高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料的制備及防腐性能分析

裴挫萍, 張志林

（銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與材料工程學(xué)院，陜西 銅川727031）

前 言

就國(guó)內(nèi)而言，目前國(guó)家仍將煤炭作為電廠發(fā)電的主要資源，在2018 年期間，國(guó)家火力發(fā)電占全國(guó)發(fā)電總量的73.32%，可見(jiàn)以煤為主的電力行業(yè)，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)鍋爐的使用數(shù)量、使用頻率基數(shù)也不會(huì)發(fā)生太大改變。為了節(jié)省發(fā)電成本、延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命，通過(guò)制備一種具有防腐性能的高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料，增加鍋爐的使用壽命，維護(hù)電爐工作穩(wěn)定，同時(shí)降低由于鍋爐損壞帶來(lái)的高成本問(wèn)題[1]。

已知鍋爐的腐蝕來(lái)自于兩個(gè)方面，第一是爐內(nèi)水流沖擊與流動(dòng)帶來(lái)的腐蝕，第二是具有添加試劑的水流的腐蝕，雖然這兩種因素腐蝕鍋爐的速度較慢，但長(zhǎng)時(shí)間累積，水流不斷運(yùn)動(dòng)拍打爐壁，加之水體不分晝夜地侵蝕，導(dǎo)致鍋爐管壁逐漸減薄。當(dāng)爐內(nèi)溫度升高、壓力變大時(shí)，因?yàn)楦g而過(guò)薄的爐壁會(huì)不堪重負(fù)，最終無(wú)法承受蒸汽的壓力和水流的沖擊，進(jìn)而發(fā)生泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆管，給鍋爐工作帶來(lái)極大的安全隱患[2]。因此根據(jù)涂料腐蝕磨損和導(dǎo)熱原理，設(shè)置若干組試樣涂層，分析每一組試樣的防腐性能。

1 高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料的制備過(guò)程

1.1 選擇材料

制備高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料需要的基本原材料，如下表1 所示[3]。

表1 制備涂料選取的原材料Table 1 The raw materials selected for preparing the coating

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

制備高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料選用的實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備信息，如下表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本信息Table 2 The basic information of the experimental equipment

1.3 配制涂料的防腐蝕性試劑

以現(xiàn)階段存在的耐高溫試劑配制方法為前提，利用磷酸配制耐高溫涂料的防腐蝕性試劑，改性試劑中，各項(xiàng)藥品的用量如下表3 所示[4]。

表3 配制試劑的藥品用量Table 3 The dosage for compounding the reagent

需要注意的是，磷酸添加完畢后，才能添加適量的水成分，通常情況下為25～30g 左右，此時(shí)凝膠狀態(tài)會(huì)恢復(fù)到溶膠狀態(tài)。

1.4 制備高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料

按照陶瓷涂料的基本配比，添加制備的防腐蝕性試劑，然后加入消泡劑、分散劑，將這些材料倒入黏度計(jì)中，溫度控制在25℃，高速分散機(jī)分散，利用磁力攪拌器攪拌30min，讓陶瓷骨料、粘結(jié)劑和兩種添加劑均勻混合；再利用潤(rùn)濕劑和成膜助劑穩(wěn)定涂料，形成一個(gè)光滑的“涂料板”,最后利用行星式球磨機(jī)對(duì)該材料進(jìn)行24h 研磨，得到具有防腐蝕性的高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料。

2 防腐性能實(shí)驗(yàn)

2.1 涂料基體選擇

已知高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料多用于鍋爐水冷壁以及過(guò)熱器等設(shè)備的受熱面上，所以實(shí)驗(yàn)將含有15CrMoG 成分的鋼材料加工成0.1m×0.1m×0.1m的平板式結(jié)構(gòu)，將其作為高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料的涂層基體。

2.2 涂層試樣制備

根據(jù)GB/T 1727-92 標(biāo)準(zhǔn)制備實(shí)驗(yàn)測(cè)試涂層試樣，在涂料和基體全部準(zhǔn)備完畢的前提下，利用噴砂機(jī)進(jìn)行基體表層處理，利用電子天平稱重涂料，將涂料粉末攪拌后，用加熱板固定基體，保持待噴基體表面呈垂直狀態(tài)?；w加熱后，利用霧化噴槍噴涂陶瓷涂料，將該半成品放置到室內(nèi)自然固化。待涂料凝固后再利用恒溫干燥箱高溫固化陶瓷涂層，將溫度控制在300℃烘烤30min，最終得到完整的、可投入使用的涂層試樣[8]。

涂層厚度對(duì)阻止腐蝕性介質(zhì)的滲透與進(jìn)入有影響，因此按照上述過(guò)程，分別制備厚度不同的9個(gè)涂層試樣，相同厚度試樣的組成有所差別。表4反映了9 個(gè)不同厚度涂層試樣的基本物理性能。

表4 涂層試樣基本信息Table 4 The basic information of the coating sample

以上試樣為測(cè)試樣本，按照涂層厚度進(jìn)行編號(hào)，第1～3 組為A1-A3；第4～6 組為B1-B3；第7～9組為C1-C3。

2.3 配置腐蝕性試劑

選取氯化鈉作為腐蝕性實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本原料，用蒸餾水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液。分別將涂層厚度不同的涂層試樣，浸入溫度為25±1℃的氯化鈉溶液中，模擬水流流動(dòng)狀態(tài)，記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間。圖1 是實(shí)驗(yàn)選用的基本測(cè)試儀器[10]。通過(guò)腐蝕試驗(yàn)箱對(duì)加入涂層試樣的氯化鈉溶液進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)觀察儀和計(jì)算機(jī)觀察并記錄涂層試樣的腐蝕狀態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)觀察儀器Fig. 1 The observation instrument for the experiment

發(fā)生裝置放置溶液和試樣，掃描電子顯微鏡觀察同樣測(cè)試時(shí)間下，涂層厚度不同試樣的腐蝕狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

已知試樣在腐蝕性溶液中的浸泡時(shí)間相同，圖2 是A、B、C 三組9 個(gè)試樣的防腐性測(cè)試過(guò)程記錄結(jié)果，該記錄對(duì)應(yīng)的測(cè)試天數(shù)分別為5d、7d、15d、30d、60d 以及100d。

圖2 9 個(gè)試樣在100d 內(nèi)的變化過(guò)程Fig. 2 The changing process of 9 samples in 100 days

觀察上述三個(gè)測(cè)試組可知，由于A 組內(nèi)三個(gè)試樣的涂層厚度為20mm，相對(duì)較薄，導(dǎo)致A1-A3 組樣品在30d 時(shí)，就出現(xiàn)了腐蝕斑點(diǎn)，而A2 組更是由于涂料的附著力等級(jí)低，而在第100d 出現(xiàn)了大面積腐蝕。而C 組中試樣涂層相對(duì)偏厚，導(dǎo)致涂層起泡、龜裂，在第30d 時(shí)，記錄到涂層脫落的現(xiàn)象，而且伴隨著時(shí)間得推移其腐蝕性增強(qiáng)，在更長(zhǎng)的時(shí)間里其腐蝕性會(huì)超過(guò)A 組。而B(niǎo) 組試樣的涂層厚度適中，100d 測(cè)試記錄中，并沒(méi)有出現(xiàn)涂層脫落和腐蝕性斑點(diǎn)，可見(jiàn)該厚度下的陶瓷涂層具有較高的防腐蝕性。

為了令實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀，利用圖1（b）顯示的設(shè)備，對(duì)圖2 中防腐性能直觀效果最好的B2 組進(jìn)行高倍觀察，圖3 為不同浸泡時(shí)間下，B2 組試樣涂層的防腐蝕性變化過(guò)程。

圖3 B2 試樣防腐蝕性測(cè)試結(jié)果Fig. 3 The corrosion resistance test results of sample B2

放大該試樣涂層可知，B2 試樣涂層被均勻腐蝕，出現(xiàn)許多微型孔洞，在20000 倍觀察鏡下呈蜂窩狀；隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，到60d 時(shí)，在腐蝕試劑的作用下，該微孔不斷擴(kuò)大，涂層表面部分溶解，呈海綿狀；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行到100d 時(shí)，該涂層變得相對(duì)致密，呈細(xì)小針狀組織，在2000 倍鏡頭下，涂層形成一個(gè)網(wǎng)狀組織，當(dāng)放大到20000 倍后，可見(jiàn)該網(wǎng)結(jié)構(gòu)由無(wú)數(shù)個(gè)針狀結(jié)構(gòu)組成，形成了“密不透風(fēng)”的“防護(hù)墻”，阻止腐蝕性溶劑的侵蝕。統(tǒng)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)，其腐蝕速率為：

公式中：K 表示腐蝕速率；x1、x2表示實(shí)驗(yàn)試樣的質(zhì)量；C 表示標(biāo)準(zhǔn)試樣的表面積，X 熒光鍍層測(cè)厚儀測(cè)量試樣的表面積；B 表示實(shí)驗(yàn)時(shí)間。利用上述公式計(jì)算C2 組試樣的腐蝕速率，可知K 值為0.52g/m2h，遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。綜合上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，當(dāng)涂層厚度為25mm 時(shí)，在保證涂料附著力的前提下，此厚度的陶瓷涂料防腐性能最好。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次利用制備的高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料，制成適合實(shí)驗(yàn)使用的涂層試樣，即根據(jù)GB/T 1727-92 標(biāo)準(zhǔn)，制備實(shí)驗(yàn)測(cè)試涂層試樣，利用噴砂機(jī)進(jìn)行基體表層處理，將涂料粉末攪拌后，加熱板固定基體，再利用霧化噴槍噴涂陶瓷涂料，將該半成品放置到室內(nèi)自然固化，待涂料凝固后再利用恒溫干燥箱高溫固化陶瓷涂層，將溫度控制在300℃烘烤30min，最終得到完整的、可投入使用的涂層試樣。再通過(guò)設(shè)計(jì)不同的涂層厚度，進(jìn)行9 次三個(gè)組別的防腐性能測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)陶瓷涂料涂層厚度為25mm 時(shí)，其防腐蝕性能最強(qiáng)，可以發(fā)揮高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料的最大功效。但此次研究并沒(méi)有考慮時(shí)間變化下，涂料本身產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，因此該實(shí)驗(yàn)是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，因此對(duì)這一問(wèn)題，需要格外注意。