新型耐高温抗静电涂料的制备研究

　　刘华荣，姜卫丽，苏桂明，王宇非
　　
　　（哈尔滨化工研究所，哈尔滨150020）
　　
　　摘要：以酸性磷酸铝无机黏结剂为成膜物，电熔石英粉为耐高温填料，OP－10为非离子型表面活性剂，氧化镁和氧化锌为固化剂，二氧化锡为导电填料，制备了新型耐高温抗静电涂料。试验结果表明，反应时间为60min，耐高温填料的加入量为30%，表面活性剂的加入量为1%，固化剂的加入量为0.5%~0.8%，增稠剂的加入量为2.1%~2.7%，导电填料的加入量为1%~2%时，其耐高温性能可达1000℃（5min）。
　　
　　关键词：耐高温涂料；抗静电涂料；导电填料
　　
　　1引言
　　
　　抗静电涂料是一种涂于物体表面，使之具有一定的传导电流和消除积累电荷能力的功能性涂料[1-2]，其在航天航空领域主要应用于导弹天线罩和飞机雷达罩，以对罩体结构进行保护，同时也起到一定的装饰作用。抗静电涂料对消除天线罩和雷达罩的静电，降低静电对雷达及通信系统的干扰，实现雷达及通信系统的正常工作具有重要作用，是不可或缺的功能性涂料[3]。传统的抗静电涂料是将金属粉末、石墨或金属氧化物粉末等导电填料直接分散于基体树脂中掺合而成的[4]。由于掺合的导电填料是无机分子，而基体树脂往往是有机高聚物，这种结构差异使得基体树脂与导电填料之间的分散性不良，难以形成均相体系，从而影响其导电性能；另外，以有机聚合物为基体树脂制备的抗静电涂料，其耐热性较差，一般不超过200℃，无法满足更高耐热性能的要求（不小于500℃）。本研究以酸性磷酸铝无机黏结剂为主要成膜物，并配以低介电耐高温填料电熔石英粉，以气相二氧化硅为凝胶剂，以金属氧化物为固化剂，制备了耐高温抗静电涂料，该涂料具有良好的耐热性能和抗静电性能。
　　
　　2试验部分
　　
　　2.1试验原料
　　
　　5μm电熔石英粉（工业品），连云港东海长通硅微粉有限公司；表面活性剂OP-10（分析纯），北京宏盛苑化工有限公司；气相二氧化硅（分析纯），上海迪祥化工有限公司；其余均为市售分析纯。
　　
　　2.2试验仪器
　　
　　WHK-14/30球磨机；AVS470型运动黏度计；HVS维氏硬度测试仪；WYQ-Ⅱ圆柱轴弯曲试验仪；ISO刮板细度计；ZC42-3型兆欧表；SH151G型马弗炉。

　　 　　2.3酸性磷酸铝的制备
　　
　　称取浓度为85％的磷酸576g，加水稀释至979g，将其加热至90℃；称取Al(OH）3190g，缓慢加入到磷酸中并不断搅拌，升温至98℃搅拌反应一定时间，冷却后制得酸性磷酸铝无机黏结剂；最后加水调节酸性磷酸铝的质量浓度为35％。

　　磷酸铝黏结剂制备工艺流程见图1。

　　2.4涂料的制备及喷涂
　　
　　将表面活性剂OP-10、5μm电熔石英粉加入到酸性磷酸铝无机黏结剂中，球磨混合1.5h；然后加入气相二氧化硅，继续球磨1h；而后再加入固化剂氧化镁、氧化锌，球磨1h，得到耐高温抗静电涂料。将上述制备的耐高温抗静电涂料搅拌均匀后喷涂于60mm×50mm×3mm和50mm×20mm×3mm的氧化铝陶瓷试板上，室温下20min表干，160℃固化完全。
　　
　　2.5性能测试
　　
　　采用相应的仪器测试涂料体系的黏度、表面电阻、维氏硬度、柔韧性和细度。将固化后得到的试板置于马弗炉中，进行高温烧蚀试验，烧蚀温度分别为500℃、800℃、1000℃，烧蚀时间为5min，对涂层外观进行观察。
　　
　　3结果与讨论
　　
　　3.1反应时间对磷酸铝体系黏度的影响
　　
　　在加热情况下，磷酸与氢氧化铝粉末会产生化学反应，生成新的产物。根据二者量的不同，可能有下列3个反应：
　　
　　Al（OH）3+3H3PO4=Al（H2PO4）3+3H2O（1）
　　
　　2Al（OH）3+3H3PO4=Al2（HPO4）3+3H2O（2）
　　
　　Al（OH）3+H3PO4=AlPO4+3H2O（3）
　　
　　由于Al2（HPO4）3和AlPO4在水中的溶解度较低，将以沉淀的形式析出，因此随着反应的进行，体系中磷酸铝的产率逐渐增大，表观上表现为体系的黏度增大。因此为了控制反应转化率，需监测体系黏度随反应时间的变化，其结果见图2。

　　图2反应时间对体系黏度的影响

　　由图2可知，随着反应时间的延长，体系的黏度呈指数形式变化。在反应初期，体系黏度随时间的延长变化不大，当反应时间大于30min后，体系中磷酸铝的产率迅速增加，相应地体系黏度也迅速增大。综合考虑反应时间对磷酸铝体系的产率及黏度的影响，确定反应时间为60min。

　　 　　3.2耐高温填料对涂料性能的影响
　　
　　采用上述试验制备的酸性磷酸铝无机黏结剂为主要成膜物，并通过向体系中加入耐高温填料以实现涂料的耐高温性能。考察耐高温填料的加入量对涂料硬度和柔韧性的影响，试验结果见图3。

　　图3耐高温填料对涂料性能的影响

　　由图3可知，随着耐高温填料加入量的增加，涂料的硬度逐渐增大，柔韧性逐渐降低。综合考虑涂料的硬度和柔韧性，确定耐高温填料的加入量为涂料总量的30%。
　　
　　3.3表面活性剂对涂料性能的影响
　　
　　为了改善耐高温固体填料在无机黏结剂中的分散效果和涂料的润湿性，本研究选用向体系中加入非离子型表面活性剂烷基（壬基）酚聚氧乙烯醚（简称OP-10）。固定耐高温填料的加入量为30%（质量分数），考察表面活性剂的加入量对涂料细度的影响，试验结果见图4。
　　
　　由图4可知，随着表面活性剂加入量的增加，涂料细度逐渐降低，直至无明显变化，也就是说随着表面活性剂的不断加入，耐高温填料在涂料中的分散效果越来越好，直至无明显变化，故确定表面活性剂的加入量为1%（质量分数）。
　　
　　3.4导电填料、固化剂对涂料性能的影响
　　
　　本研究采用氧化镁和氧化锌为耐高温抗静电涂料的固化剂，以气相二氧化硅为增稠剂，以二氧化锡为导电填料。固定耐高温填料的加入量为30%，表面活性剂OP-10的加入量为1%，氧化镁和氧化锌的质量比为2.4∶1.0，考察了导电填料、固化剂、增稠剂的加入量对涂料性能的影响，试验结果见表1。

　　表1固化剂、增稠剂、导电填料加入量对涂料性能的影响

　　由表1可知，当固化剂和增稠剂的加入量一定时，涂料的表面电阻值随着导电填料加入量的增大而减小，导电性逐渐增强。当导电填料的加入量一定时，涂料的表面电阻值随着固化剂和增稠剂加入量的增加几乎不变。由于抗静电涂料指的是一组表面电阻率在105~109Ω范围内的特种功能性涂料，因此确定固化剂的加入量为0.5%~0.8%，增稠剂的加入量为2.1%~2.7%时，导电填料的加入量以1%~2%为最佳。

　　 　　3.5耐高温性能测试
　　
　　将固化后的氧化铝陶瓷试板置于马弗炉中进行高温烧蚀试验，烧蚀温度分别为500℃、800℃、1000℃，烧蚀时间均为5min，试验结束后对涂层外观进行观察。结果表明：经不同温度烧蚀后，涂层均未碳化，未出现明显的裂痕及脱落现象，即体系内未发生其它反应，耐热性好。
　　
　　4结语
　　
　　本研究以酸性磷酸铝无机黏结剂为成膜物，以电熔石英粉为耐高温填料，以OP－10为非离子型表面活性剂，以氧化镁和氧化锌为固化剂，以二氧化锡为导电填料制备了新型耐高温抗静电涂料。当反应时间为60min，耐高温填料的加入量为30%，表面活性剂的加入量为1%，固化剂的加入量为0.5%~0.8%，增稠剂的加入量为2.1%~2.7%，导电填料的加入量为1%~2%时，其耐高温性能可达1000℃（5min）。