測試儀（PosiTestAT-A）：美國Defelsko。
1.2 隔熱涂料的制備
隔熱涂料的參考配方見表1。
表1 隔熱涂料參考配方
按表1配方稱取適量增韌樹脂，在分散攪拌作用下，緩慢加入無機(jī)硅酸鉀水溶液，攪拌10min；加入磷酸三鈉調(diào)節(jié)至pH=8；加入流平劑和消泡劑，繼續(xù)攪拌5min；加入羥丙基纖維素，攪拌10~20min至溶液呈均勻黏稠狀；依次加入殺菌劑、玻璃纖維、陶瓷微珠、氫氧化鎂、硅微粉、滑石粉，繼續(xù)攪拌20min。
1.3 涂層樣板的制備
導(dǎo)熱系數(shù)測試樣片制備：將制備好的隔熱涂料澆注于PE材料表面，室溫下進(jìn)行固化，待樣片完全干燥后，將其加工成規(guī)定尺寸的薄圓片。正式測試前，將試樣放置在80℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥12h。
防火、耐鹽霧、耐濕熱、耐熱老化性、附著力、耐水性等測試樣板制備：在規(guī)定尺寸的鋼板表面（噴砂），噴涂無機(jī)富鋅底漆（30~80μm），待底漆完全固化后，噴涂制備的隔熱涂料（500~600μm），室溫固化72h，最后噴涂耐高溫面漆（30~80μm），待漆膜完全固化后進(jìn)行相關(guān)測試。
1.4 性能測試
導(dǎo)熱系數(shù)：按照GB/T10295—2008和ASTME1461-13進(jìn)行測試；防火性能：按照《2010年國際耐火試驗程序應(yīng)用規(guī)則》附件1第5部分的要求進(jìn)行測試；耐鹽霧性能：按照GB/T1771—2007進(jìn)行測試；耐濕熱性能：按照GB/T1740—2007進(jìn)行測試；附著力：按照ASTMD4541-17進(jìn)行測試；抗壓強(qiáng)度：按照GB/T4740—1999標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；斷裂伸長率：按照HG/T4567—2013進(jìn)行測試；熱貯存穩(wěn)定性：按照GB/T6753.3—1986進(jìn)行測試；耐熱老化性能：按照ISO3248：2016進(jìn)行測試；耐水性：按照GB/T1733—1993進(jìn)行測試，記錄涂層鼓泡、脫落的時間；抗開裂性能：目測，表面開裂不明顯時借助1000倍放大鏡觀察。
2 結(jié)果與討論
2.1 配方及工藝優(yōu)化
2.1.1主體成膜物對涂層性能的影響
目前通常用水溶性硅酸鹽（工業(yè)名稱水玻璃）作為高溫隔熱涂料的主體成膜物。常用的3種為硅酸鈉（A）、硅酸鉀（B）、硅酸鋰（C），其耐水性、附著力以及抗開裂性等各有優(yōu)劣。同時，硅酸鹽的模數(shù)與耐水性密切相關(guān)，一般模數(shù)越高，耐水性越好，但是干燥后也越容易出現(xiàn)收縮開裂。選取不同模數(shù)（3、3.5、4、4.5、5）的硅酸鈉、硅酸鉀和硅酸鋰，分別命名為A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4、B5、C1、C2、C3、C4、C5，制備成涂料后，分別進(jìn)行耐水性、附著力以及抗開裂性能評估，探究成膜樹脂種類對涂層性能的影響，結(jié)果如表2所示。
由表2可知，一般涂層的耐水性和附著力與無機(jī)硅酸鹽的模數(shù)呈正相關(guān)，模數(shù)越大，涂層的耐水性和附著力越好。但是模數(shù)并非越大越好，模數(shù)越大，固化后涂層中的硅溶膠含量越高，容易出現(xiàn)收縮開裂，導(dǎo)致涂層抗開裂性能有所下降。綜合各項性能指標(biāo)，采用模數(shù)為4.5的無機(jī)硅酸鉀溶液作為主體成膜物制備的隔熱涂料綜合性能最好，可實現(xiàn)耐水240h、附著力2.8MPa且表面無開裂。
表2 成膜物種類對涂層性能的影響
2.1.2空心微珠對涂層性能的影響
常用的隔熱功能填料有空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠，考慮到微珠的類型、粒徑、強(qiáng)度等因素都會對涂層的隔熱效果產(chǎn)生影響，分別對市售不同型號的空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠的基本性能指標(biāo)進(jìn)行考察，見表3。
表3 不同空心微珠的基本性能參數(shù)
由表3可知，T-2和B-1的綜合性能最佳。盡管T-3、B-2和B-3具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，但是由于微珠尺寸較大，壁厚過薄，導(dǎo)致這3種空心微珠抗壓強(qiáng)度較低、易破損，綜合選用T-2和B-1作為隔熱功能填料，制備成涂料后，對涂層基本性能進(jìn)行考察。微珠的添加量分別為20%、23%、26%、29%、32%（以涂料的總質(zhì)量計），根據(jù)涂層的各項性能進(jìn)行配方篩選，結(jié)果如表4所示。
由表4可知，當(dāng)B-1添加量為29%、32%，T-2添加量為32%時，制備涂層的導(dǎo)熱系數(shù)較低，但是涂層的斷裂伸長率較低，同時涂料的熱貯存穩(wěn)定性也較差，因此不適合。綜合評估，當(dāng)空心陶瓷微珠T-2添加量為29%時，涂層具備較低的導(dǎo)熱系數(shù)且綜合性能最優(yōu)。
表4 空心微珠添加量對涂層性能的影響
綜上，涂層的隔熱性能與空心微珠的粒徑、用量密切相關(guān)?？招奈⒅榈牧皆酱?，其內(nèi)部空心部分體積占比也越大，隔熱效果越佳，但是粒徑越大，空心微珠的抗壓強(qiáng)度越低，極易出現(xiàn)破損；提高空心微珠的添加量有利于減小涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，但隨著添加量的增加，涂層的機(jī)械性能（附著力和斷裂伸長率）都出現(xiàn)下降。因此，在配方研制過程中，需權(quán)衡粒徑和用量對涂層各項性能的影響，以實現(xiàn)最佳的綜合性能。
2.1.3涂層抗開裂性能的優(yōu)化
為了能夠達(dá)到理想的隔熱保溫效果，涂層施工厚度一般較厚，高溫部位甚至達(dá)到2~3cm，在這樣的厚度下，隨著每道漆膜的施工、固化，涂層內(nèi)部應(yīng)力不斷累計，極易出現(xiàn)開裂、剝落；且高溫環(huán)境下使用的隔熱保溫涂料，采用無機(jī)硅酸鹽作為成膜物，在涂料成膜過程中，隨著水分不斷揮發(fā)，成膜物中的硅溶膠會不斷收縮，涂層也容易出現(xiàn)開裂。因此在進(jìn)行涂料的配方設(shè)計時需要考慮涂層的抗開裂性能，本研究采取了2個方面的抗開裂措施：（1）在涂料制備過程中加入無機(jī)礦物纖維（玻璃纖維），在涂層中起到支撐骨架作用，能夠抑制涂料的成膜物由于脫水縮合而導(dǎo)致的收縮，避免內(nèi)部應(yīng)力的集中，可增強(qiáng)涂層的宏觀力學(xué)性能。分別制備了不含補(bǔ)強(qiáng)纖維以及含有補(bǔ)強(qiáng)纖維的隔熱涂料，進(jìn)行試驗板噴涂，涂層厚度5mm，如圖1所示，含有補(bǔ)強(qiáng)纖維的涂層抗開裂性能明顯提升，涂層表面未出現(xiàn)開裂。（2）在涂料施工過程中，覆蓋纖維網(wǎng)或纖維繩，每6~8mm覆蓋一層，可有效消除涂層過厚產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，避免涂層出現(xiàn)剝落，覆蓋纖維繩施工效果如圖2所示，涂層的施工厚度達(dá)20mm時，未出現(xiàn)開裂、剝落。
圖1 補(bǔ)強(qiáng)纖維加入前后涂層表面效果圖
圖2 覆蓋纖維繩施工效果圖
2.2 涂層性能測試評估
根據(jù)2.1中的配方優(yōu)化研究結(jié)果，制備水性隔熱涂料（參考配方見表1），并對涂層的系列性能進(jìn)行了測試評估。
2.2.1涂層基本性能評估
對固化完全的隔熱涂層進(jìn)行熱重分析，結(jié)果如圖3。
圖3 涂層熱重曲線
由圖3可知，當(dāng)升溫到400℃時，涂層的質(zhì)量損失<2%，說明涂層具有較好的熱穩(wěn)定性?？紤]到隔熱涂層的使用環(huán)境溫度高達(dá)300℃，長期處于高溫環(huán)境，對涂層的熱老化性能要求較高，且艦船上使用的隔熱保溫涂料需適應(yīng)海洋行駛的高濕度、高鹽霧環(huán)境的要求，本文研究了涂層的耐熱老化性、耐鹽霧性、耐濕熱性以及防火性能，結(jié)果如表5和表6所示。
表5 涂層基本性能檢測結(jié)果
表6 涂層防火性能測試結(jié)果
由表5可知，隔熱涂層具有較好的耐熱老化性能，經(jīng)過增韌改性后的涂層在高溫環(huán)境下未出現(xiàn)開裂、剝落，可滿足長期300℃高溫環(huán)境運(yùn)行需求，同時隔熱涂層與防腐涂層配套后，具有較好的耐鹽霧或耐濕熱實驗。由表6可知，隔熱涂層具有優(yōu)異的防水性能，符合《2010年國際耐火試驗程序應(yīng)用規(guī)則》附件1第5部分中對船舶表面材料可燃性試驗要求。
2.2.2涂層導(dǎo)熱系數(shù)及隔熱效果評估
導(dǎo)熱系數(shù)是影響涂層隔熱效果的核心指標(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)的大小直接決定涂層最終的隔熱效果。按照ASTME1461-13對固化后的隔熱涂層進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)測試，考慮到不同溫度下，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)可能存在差異，因此測試溫度為50~300℃，測試結(jié)果如表7所示。
表7 常溫隔熱涂層熱流法測試結(jié)果
不同溫度下測得的涂層導(dǎo)熱系數(shù)存在一定差異，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高緩慢上升，從50℃到300℃，導(dǎo)熱系數(shù)上升幅度約10%。
考慮到涂層的實際應(yīng)用環(huán)境，對涂層的實際隔熱效果進(jìn)行了實驗?zāi)M評估，分別在熱蒸汽管道外壁（涂層厚度5mm）以及特制鋼制模具表面（涂層厚度10mm）刮涂隔熱保溫涂料，實驗結(jié)果如圖4所示。
圖4 模擬評估試驗
由圖4可知，熱蒸汽管道外壁未涂覆隔熱保溫涂料時，外壁溫度為122~125℃，涂覆隔熱涂料后，外壁溫度為55~60℃，溫差65℃左右；在特制鋼制模具表面噴涂隔熱涂料后置于馬沸爐中（300℃），放置1h待模具內(nèi)外表面溫度穩(wěn)定后，用紅外點溫槍對涂層表面溫度進(jìn)行測量，平均溫度在140℃左右，實驗結(jié)果顯示，10mm的涂裝厚度可使模具內(nèi)外表面出現(xiàn)160℃的溫度差。
3 結(jié)語
本文研制出一種能兼顧耐高溫和抗開裂的隔熱涂料，分別從涂料制備以及施工2個方面對涂層抗開裂性能進(jìn)行了優(yōu)化，相比于市面上常規(guī)的無機(jī)隔熱涂料，優(yōu)化后的涂層抗開裂性能明顯提升，涂層施工厚度達(dá)到20mm時未出現(xiàn)開裂、剝落。同時涂層具有耐老化、易施工以及突出的防火和隔熱效果等特點，可基本滿足各類高溫異型設(shè)備的隔熱需求，具有較高的推廣和應(yīng)用價值。
來源：涂料工業(yè)
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