CN115418121A - 一种铁基水性耐高温绝缘涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁基水性耐高温绝缘涂料，由以下成分组成：低熔点玻璃粉30～50份，无机骨料5～20份，粘结剂0.5～5份，分散剂0.2～5份，有机硅成膜助剂0～5份，硅溶胶0.5～5份，去离子水35～60份。应用，将铁基水性耐高温绝缘涂料涂覆于钢材表面，再经历三个温度段固化，60～120℃脱水30min，240～300℃保温5～10min，540～620℃固化5～15min后降温冷却即可。有益效果为：仅以水作为分散介质不含挥发性溶剂制备方法绿色环保，烧结温度低(540～620℃)对基材损害小，有机组分少，避免了高温下有机物分解造成的涂层粉化、附着力下降、涂层脱落等问题。
Description
技术领域
本发明涉及涂料与耐高温绝缘材料技术领域，具体涉及一种铁基水性耐高温绝缘涂料及其制备方法和应用。
背景技术
耐高温涂料通常是指涂层在200℃以上不脱落仍能保持适当物理机械性能的涂料。常规的有机绝缘涂层在室温下具有良好的绝缘性，但其使用温度通常在220℃以下，无法在某些具有防火需求的高温工况(600℃)下使用。以无机填料复合耐热树脂制备的半无机涂层耐热性可获得较大提升，如二氧化硅改性聚酰胺酰亚胺涂料使用温度可提高到300℃以上，而以有机硅为主要成膜物质的半无机涂层使用温度可短暂提高到500℃以上。半无机涂料通常含有较高含量的有机成膜物质，当温度超过400℃时有机物即开始分解，涂层结构被破坏，温度达到600℃时有机物基本全部分解，涂层气孔增加性能下降明显，即使未出现脱落，粉化、附着力和绝缘性大幅下降等问题依然难以避免。
与以上几种涂层材料相比，无机涂层材料具有更好的耐高温绝缘性，适用于一些特殊工况下的电气绝缘需求。早在1945-1950年间二氧化硅陶瓷涂覆层就开始用于耐高温绝缘电磁线，这种涂层绝缘性虽好，但涂层厚度限制在20um内；之后90年代日本开始将氧化铝陶瓷作为绝缘涂层涂覆于绝缘电磁线表面；后来土耳其哈兰大学的Erdal等采用溶胶-凝胶法在银线表面成功覆盖了ZrO-MgO绝缘涂层。绝缘涂层材料有许多种，但受限于钢材较高的热膨胀系数(10*10-6/K～14*10-6/K)，适用不锈钢的耐高温绝缘烧结涂料品种仍较少，尤其是烧结温度低的环保水性产品。
专利CN 104726016A公开了一种304不锈钢基材表面的耐高温绝缘涂层材料，涂料以高沸点溶剂作为稀释剂，在850℃烧结，涂层在室温下具有良好的绝缘性，但烧结温度高损害基材、可涂厚度小、涂层附着力差。
有机质材料在高温下容易热氧化降解，造成涂层孔隙率增加、附着力下降，同时绝缘性降低，典型的，经过测试发现涂覆于201不锈钢表面的耐高绝缘涂层ZS-1091在室温下可保持非常好的绝缘性和良好的涂层韧性、附着力，而当涂层厚度超过300um后，经过400℃以上高温处理30min后涂层即出现了表面粉化、碳化甚至开裂现象，附着力和绝缘性大幅下降，且涂层越厚，这种现象就越明显。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铁基水性耐高温绝缘涂料及其制备方法和应用，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种铁基水性耐高温绝缘涂料，由以下成分组成：
低熔点玻璃粉30份～50份，无机骨料5份～20份，粘结剂0.5份～5份，分散剂0.2份～5份，有机硅成膜助剂0份～5份，硅溶胶0.5份～5份，去离子水35份～60份。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述低熔点玻璃粉为Al2O3/SiO2/P2O5/K2O型、Al2O3/SiO2/B2O3/K2O型低温玻璃粉中的一种或两种。
进一步，所述低熔点玻璃粉为BL-45、GT-45、GT-50、GT-55、D235、G-57、D245、LX-45、LX-680、TY-280、TY-906中的一种或几种；玻璃粉初始熔融温度为420℃～600℃，20℃℃～300℃线热膨胀系数在10*10-6/K～16*10-6/K。
进一步，所述无机骨料为球形α氧化铝，云母片、球状二氧化硅，微米级氧化锆、微米级氧化镁中的一种或几种，骨料粒径D50为1um～20um。
进一步，所述粘结剂为PVA-424H、磷酸二氢铝、水玻璃、六氟硅酸钠中的一种或两种。
进一步，所述分散剂为阴离子乳化剂、聚醚改性有机硅、脂肪醇聚氧乙烯醚、三聚磷酸铝、三聚磷酸硅中的一种或几种。
进一步，所述阴离子乳化剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，所述聚醚改性有机硅为ZX-101或ZX-102，所述脂肪醇聚氧乙烯醚为AEO-9或AEO-12。
进一步，所述有机硅成膜助剂为甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、聚甲基三乙氧基硅烷、MSD-1952、有机硅聚醚改性七甲基三硅氧烷、SH-3021、S2410E树脂中的一种或几种。
进一步，所述硅溶胶为酸性硅溶胶、中性硅溶胶中的一种，固含量为20％～40％，平均粒径为5nm～20nm。
为解决耐高温涂层在高温(>400℃)下绝缘性下降、可涂厚度低的问题，本发明铁基水性耐高温绝缘涂料仅以水作为分散介质不含挥发性溶剂，绿色环保，原料廉价易得，本发明所述的铁基水性耐高温绝缘涂料使用了多种熔融温度的低熔点玻璃粉作为成膜物质，绝缘性良好的无机物作为骨料，涂料有机组分少(90％以上为无机物)，并控制粉料整体的热膨胀系数与基材匹配以避免烧结和降温过程中热应力引起的开裂，减少涂层高温处理后的孔隙率，避免了高温下有机物分解造成的涂层粉化、附着力下降、涂层脱落等问题，高温绝缘性能好，烧结温度低。
基于上述技术方案，本发明还提供一种铁基水性耐高温绝缘涂料的制备方法，包括如下步骤：
称取低熔点玻璃粉、无机骨料、粘结剂、分散剂、有机硅成膜助剂、去离子水，在800-1200r/min下高速搅拌混合均匀，再降低搅拌速率到500r/min以下，滴加硅溶胶混合均匀，即可得到铁基水性耐高温绝缘涂料。
采用上述进一步的有益效果为：制备方法简单，绿色环保。
基于上述技术方案，本发明还提供一种铁基水性耐高温绝缘涂料的应用，钢材表面经过碱洗除油、喷砂或者砂纸打磨使表面粗糙后，将铁基水性耐高温绝缘涂料涂覆于钢材表面，再经历三个温度段固化，60℃～120℃脱水30min，240℃～300℃保温5min～10min，540℃～620℃固化5min～15min后降温冷却，重复多次涂覆固化达到所需厚度即可在钢材表面形成耐高温绝缘涂层。
采用上述进一步的有益效果为：施工方式简单，经过高温固化(540℃～620℃)后的涂层具有较高的击穿强度和良好的附着力。
进一步，涂覆的方式可以为刮涂、刷涂、喷涂、丝网印刷。
附图说明
图1为耐高温绝缘涂层在Q235碳钢表面高温固化后的效果图；
图2为耐高温绝缘涂层在430不锈钢表面高温固化后的效果图；
图3为耐高温绝缘涂层在201不锈钢表面高温固化后的效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种铁基水性耐高温绝缘涂料，涂料由以下质量份数的成分组成：
LX-45低熔点玻璃粉25份、GT-50低熔点玻璃粉5份、LX-680低熔点玻璃粉3份、微米级氧化镁8份、1.2um球状二氧化硅2份、液体磷酸二氢铝2份、ZX-101乳化剂1份、三聚磷酸铝2份、30％中性硅溶胶2份和去离子水50份。
将以上质量配比的成分按照以下制备方法制得涂料：
S1、按照质量配比称取LX-45低熔点玻璃粉、GT-50低熔点玻璃粉、LX-680低熔点玻璃粉、微米级氧化镁、1.2um球状二氧化硅、液体磷酸二氢铝、ZX-101乳化剂、三聚磷酸铝、去离子水在1000r/min～1200r/min机械搅拌混合20min备用；
S2、降低搅拌速率到400r/min，缓慢加入30％中性硅溶胶，搅拌10min，即得铁基水性耐高温绝缘涂料。
如图1所示，该铁基水性耐高温绝缘涂料的应用：
Q235钢材表面经碱洗后喷砂处理，去离子水清洗表面后晾干；
利用线棒涂布器让铁基水性耐高温绝缘涂料在钢材表面形成200um的湿膜，80℃干燥30min，升温到300℃保温5min，置于580℃马弗炉中固化10min后降温冷却，重复多次涂覆固化达到所需厚度。
实施例2
一种铁基水性耐高温绝缘涂料，涂料由以下质量份数的成分组成：
LX-45低熔点玻璃粉25份、TY-906低熔点玻璃粉5份、G-57低熔点玻璃粉9份、微米级氧化镁6.5份、微米级氧化锆2份、液体磷酸二氢铝2.5份、三聚磷酸铝2.5份、聚醚改性有机硅0.5份、甲基硅酸钾0.5份、30％酸性硅溶胶1.5份、去离子水45份。
将以上质量配比的成分按照以下制备方法制得涂料：
S1、按照质量配比称取LX-45低熔点玻璃粉、TY-906低熔点玻璃粉、G-57低熔点玻璃粉、微米级氧化镁、微米级氧化锆、液体磷酸二氢铝、三聚磷酸铝、聚醚改性有机硅、甲基硅酸钾、去离子水在800r/min～1200r/min机械搅拌混合30min备用；
S2、降低搅拌速率到400r/min，缓慢加入30％中性硅溶胶，搅拌10min，即得铁基水性耐高温绝缘涂料。
该铁基水性耐高温绝缘涂料的应用：
如图2所示，430不锈钢表面经喷砂处理后，去离子水清洗表面后晾干；
利用线棒涂布器让铁基水性耐高温绝缘涂料在钢材表面形成200um的湿膜，80℃干燥30min，升温到300℃保温10min，置于590℃马弗炉中固化5min～15min后降温冷却，重复多次涂覆固化达到所需厚度。
实施例3
一种铁基水性耐高温绝缘涂料，涂料由以下质量份数的成分组成：
LX-45低熔点玻璃粉10份、TY-280低熔点玻璃粉20份、G-57低熔点玻璃粉10份、LX-680低熔点玻璃粉3份、微米级氧化镁8份、磷酸二氢铝3份、三聚磷酸铝3份、ZX-101乳化剂0.8份、甲基硅酸钾0.2份、30％酸性硅溶胶2份、去离子水40份。
将以上质量配比的成分按照以下制备方法制得涂料：
S1、按照质量配比称取LX-45低熔点玻璃粉、TY-280低熔点玻璃粉、G-57低熔点玻璃粉、LX-680低熔点玻璃粉、微米级氧化镁、磷酸二氢铝、三聚磷酸铝、ZX-101、甲基硅酸钾、去离子水在800-1200r/min机械搅拌混合30min备用；
S2、降低搅拌速率到400r/min，缓慢加入30％酸性硅溶胶，搅拌10min，即得铁基水性耐高温绝缘涂料。
如图3所示，该铁基水性耐高温绝缘涂料的应用：
201不锈钢表面碱洗后经60目砂纸打磨处理，去离子水清洗表面晾干；
利用线棒涂布器让铁基水性耐高温绝缘涂料在钢材表面形成200um的湿膜，80℃干燥30min，升温到300℃保温5min，置于600℃环境中固化10min后降温冷却，重复多次涂覆固化达到所需厚度。
使用RK7120交直流程控耐压测试仪评价涂层绝缘耐压性能，使用LY-M数显拉开法附着力检测仪评价涂层与钢材间的附着力，实施例1、2、3中烧成膜厚大于500微米时涂层电气性能，见如下表：
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于，由以下成分组成：
低熔点玻璃粉30份～50份，无机骨料5份～20份，粘结剂0.5份～5份，分散剂0.2份～5份，有机硅成膜助剂0份～5份，硅溶胶0.5份～5份，去离子水35份～60份。
2.根据权利要求1所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述低熔点玻璃粉为Al2O3/SiO2/P2O5/K2O型、Al2O3/SiO2/B2O3/K2O型低温玻璃粉中的一种或两种。
3.根据权利要求1或2所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述低熔点玻璃粉为BL-45、GT-45、GT-50、GT-55、D235、G-57、D245、LX-45、LX-680、TY-280、TY-906中的一种或几种；玻璃粉初始熔融温度为420℃～600℃，20℃℃～300℃线热膨胀系数在10*10-6/K～16*10-6/K。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述无机骨料为球形α氧化铝，云母片、球形二氧化硅，微米级氧化锆、微米级氧化镁中的一种或几种，骨料粒径D50为1um～20um。
5.根据权利要求1所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述粘结剂为PVA-424H、磷酸二氢铝、水玻璃、六氟硅酸钠中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述分散剂为阴离子乳化剂、聚醚改性有机硅、脂肪醇聚氧乙烯醚、三聚磷酸铝、三聚磷酸硅中的一种或几种；
所述阴离子乳化剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，所述聚醚改性有机硅为ZX-101或ZX-102，所述脂肪醇聚氧乙烯醚为AEO-9或AEO-12。
7.根据权利要求1所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述有机硅成膜助剂为甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、聚甲基三乙氧基硅烷、MSD-1952、有机硅聚醚改性七甲基三硅氧烷、SH-3021、S2410E树脂中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种铁基水性耐高温绝缘涂料，其特征在于：所述硅溶胶为酸性硅溶胶、中性硅溶胶中的一种，固含量为20％～40％，平均粒径为5nm～20nm。
9.一种如权利要求1～8任一项所述铁基水性耐高温绝缘涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
称取低熔点玻璃粉、无机骨料、粘结剂、分散剂、有机硅成膜助剂、去离子水，在500-1200r/min下搅拌混合均匀，即可得到铁基水性耐高温绝缘涂料。
10.一种如权利要求1～8任一项所述铁基水性耐高温绝缘涂料或如权利要求9所述制备方法所制得的铁基水性耐高温绝缘涂料的应用，其特征在于，将铁基水性耐高温绝缘涂料涂覆于钢材表面，再经历三个温度段固化，60℃～120℃脱水30min，240℃～300℃保温5min～10min，540℃～620℃固化5min～15min后降温冷却，重复多次涂覆固化达到所需厚度即可在钢材表面形成耐高温绝缘涂层。
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