耐高温隔热涂料的隔热性与涂层厚度相关性探讨

data-full-width-responsive="true"> 耐高温隔热涂料，特别是超过800℃高温的隔热涂料，其保温隔热性一般都是在一定的涂层厚度、温度、时间等条件下满足产品需要的，特别是在一些温度高、时间有限，而保温隔热后温度较低或在一定时间内一次性保温隔热的产品上应用。耐高温隔热涂料要达到保温隔热的目的，涂层厚度的设计就比较关键。涂层越厚，保温隔热性越好，然而涂层过厚不但成本增加，还会造成其机械性能等下降。如何选择适宜的涂层厚度，需要考虑涂层隔热性与其厚度的相关性。研制一种短时间的耐高温隔热涂料，要求在850℃左右的环境温度使用，有效工作时间为5 min，隔热后最高温度不允许超过250℃，并且具有普通涂料的基本性能，以此为条件探讨涂层隔热性与其厚度的相关性。1 耐高温隔热涂料的基本组成及性能检测11 基本配料丙烯酸改性有机硅树脂；环氧树脂；中空陶瓷微珠；石棉粉；云母粉；气相二氧化硅；其它功能组分：阻燃剂、功能助剂、稀释剂；固化剂：TDI（甲苯二异氰酸酯）。所选树脂的特点是具有良好的耐高温性，其耐热温度在有限时间内可超过1 000℃，在850℃左右温度条件下保持24 h 以上不改变其基本性能特征，且具有良好的耐候性、保光性和耐高温性。组合填料的导热系数低于003 W/（mK）。12 耐高温隔热涂料的性能指标耐高温隔热涂料的性能指标见表1。表1 耐高温隔热涂料的性能指标13 检测方法（1） 耐热温度：将涂膜固化好的样板常温时放入高温设备中，启动设备加温至850℃，保持30 min后取出样板，冷却，目测涂层表面是否起泡、起层、脱落。（2） 隔热温度：以铝镁合金板为基材，外形尺寸为100 mm100 mm，厚度为（12015）mm，表面清洗除油、阳极化处理。将涂料均匀地喷涂或刷涂在基材的一面，涂膜完全固化后作为检测样板A。用带温度控制器的电阻炉（1 000~3 000 Ｗ）作加热热源，炉口用隔热材料改造成上口尺寸为65 mm65 mm、下口尺寸为130 mm130 mm 的加热通道［通道高（655）mm］；下口紧贴电阻炉，上口用合金钢板B（ 尺寸为70 mm70 mm15 mm）覆盖。用温度控制器调节电阻炉内温度，使其满足检测温度要求。将表面温度检测仪放在样板A 或合金钢板B 检测面的中心位置，检测隔热温度：（1）热源温度标定：启动电阻炉后，用合金钢板B 来检测炉口温度，调控电阻炉温度，使其保证合金钢板B 的表面温度在（85010）℃内（记作T0），保持5 min 以上。（2）背温（隔热温度T1）的测定：将检测样板A 涂有涂层的一面朝向热源通道，同时平行推开合金钢板B，最终使样板A 完全盖住电阻炉口，用秒表记录加热时间，用表面温度检测仪检测样板A 的表面温度（记录有效时间内A 的表面温度T1）。（3）重复标定热源温度：重复上述（1）和（2）操作步骤，用合金钢板B 取代样板A，检测合金钢板B 中心位置的温度T2，T2 值应在T0 范围内［不超过（85010）℃］，若超出（85010）℃应重新标定和检测。2 涂层隔热性与厚度的关系21 涂层隔热性与厚度的相关性推测涂层隔热性Q与厚度的相关性见图1。图1 涂层隔热性与厚度的线性相关性由图1 可见：在隔热温差t、保温时间s、基材和涂料都确定时，涂层隔热性与厚度呈线性相关性，相关斜率tg=1。根据需要，保温隔热产品的实际发热量（设计值）Q=600 kW、隔热温差t=600℃、保温时间s=5 min、高温隔热涂料的组合导热系数K=003 W/（mK），由此推算，在850℃下，保温隔热5 min，隔热后温度低于250℃，涂层厚度d 应不小于085 mm。不同隔热要求下，测算的涂层厚度见表2。表2 不同隔热要求下测算的涂层厚度注：保温隔热时间5 min ；T0=850℃。22 涂层隔热性与厚度的相关性实际检测在实际应用中，根据涂层隔热性与厚度关系的理论推测值，在850℃、保温隔热时间5 min 的条件下，分别检测涂层厚度d 为05 mm、085 mm、10 mm、13 mm、15 mm 时的实际隔热性，结果见表3。表3 不同涂层厚度样板的T1 检测结果注：保温隔热时间5 min ；T0=850℃。由表3 可见：d 越大，涂层隔热性越好（T1 值越小），呈正向相关性，它与理论测算值相关性的比较见图2。1实测值，2理论值图2　涂层隔热性的实测值与理论值比较23 相关性的探讨涂层隔热性与厚度呈正向相关性，但理论值与实测值是有差异的：在热传递的3 种方式中，只有热传导与热传递介质的厚度d 相关，当传热介质、传热范围（面积）、传热时间t 和隔热要求（温差）t 等条件都确定后，隔热性Q与涂层厚度d 的关系就可以简化为Q=Kd，涂层越厚，隔热性越好，其中K 是与涂层厚度无关的其它因素。因此，隔热性Q与涂层厚度d 的理论测算值呈正向线性相关，是斜率tg=1 的连续性直线，正如图2 中曲线2 理论值所示，隔热涂层越厚，隔热性越好。实测时，由于对涂料成膜物质及颜填料的选择、功能组分组合、各组分间的相互影响，以及树脂相变、固化反应体系中粒子、热迁移变化等都对涂层隔热性与厚度的相关性产生影响，使其每一涂层厚度d 都对应着一个隔热性Q值。如果检测出足够的数据，反映出的涂层隔热性Q与厚度d 也呈现散布的正向线性相关性。由于上述因素的影响，其斜率值tg 1，因此实测值如图2 中曲线1 所示，在理论推算值（图2 中曲线2）的下方，但随涂层厚度d 的增大，Q的实测值与理论推测值间的差距会越来越小；而涂层厚度d达到一定值后，两线交叉，并且实测值会超越理论推测值而在其上方。3 相关性在实际中的应用某产品处于850℃的高温环境中，在3 min 内需要保持其工作温度在250℃内，使用耐高温隔热涂层进行隔热保护，涂层厚度d=10~12 mm。产品升级后要求长达6 min 的耐高温隔热保护，需要估算其隔热涂层是否满足要求，利用该涂层隔热性与厚度的相关性检测结果，确认涂层厚度d=12 mm 时仍能满足要求，实际检测结果（见表4）与相关性估算相符，产品升级后没有变更原耐高温隔热保护层，同样达到了产品升级后的隔热保温效果。表4 相同涂层厚度的样板在不同隔热时间下的T1 检测结果注：检测样板涂层厚度d=10~12 mm ；T0=850℃。4 结语耐高温隔热涂层的厚度是其隔热性的必要保证，涂层越厚，隔热性就越好，然而涂层过厚也有很多弊端，比如，会引起涂层附着力等机械性能下降，导致涂层产生裂纹、脱落，且涂层厚度过高，会增加成本。同时，通常产品的隔热层在设计涂层厚度时都有一定的余量，通过对耐高温隔热涂层隔热性与厚度相关性的探讨，在实际应用中，比较和寻找已成熟使用的隔热涂层所需保温隔热性的必要厚度，具有很好的指导性。