汽車排氣管專用耐高溫粉末涂料的研究
分類：技術(shù)文檔 來源： 發(fā)布時間：2023-04-25
摘要：針對于汽車排氣管的使用環(huán)境，研究適合于汽車排氣管的耐高溫粉末涂料.以有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂為基料。制備出一種耐600℃高溫的粉末涂料，有硅固化劑為VN-302，環(huán)氧樹脂的固化劑為酚類固化劑：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)過原料預(yù)混，熔融擠出、磨粉，成功制備了有機硅/環(huán)氧樹脂耐高溫粉末涂料。通過耐沖擊測試、耐高溫、色差分析等方法對有機硅/環(huán)氧樹脂耐高溫粉末涂層性能進行表征和測試考察了有機硅樹脂與環(huán)氧樹脂比例對涂層耐高溫性能的影響：同時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械性能，完全適合汽車排氣管的使用。
現(xiàn)在的環(huán)保政策越來越嚴(yán)格，使得越來越多的涂料廠家改用無污染且利用率極高的粉末涂料。開發(fā)功能性且用于特殊場合的粉末涂料成為一種趨勢，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、高溫爐、車輛排氣管、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，同時具備優(yōu)異的耐熱性和防腐蝕性。由于汽車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，且工作時間較長，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。
本研究以有機環(huán)氧樹脂為成膜物，VN-203為有機硅樹脂固化劑，酚類固化劑為環(huán)氧樹脂的固化劑，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械性能。
1.1.1 耐高溫粉末涂料的配方設(shè)計
耐高溫粉末涂料的使用條件較為惡劣，且高溫工作時間較長，所以對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，即對顏填料在高溫條件下保色性要求高；第三對涂層在高溫條件使用后的機械性能要求較高，若涂層在高溫使用后發(fā)生粉化剝落或發(fā)生龜裂，導(dǎo)致涂層的機械性能大大降低，也是無法滿足使用需要。據(jù)文獻表明，硅酮有機硅樹脂的耐高溫性最好，所以本實驗選擇硅酮有機硅樹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、有機硅樹脂、環(huán)氧樹脂、酚類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，倒入雙螺桿擠出機中，熔融擠出，擠出機的加熱條件為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，可大量磨粉，得耐高溫粉末涂料。涂層的制備包括板材的除油、除銹及涂層的靜電噴涂等。對冷軋板浸漬于熱酸和熱堿中，除去鐵銹和保護油，浸漬時間為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。
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，取出進行性能和涂層色差分析。用色差儀對涂層進行色差分析，所有測試過程均在室溫下（23±2℃）進行；采用QCJ型涂膜耐沖擊器測試涂層性能：按HG/T 2006-2006測試涂層性能，涂層附著力測試采用劃格法。
顏填料是除了樹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。本文對市面上的上述顏填料進行耐高溫測試，主要測試揮發(fā)分和色差，色差測試的方法為將烘烤前后的填料統(tǒng)一按照表2的配方稱量后，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測試色差。揮發(fā)分和色差測試結(jié)果如表3。
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，所以舍棄。本實驗選擇硅微粉作為主要的填料，現(xiàn)市場的耐高溫粉末涂料主要以黑色為主，所以接下來的黑色顏料為錳鐵黑。
2.2 不同有機硅樹脂與環(huán)氧樹脂用量對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℃、固化時間為30min和其他組分質(zhì)量不變的條件下，改變有機硅樹脂與環(huán)氧樹脂用量，涂層在600℃的高溫烘烤1h的條件下，測試結(jié)果如表4。
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,所以有機硅樹脂更適合制造耐高溫粉末涂料。因市場上的耐高溫粉末涂料以砂紋類為主，環(huán)氧樹脂與有機硅樹脂的相容性較差，所以會形成砂紋，且可降低生產(chǎn)成本，所以本文中加入環(huán)氧樹脂。
由表4可得，所有涂層在未高溫烘烤前，涂層的機械性能良好，耐沖擊和附著力皆滿足應(yīng)用需求；但在高溫烘烤后，隨著環(huán)氧樹脂用量的增加，涂層的熱損失也隨之增加，且熱損失僅比相對配方中環(huán)氧樹脂含量高1~2個百分點，所以可以肯定環(huán)氧樹脂在高溫條件下，全部損失。當(dāng)有機硅樹脂的用量高于45％以上時，涂層的耐高溫性能和涂層機械性能良好，烘烤前后的色差ΔE<2，完全可以滿足市場需求；當(dāng)有機硅樹脂的用量低于45％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同）時，涂層烘烤之后，熱損失太大，導(dǎo)致涂層的機械性能太差，涂層觸碰之下就會掉落，且涂層顏色由黑色變成灰紅色。所以接下來的實驗有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂的用量比例固定在45：15。
經(jīng)對比后，發(fā)現(xiàn)含硼玻璃粉的性價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涂層性能的影響如表5所示。
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，而涂層的機械性能，隨之升高而后降低。當(dāng)含硼玻璃粉的用量為5％時，熱損失雖為17.38％，但涂層性能較差：隨著用量的增加，涂層的機械性能和熱損失均逐漸降低；當(dāng)用量高于13％時，涂層的熱損失雖在降低，但涂層機械性能較差。低熔點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，黏結(jié)效果不明顯，如果用量太多，則涂層韌性不足，機械性有所降低。綜合考慮含硼玻璃粉用量10％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
滑石粉呈片層結(jié)構(gòu)，具有較好的高溫下涂層防開裂性能，片層機構(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械性能。不同滑石粉用量對涂層性能的影響如表6所示。
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，所以接下來的實驗選擇用量為3％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
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，進而提高涂層的整體性能，不同硅烷偶聯(lián)劑用量對涂層性能的影響如表7所示。
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，涂層的附著力不再增加，所以接下來的實驗選擇用量為0.9％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
因粉末涂料體系中加入了環(huán)氧樹脂，其與有機硅樹脂的相容性較低，形成的砂紋有亮點，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，提高涂層的裝飾性。但流平劑在高溫下完仝損失，所以不宜過多，以免降低涂層的機械性能。不同流平劑用量對涂層光澤的影響如表8所示。
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，涂層的光澤不再降低，亮點消失。所以流平劑選擇用量為0.7％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。（1）以有機硅樹脂匹配環(huán)氧樹脂，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，且機械性能良好，完全合適于汽車排氣管的使用。（2）通過上述實驗可以得到，硅微粉作為填料，耐高溫性能最好，對涂層的色差和熱損失影響最?。汉谏伭蟿t選擇錳鐵黑；有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂的用量固定在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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