焙燒爐陶瓷防腐涂料的制備及抗熱震性能研究

薛麗梅,安鳳至,林智嶺

（黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院， 哈爾濱 150022 ）

0 引 言

陶瓷基防腐涂料具有耐高溫性能好、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、附著力好、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫工程行業(yè)[1]。陶瓷涂料能保護(hù)耐火材料免受高溫氣流侵蝕，可應(yīng)用于冶金、建材、石油化工、機(jī)械、碳素、電碳等工業(yè)窯爐中，能延長(zhǎng)窯爐使用壽命，延長(zhǎng)設(shè)備維修周期。目前陶瓷涂料存在噴涂于工業(yè)窯爐內(nèi)壁，所形成的陶瓷涂層易開裂、脫落。

趙立英等[2]以氧化鐵、二氧化錳、氧化銅、氧化鈷四種過(guò)渡金屬，在一定壓力與高溫條件下燒結(jié)2h后得到金屬氧化物系尖晶石，研磨后加入一定配比的硅酸鹽粘結(jié)劑，通過(guò)金屬表面熱化學(xué)反應(yīng)法于1080-1150℃高溫?zé)Y(jié)制得一種高節(jié)能的紅外輻射陶瓷涂料，抗熱震性能優(yōu)異。甄強(qiáng)等[3]以氧化硅、氧化鐵、氧化鉻、二氧化錳四種過(guò)渡金屬，在高溫?zé)Y(jié)制備成基體粉料，該粉料具有尖晶石結(jié)構(gòu)，研磨后與一定配比的粘結(jié)劑均勻混合，通過(guò)金屬表面熱化學(xué)反應(yīng)法于1100-1400℃燒結(jié)1-3h，制得的涂料使用溫度可達(dá)1400℃，抗老化性能良好，節(jié)能性能優(yōu)異，抗熱震性能較佳。周婷等[4]以電熔剛玉、莫來(lái)石、碳化硅為基料，配以復(fù)合硅微粉、氧化鋁微粉、木質(zhì)素磺酸鈣、檸檬酸三鈉和復(fù)合減水劑，鋁酸鹽水泥制得一種耐磨陶瓷涂料，該陶瓷涂料在低溫下耐磨性優(yōu)異，穩(wěn)定性強(qiáng)，但在高溫下表現(xiàn)并不佳，表面容易產(chǎn)生裂紋。魯偉明等[5]以二氧化硅、氧化鋯、氧化鈷、氧化鎳為基料，自制的磷酸二氫鋁作為無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，制備出一種粘結(jié)性能良好，涂層結(jié)構(gòu)致密的耐磨性涂料，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)無(wú)機(jī)粘結(jié)劑與骨料配比為1:1.7時(shí)，涂層效果達(dá)到最佳。祝弘濱[6]以硼化鈦、鎳粉末經(jīng)酒精濕球法研磨10小時(shí)后于60℃烘干，制成陶瓷基料，加入去離子水、粘結(jié)劑聚乙二醇和分散劑聚丙烯酰銨，均勻混合后通過(guò)高速等離子噴涂的涂覆方法制得一種高硬度，耐斷裂韌性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密的陶瓷基涂料。

本文研究一種應(yīng)用于電碳行業(yè)焙燒爐爐墻內(nèi)襯的高溫耐火內(nèi)襯陶瓷防腐涂料，提高其抗熱震性能，使所形成的陶瓷涂層不易開裂、脫落。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 陶瓷涂料的制備

將氧化鐵、二氧化錳、氧化鈷、氧化銅、氧化鋯按一定量稱重，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，干燥，于馬弗爐中煅燒，溫度控制在1000℃，煅燒時(shí)間為3小時(shí)，研磨，用200目篩子篩分，將篩分后的基料粉末與堇青石、納米氧化鋁溶膠按一定比例混合均勻，即得涂料。

1.2 性能測(cè)試與表征

測(cè)試陶瓷基防腐涂料涂層的抗熱震性能，按照中國(guó)的長(zhǎng)條試樣試驗(yàn)法(YB4018)。長(zhǎng)條試樣(230mm×114mm×31mm 或 230mm×65mm×31mm)以一個(gè)面(230mm×31mm)為受熱面，按一定速率由室溫加熱至1000℃，保持0.5h，然后取出，放置在冷水中淬冷。利用計(jì)數(shù)格紙記錄載體表面涂層的剩余面積，用以評(píng)價(jià)涂層表面損傷程度。

附著力測(cè)試參照GB/T9286-1998（色漆和清漆介紹漆膜的劃格試驗(yàn)）方法 。

2 結(jié)果討論

2.1 氧化鐵對(duì)涂料性能的影響

選取氧化鐵用量為0g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分用量固定為：二氧化錳4.0g、氧化銅0.3g、氧化鈷0.3g、氧化鋯1.0g、堇青石1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖1。

圖1 不同用量的氧化鐵抗熱震性能Fig. 1 Thermal shock resistance of iron oxide with different dosage

由圖1可看出，氧化鐵用量取1.0g，涂層剩余面積達(dá)到最大值95，涂層抗熱震性能最強(qiáng)。氧化鐵用量取0g，涂層剩余面積為23，此時(shí)涂層抗熱震性能最弱，確定氧化鐵取1.0g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

2.2 二氧化錳對(duì)涂料性能的影響

選取二氧化錳用量為0g、2.0g、4.0g、6.0g、8.0g進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分固定為：氧化鐵1.0g、氧化銅0.3g、氧化鈷0.3g、氧化鋯1.0g、堇青石1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖2。

圖2 不同用量的二氧化錳抗熱震性能Fig. 2 Thermal shock resistance of manganese dioxide with different amounts of manganese

由圖2可看出，二氧化錳用量取4.0g，涂層剩余面積達(dá)到最大值96，涂層抗熱震性能最強(qiáng)。二氧化錳用量取8.0g，涂層剩余面積為32，涂層抗熱震性能最弱，確定二氧化錳取4.0g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

2.3 氧化銅對(duì)涂料性能的影響

選取氧化銅用量為0g、0.1g、0.2g、0.3g、0.4g進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分固定為：二氧化錳4.0g、氧化鐵1.0g、氧化鈷0.3g、氧化鋯1.0g、堇青石1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖3。

圖3 不同用量的氧化銅抗熱震性能Fig. 3 Thermal shock resistance of copper oxide with different dosage

由圖3可看出，氧化銅用量取0.3g，涂層剩余面積達(dá)到最大值97，涂層抗熱震性能最強(qiáng)。氧化銅用量取0g，涂層剩余面積為72，涂層抗熱震性能最弱，確定氧化銅取0.3g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

2.4 氧化鈷對(duì)涂料性能的影響

選取氧化鈷用量為0g、0.1g、0.2g、0.3g、0.4g進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分固定為：二氧化錳4.0g、氧化鐵1.0g、氧化銅0.3g、氧化鋯1.0g、堇青石1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖4。

由圖4可看出，氧化鈷用量取0.3g，涂層剩余面積達(dá)到最大值96，涂層抗熱震性能最強(qiáng)。氧化鈷用量取0g，涂層剩余面積為40，涂層抗熱震性能最弱，確定氧化鈷取0.3g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

圖4 不同用量的氧化鈷抗熱震性能Fig. 4 Thermal shock resistance of cobalt oxide with different dosage

2.5 氧化鋯對(duì)涂料性能的影響

選取氧化鋯用量為0g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分固定為：二氧化錳4.0g、氧化鐵1.0g、氧化銅0.3g、氧化鈷0.3g、堇青石1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖5。

圖5 不同用量的氧化鋯抗熱震性能Fig. 5 Thermal shock resistance of zirconia with different dosage

由圖5可看出，氧化鋯用量取1.0g，涂層剩余面積達(dá)到最大值99，涂層抗熱震性能達(dá)到最強(qiáng)。氧化鋯用量取1.5g，涂層剩余面積為68，涂層抗熱震性能最弱。確定氧化銅取1.0g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

2.6 堇青石對(duì)涂料性能的影響

選取堇青石用量為0g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分固定為：二氧化錳4.0g、氧化鐵1.0g、氧化銅0.3g、氧化鈷0.3g、氧化鋯1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖6。

圖6 不同用量的堇青石抗熱震性能Fig. 6 Thermal shock resistance of cordierite with different dosage

由圖6可看出，堇青石用量取1.0g，涂層剩余面積達(dá)到最大值99，涂層抗熱震性能最強(qiáng)。堇青石用量取0g，涂層剩余面積為45，涂層抗熱震性能最弱。確定堇青石取1.0g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

2.7 納米氧化鋁溶膠對(duì)涂料性能的影響

選取納米氧化鋁溶膠用量為0g、6.0g、12.0g、18.0g、24.0g、30.0g進(jìn)行六組實(shí)驗(yàn)，涂料其它組分固定為：二氧化錳4.0g、氧化鐵1.0g、氧化銅0.3g、氧化鈷0.3g、氧化鋯1.0g、堇青石1.0g。按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，測(cè)試其抗熱震性能，結(jié)果見圖7。

圖7 不同用量的納米氧化鋁溶膠抗熱震性能Fig. 7 Thermal shock resistance of nano-alumina sol with different dosage

由圖7可看出，納米氧化鋁溶膠用量取18.0g，涂層剩余面積達(dá)到最大值99，涂層抗熱震性能最強(qiáng)。沒有加入納米氧化鋁溶膠制備的涂料，涂層剩余面積為0，涂層抗熱震性能最弱。確定納米氧化鋁溶膠取18.0g時(shí)，陶瓷基防腐涂層抗熱震性能達(dá)到最佳。

2.8 涂層厚度對(duì)涂料性能的影響

防腐涂料各組分用量分別為：氧化鐵1.0g、二氧化錳4.0g、氧化銅0.3g、氧化鈷0.3g、氧化鋯1.0g、堇青石1.0g、納米氧化鋁溶膠18.0g。用測(cè)厚儀分別測(cè)量出五個(gè)樣品的涂層厚度分別為0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其抗熱震性能，測(cè)試結(jié)果見圖8。

圖8 涂層厚度抗熱震性能Fig. 8 Thermal shock resistance of coating thickness

由圖8可看出，當(dāng)涂層厚度為0.8mm時(shí)，涂層剩余面積達(dá)到最大值99，涂層的抗熱震性能達(dá)到最好；涂層厚度為1.6mm時(shí)，涂層剩余面積為66，涂層的抗熱震性能達(dá)到最差。涂層越薄，涂料的抗熱震性能越好，涂層越厚，涂料的抗熱震性能越差。這是因?yàn)橥繉雍穸扔绊懲苛蟽?nèi)部的裂紋擴(kuò)展所需的阻力，涂層厚度越大，涂層裂紋擴(kuò)展時(shí)的所需的阻力越小，涂層更容易產(chǎn)生裂紋，從而影響陶瓷基防腐涂料的抗熱震性。因0.8mm以下的涂層厚度無(wú)法均勻覆蓋碳鋼表面，故確定涂層厚度0.8mm為陶瓷基防腐涂料的最佳值。

2.9 涂料性能測(cè)試結(jié)果

按2.1-2.7陶瓷防腐涂料各組分較佳配方：氧化鐵3.92%、二氧化錳15.69%、氧化銅0.98%、氧化鈷0.98%、氧化鋯3.92%、堇青石3.92%、納米氧化鋁溶膠70.58%，按1.1方法制備陶瓷基防腐涂料，進(jìn)行三組平行研究，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

圖9為抗熱震性能測(cè)試后的陶瓷基防腐涂層表面，涂層剩余面積接近于100%， 抗熱震性能優(yōu)異。涂層附著力等級(jí)可達(dá)0級(jí)，附著力性能良好。

圖9 陶瓷防腐涂層表面Fig. 9 Surface of ceramic anticorrosive coating

3 結(jié)論

涂層厚度越薄，該陶瓷基防腐涂料的抗熱震性能越好。陶瓷防腐涂料當(dāng)氧化鐵3.92%、二氧化錳15.69%、氧化銅0.98%、氧化鈷0.98%、氧化鋯3.92%、堇青石3.92%、濃度為15%的納米氧化鋁溶膠70.58%，所制備的陶瓷基防腐涂層附著力強(qiáng)，抗熱震性能優(yōu)良，涂層剩余面積接近100%，所制備的涂料能提高涂層的抗熱震性。

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