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新一代 常温固化有机硅树脂 用于耐高温和防腐领域

2021-05-05     浏览次数:168    

甲基/苯基有机硅树脂是一种众所周知的技术,具有优异的防腐性能, 持续耐温可达650°C。目前,这些涂料需要在高温下固化,这限制了其在大型构件上的应用,其范围仅限于较小的金属部件,如排气管、烟囱和烤箱部件,以及小型工业炉灶。


新一代甲氧基有机硅树脂开发用于常温固化成膜,在持续耐高温条件下,保持一定的防腐性。高含量的烷氧基官能团与特定的不含锡和重金属的催化剂相结合,在常温下进行水解- 缩合反应,从而使体系交联成膜。这种低挥发性有机化合物的新型树脂代表了一种新的技术,使其能够应用于大型工业构件上,如热交换器、蒸馏塔或工业容器,大多数情况下无需因为其涂装作业而停止生产。本文阐述了基于这种有机硅涂料体系的一些注意事项和应用方法,并给出了评估数据。


表1. 常温固化有机硅树脂(AC 1000和AC 900)与高温固化有机硅树脂(P50/X和P80/X)的对比

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介绍

有机硅树脂的一个共同特点是,由于其具有无机的特性,它们能够为暴露在高温下的基材提供耐热性。基于所含有机改性的类型和数量,它们能抵抗高达650° C 的温度。


有机硅树脂可以用甲基或苯基进行改性。由于其具有无机的特性和低有机改性,它们为暴露在250℃以上的金属部件(如排气管、烟囱或工业炉灶)提供持续的抗氧化作用。


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目前,市面上有不同等级的甲基/苯基类型的有机硅树脂可供选择,通常需要在约250°C/30 分钟条件下进行固化。这种固化要求限制了其在大型构件上的应用,如热交换器、蒸馏塔或工业容器。


由于上述的局限性,新一代甲基/介绍有机硅树脂的一个共同特点是,由于其具有无机的特性,它们能够为暴露在高温下的基材提供耐热性。基于所含有机改性的类型和数量,它们能抵抗高达650°C 的温度。


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常温固化的甲基/ 苯基有机硅树脂化学结构

有机硅树脂可以用甲基或苯基进行改性。由于其具有无机的特性和低有机改性,它们为暴露在250℃以上的金属物之间,特别是在硅酸盐和有机聚合物之间。硅氧烷链(Si-O-Si)也存在于硅酸盐中,是其 “无机”特性的主要原因。有机特性是来自于直接与碳相连的硅碳键。


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通常来说,甲基/ 苯基类型的有机硅树脂在其骨架内含有高达95% 的硅氧烷。在典型的高温固化有机硅树脂中,具有低至不含烷氧基官能团,聚合物结构具有高分子量。少量烷氧基官能团在大约250℃保持30 分钟进行交联。新型的常温固化有机硅树脂与上一代有机硅树脂不同,主要是由于其具有低聚物的特性。这意味着它们含有低分子量的硅氧烷结构和较高的烷氧基官能团。这一特性也使其具有高固体含量(高达100%)和低粘度(表1)。树脂中的官能团为甲氧基、乙氧基或两者的组合。


为了通过缩合交联达到树脂的聚合,这些官能团首先需要进行水解反应,从而形成硅醇基团。然后,这些硅醇基团将以醇缩合的方式进行反应。当这步反应完成后,树脂就具有了聚硅氧烷的特性,并释放出醇类反应副产物。两种有机硅树脂类型的反应机理如图1 和图2 所示。


甲基和/ 苯基等有机部分的影响主要体现在涂层的热稳定性和硬度上,也体现在树脂与颜填料的相容性上。图3展示了甲基和苯基基团对树脂机械性能的影响。基于常温固化有机硅树脂的高耐热防腐涂料配方的开发有机硅涂料的性能与配方密切相关。


基于常温固化有机硅树脂的高耐热防腐涂料配方的开发

具有高耐热性的无机颜料和填料,如氧化物、尖晶石类或反尖晶石类(表2)在配方中不可缺少。片状金属颜料和云母有助于提高热稳定性,最高耐温可达650°C。此外,颜料体积浓度PVC 对性能起着重要作用。涂料的配方应像底漆一样具有相对较高的PVC。


另外,使用片状填料是非常重要的,例如云母。主要提供韧性和隔热性能,特别是在受热膨胀下,高低温交替情况下。图4的例子表明了在配方中未添加(或添加较少)此类填料时,涂层容易发脆开裂。


在400℃以上的温度下,树脂的有机成分几乎完全被烧掉。在650℃下,涂层可以烧结并形成无机复合材料,这些材料非常坚硬,具有化学惰性。


用于耐高温和防腐领域

表1. 常温固化有机硅树脂(AC 1000和AC 900)与高温固化有机硅树脂(P50/X和P80/X)的对比苯基改性有机硅树脂被开发可用于常温条件下固化。它们含有相对较高的烷氧基官能团和低聚物特征。所得涂料随后将通过水解- 缩合的方式进行固化。


常温固化的甲基/ 苯基有机硅树脂化学结构有机硅是一种被称为聚有机硅氧烷的化合物。该产品组的定义如下:他们是聚合物;具有直接与碳相连的硅碳键;至少有一个氧原子连接在硅原子上。


如前所述,这些有机硅树脂的反应活性使其能在常温下进行催化交联。建议催化剂优先选择如钛类化合物(图5)。AC900 树脂还需要加入一种强碱类催化剂TMG(四甲基胍),用以加快反应速度。建议钛酸酯类与TMG 的混合比例优选为1:1。两种催化剂的推荐用量均为0.5-2.0%,具体取决于配方。相对湿度越高,其反应越快。建议在施工前添加催化剂(即做成两组份涂料)。


性能特点

当涂层充分固化后,有机硅涂料提供下列性能:

◆ 涂层性能

优异的防腐性能;优异的早期耐化学品性能(如图6);永久的抗氧化性和耐候性能。

◆ 热稳定性

优异的持久耐高温性能;在高温下保持较高的硬度(低热塑性);在高温下保持优异的抗黄变性能。两种AC 系列的有机硅树脂都可以用来制备耐高温涂料。然而,它们在技术方面是存在一定的差异。AC900 具有较好的颜料润湿性,与其他树脂的相容性也不错。这种树脂有助于制备具有一定柔韧性的涂料,这非常有助于通过冷热循环测试。AC1000 对颜料的润湿性一般,但颜料在热应力下的稳定性较好,它不易泛黄。这种树脂在第一次加热时表现出极低的发烟现象。


结论

相比于传统的高温固化的有机硅树脂来说,常温固化的耐高温有机硅树脂是一种更好的选择。它的高固含和低粘度能够显著降低涂料的VOC。此外,这种树脂还有着低气味和低发烟的特点。当配方充分交联固化后,涂层具有优异的防腐蚀性能和早期耐化学品性能,以及长期的耐高温性能。这些性能使其能够应用于化工厂、发电厂和垃圾焚烧设备以及其他大型工业设施,并且无需因为涂装作业而停止生产,从而降低成本。


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