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汽車(chē)排氣管專(zhuān)用耐高溫粉末涂料的研究

分類(lèi):技術(shù)文檔     來(lái)源:    發(fā)布時(shí)間:2023-04-25
摘要:針對(duì)于汽車(chē)排氣管的使用環(huán)境,研究適合于汽車(chē)排氣管的耐高溫粉末涂料.以有機(jī)硅樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂為基料。


制備出一種耐600℃高溫的粉末涂料,有硅固化劑為VN-302,環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑為酚類(lèi)固化劑:加入含硼玻璃粉可明顯提高耐高溫性能,滑石粉可明顯改善烘烤后的涂層完整性,硅微粉可提高涂層的熱失重穩(wěn)定性,硅烷偶聯(lián)劑可提高涂層的附著力。

經(jīng)過(guò)原料預(yù)混,熔融擠出、磨粉,成功制備了有機(jī)硅/環(huán)氧樹(shù)脂耐高溫粉末涂料。通過(guò)耐沖擊測(cè)試、耐高溫、色差分析等方法對(duì)有機(jī)硅/環(huán)氧樹(shù)脂耐高溫粉末涂層性能進(jìn)行表征和測(cè)試

考察了有機(jī)硅樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂比例對(duì)涂層耐高溫性能的影響:同時(shí)也考察了含硼玻璃粉、滑石粉、流平劑和硅烷偶聯(lián)劑用量對(duì)涂層耐高溫性能的影響。

結(jié)果表明:經(jīng)優(yōu)化后的涂層具有優(yōu)異的耐高溫性能和良好的機(jī)械性能,完全適合汽車(chē)排氣管的使用。

前言
現(xiàn)在的環(huán)保政策越來(lái)越嚴(yán)格,使得越來(lái)越多的涂料廠(chǎng)家改用無(wú)污染且利用率極高的粉末涂料。開(kāi)發(fā)功能性且用于特殊場(chǎng)合的粉末涂料成為一種趨勢(shì),如耐高溫粉末涂料。

耐高溫粉末涂料應(yīng)用廣泛,如燒烤爐、暖風(fēng)機(jī)、高溫爐、車(chē)輛排氣管、特殊熱管道等。耐高溫粉末涂料不僅具有普通粉末涂料的性能,同時(shí)具備優(yōu)異的耐熱性和防腐蝕性。

由于汽車(chē)排氣管用粉末涂料使用條件較為惡劣,排氣管的溫度500℃以上,且工作時(shí)間較長(zhǎng),而傳統(tǒng)溶劑型涂料在環(huán)保政策日趨嚴(yán)格的監(jiān)管下,將逐步被限制,研發(fā)汽車(chē)排氣管用耐高溫粉末涂料是具有非凡意義的。

本研究以有機(jī)環(huán)氧樹(shù)脂為成膜物,VN-203為有機(jī)硅樹(shù)脂固化劑,酚類(lèi)固化劑為環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑,并加入玻璃粉、滑石粉、硅微粉、錳鐵黑、流平劑和硅烷偶聯(lián)劑等顏填料,顯著提高涂層的耐高溫性能和良好的機(jī)械性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1.1 耐高溫粉末涂料的配方設(shè)計(jì)
耐高溫粉末涂料的使用條件較為惡劣,且高溫工作時(shí)間較長(zhǎng),所以對(duì)涂層性能的要求很高,首先就是原材料在高溫條件下,熱損失較低;

第二要求涂層在高溫下保色性要高,否則影響美觀,即對(duì)顏填料在高溫條件下保色性要求高;

第三對(duì)涂層在高溫條件使用后的機(jī)械性能要求較高,若涂層在高溫使用后發(fā)生粉化剝落或發(fā)生龜裂,導(dǎo)致涂層的機(jī)械性能大大降低,也是無(wú)法滿(mǎn)足使用需要。

據(jù)文獻(xiàn)表明,硅酮有機(jī)硅樹(shù)脂的耐高溫性最好,所以本實(shí)驗(yàn)選擇硅酮有機(jī)硅樹(shù)脂為耐高溫粉末涂料的成膜物,為了降低成本還加入少量環(huán)氧樹(shù)脂。表1是典型的耐高溫粉末涂料的配方組成。

1.1.2 篩選顏填料
將不同廠(chǎng)家的顏填料在同等質(zhì)量下,放入馬弗爐內(nèi),600℃高溫烘烤1h,然后取出,觀察揮發(fā)分和顏色變化,顏色變化主要以色差儀為準(zhǔn)(60°)。

1.1.3 粉末涂料的制備工藝
將上述篩選的顏填料、有機(jī)硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚類(lèi)固化劑和其他原料按表1配方加入攪拌缸中,在轉(zhuǎn)速400r/min的條件下攪拌4min。

攪拌均勻后,倒入雙螺桿擠出機(jī)中,熔融擠出,擠出機(jī)的加熱條件為Ⅰ區(qū)溫度110℃、Ⅱ區(qū)溫度125℃。

擠出完成后,冷卻至常溫,送入磨粉機(jī)磨粉,磨粉條件為主磨轉(zhuǎn)速8500~9500r/min、副磨轉(zhuǎn)速6500~7500r/min,網(wǎng)為180目,當(dāng)粉末涂料的粒徑調(diào)整為32~37μm時(shí),可大量磨粉,得耐高溫粉末涂料。

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1.1.4 涂層的制備
涂層的制備包括板材的除油、除銹及涂層的靜電噴涂等。

對(duì)冷軋板浸漬于熱酸和熱堿中,除去鐵銹和保護(hù)油,浸漬時(shí)間為7~10min。處理完成后,自然晾干。采用靜電噴涂法,將粉末噴涂于冷軋板上,在230℃下,固化30min,即得耐高溫粉末涂層,涂膜厚度約為60~80μm。

1.2 分析與測(cè)試

1.2.1 高溫測(cè)試
將上述固化完成耐高溫粉末涂層的馬口鐵置于馬弗爐內(nèi),在600℃下烘烤1h,烘烤完成后,取出進(jìn)行性能和涂層色差分析。

1.2.2 其他性能測(cè)試
用色差儀對(duì)涂層進(jìn)行色差分析,所有測(cè)試過(guò)程均在室溫下(23±2℃)進(jìn)行;采用QCJ型涂膜耐沖擊器測(cè)試涂層性能:按HG/T 2006-2006測(cè)試涂層性能,涂層附著力測(cè)試采用劃格法。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏填料的篩選

顏填料是除了樹(shù)脂之外最重要的部分,其直接關(guān)系到涂層的裝飾性和耐熱性。根據(jù)文獻(xiàn)表明,硅材料、硫酸鋇、滑石粉、云母粉、玻璃粉和錳鐵黑是耐高溫涂料中最常用的顏填料。

本文對(duì)市面上的上述顏填料進(jìn)行耐高溫測(cè)試,主要測(cè)試揮發(fā)分和色差,色差測(cè)試的方法為將烘烤前后的填料統(tǒng)一按照表2的配方稱(chēng)量后,按1.3.3制備粉末涂料,然后按1.3.4制備涂層,然后按1.4測(cè)試色差。揮發(fā)分和色差測(cè)試結(jié)果如表3。

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從表3可得,玻璃粉的揮發(fā)分最低,為0.06%:其次為錳鐵黑,為0.12%;再其次為硅微粉,揮發(fā)分為0.13%;再其次為消光鋇,揮發(fā)分為1.52%;

C311的揮發(fā)分最高,為36.4%,不能用于耐高溫粉末涂料;再其次為滑石粉,揮發(fā)分為10.8%,但是其線(xiàn)膨脹系數(shù)大,體積膨脹系數(shù)小,其可以改變高溫下的耐裂變性。

從表3可得,色差最低的為硅微粉,其次為沉淀硫酸鋇,再次為納米硫酸鋇,即使沉淀硫酸鋇和納米硫酸鋇的色差較好,色差依然大于2,肉眼可見(jiàn),所以舍棄。

本實(shí)驗(yàn)選擇硅微粉作為主要的填料,現(xiàn)市場(chǎng)的耐高溫粉末涂料主要以黑色為主,所以接下來(lái)的黑色顏料為錳鐵黑。

2.2 不同有機(jī)硅樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂用量對(duì)耐高溫粉末涂料性能的影響

按照1.3.3的步驟制備粉末涂料,在固化溫度為230℃、固化時(shí)間為30min和其他組分質(zhì)量不變的條件下,改變有機(jī)硅樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂用量,涂層在600℃的高溫烘烤1h的條件下,測(cè)試結(jié)果如表4。

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硅氧鍵(Si一O)的鍵能是425kJ/mol,而碳氧鍵(C一O)的鍵能為351kJ/mol,碳碳鍵(C一C)的鍵能為345kJ/mol,所以有機(jī)硅樹(shù)脂更適合制造耐高溫粉末涂料。

因市場(chǎng)上的耐高溫粉末涂料以砂紋類(lèi)為主,環(huán)氧樹(shù)脂與有機(jī)硅樹(shù)脂的相容性較差,所以會(huì)形成砂紋,且可降低生產(chǎn)成本,所以本文中加入環(huán)氧樹(shù)脂。

由表4可得,所有涂層在未高溫烘烤前,涂層的機(jī)械性能良好,耐沖擊和附著力皆滿(mǎn)足應(yīng)用需求;

但在高溫烘烤后,隨著環(huán)氧樹(shù)脂用量的增加,涂層的熱損失也隨之增加,且熱損失僅比相對(duì)配方中環(huán)氧樹(shù)脂含量高1~2個(gè)百分點(diǎn),所以可以肯定環(huán)氧樹(shù)脂在高溫條件下,全部損失。

當(dāng)有機(jī)硅樹(shù)脂的用量高于45%以上時(shí),涂層的耐高溫性能和涂層機(jī)械性能良好,烘烤前后的色差ΔE<2,完全可以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求;

當(dāng)有機(jī)硅樹(shù)脂的用量低于45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),后同)時(shí),涂層烘烤之后,熱損失太大,導(dǎo)致涂層的機(jī)械性能太差,涂層觸碰之下就會(huì)掉落,且涂層顏色由黑色變成灰紅色。所以接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)有機(jī)硅樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂的用量比例固定在45:15。

2.3 含硼玻璃粉用量對(duì)涂層耐高溫性能的影響

經(jīng)對(duì)比后,發(fā)現(xiàn)含硼玻璃粉的性?xún)r(jià)比和性能更適合耐高溫粉末涂料,所以本文使用含硼玻璃粉。不同含硼玻璃粉用量對(duì)涂層性能的影響如表5所示。

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由表5可得,隨著含硼玻璃粉用量的增加,涂層的熱損失隨之降低,而涂層的機(jī)械性能,隨之升高而后降低。

當(dāng)含硼玻璃粉的用量為5%時(shí),熱損失雖為17.38%,但涂層性能較差:隨著用量的增加,涂層的機(jī)械性能和熱損失均逐漸降低;當(dāng)用量高于13%時(shí),涂層的熱損失雖在降低,但涂層機(jī)械性能較差。

低熔點(diǎn)的含硼玻璃粉在高溫下融化,具有一定的黏結(jié)作用,但用量較少時(shí),黏結(jié)效果不明顯,如果用量太多,則涂層韌性不足,機(jī)械性有所降低。綜合考慮含硼玻璃粉用量10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.4 滑石粉用量對(duì)涂層性能的影響

滑石粉呈片層結(jié)構(gòu),具有較好的高溫下涂層防開(kāi)裂性能,片層機(jī)構(gòu)可以給予涂層一定的耐沖擊性,且層間的范德華力較弱,所以加入適量的滑石粉有利于提高涂層的機(jī)械性能。不同滑石粉用量對(duì)涂層性能的影響如表6所示。

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從表6可得,隨著滑石粉用量的增加,熱損失也逐步增加,這是由于滑石粉中含有結(jié)合水,所以用量越多,涂層的熱損失越大;

涂層的表觀性能隨著用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),所以接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)選擇用量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.5 硅烷偶聯(lián)劑用對(duì)涂層性能的影響
硅烷偶聯(lián)劑可以增加涂層與基材的附著力,也可增加材料間的黏結(jié)力,進(jìn)而提高涂層的整體性能,不同硅烷偶聯(lián)劑用量對(duì)涂層性能的影響如表7所示。

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由表7可得,涂層附著力隨著用量的增加而增加,當(dāng)用量大于0.9%時(shí),涂層的附著力不再增加,所以接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)選擇用量為0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.6 流平劑用量對(duì)涂層性能的影響

因粉末涂料體系中加入了環(huán)氧樹(shù)脂,其與有機(jī)硅樹(shù)脂的相容性較低,形成的砂紋有亮點(diǎn),涂層的光澤有所升高,降低了涂層的裝飾性。

所以需加入少量流平劑,降低亮點(diǎn),提高涂層的裝飾性。但流平劑在高溫下完仝損失,所以不宜過(guò)多,以免降低涂層的機(jī)械性能。不同流平劑用量對(duì)涂層光澤的影響如表8所示。

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從表8可得,隨著流平劑用量的增加,光澤也逐步降低;當(dāng)用量大于0.7%時(shí),涂層的光澤不再降低,亮點(diǎn)消失。所以流平劑選擇用量為0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)以有機(jī)硅樹(shù)脂匹配環(huán)氧樹(shù)脂,配以耐高溫顏填料,成功制得了一種耐600℃高溫1h的耐高溫粉末涂料,且機(jī)械性能良好,完全合適于汽車(chē)排氣管的使用。
(2)通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以得到,硅微粉作為填料,耐高溫性能最好,對(duì)涂層的色差和熱損失影響最?。汉谏伭蟿t選擇錳鐵黑;有機(jī)硅樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂的用量固定在45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));含硼玻璃粉用量為10%〔質(zhì)量分?jǐn)?shù));滑石粉用量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):硅烷偶聯(lián)劑用量為0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):流平劑選擇用量為0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。


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