Язык

+86-15257095913
Дом / Новости / Новости отрасли / Как создать устойчивые к высоким температурам силикатные покрытия, которые прослужат долго?

Как создать устойчивые к высоким температурам силикатные покрытия, которые прослужат долго?

При промышленном обслуживании и защите от коррозии лишь немногие условия наказывают за ошибки в рецептуре так быстро, как работа при высоких температурах. Стальные дымоходы, выхлопные каналы, футеровка мусоросжигательных заводов, корпуса печей, коллекторы двигателей и технологические трубопроводы могут работать при температуре, значительно превышающей температуру разложения обычных органических смол. Когда покрытие на таком активе выходит из строя, последствием является не косметический дефект, а ускоренное окисление, растрескивание и структурное истончение.

Рецептура термостойкого силикатного покрытия предлагает принципиально неорганический ответ на эту проблему. Силикатные пленки после полного отверждения являются керамическими по своей природе: они не горят, не дымят и не размягчаются, а также могут быть рассчитаны на непрерывную эксплуатацию при температуре примерно от 400 до 1000 C в зависимости от выбранного связующего, пакета пигментов и цикла отверждения. В этой статье представлена ​​основа для проектирования такого покрытия, включая выбор связующего, разработку наполнителя, этапы обработки, процедуру отверждения, исправление дефектов и проверочные испытания.

Что делает силикатные связующие основой высокотемпературных покрытий

Силикат щелочного металла получают путем сплавления кремнезема с щелочным оксидом при высокой температуре и последующего растворения полученного стекла в воде с образованием вязкого сильнощелочного раствора. Когда этот раствор наносится в виде влажной пленки, вода уходит, а растворенный силикат конденсируется в трехмерную силоксановую сетку. Поскольку эта сетка уже находится в сильно окисленном минеральном состоянии, она не имеет теплотворной способности для поддержания горения и не выделяет органических продуктов разложения при нагревании.

Таким образом, практический тепловой потолок силикатного связующего определяется не воспламенением, а уплотнением, кристаллизацией и возможной вязкой деформацией. Сравнительные исследования промышленных покрытий показывают, что хорошо разработанные силикатные пленки выдерживают эксплуатационные температуры примерно на 30-40 процентов выше, чем сопоставимые пленки из органических полимеров при той же толщине сухой пленки.

Правильно спроектированная силикатная пленка не разрушается из-за выгорания. Он разлагается только тогда, когда его пористая структура, кристаллическая фаза или химический состав наполнителя превышают расчетное термическое окно.

В коммерческих высокотемпературных работах преобладают три вида силиката щелочного металла: силикат натрия, силикат калия и силикат лития. Они имеют одинаковую химию конденсации, но различаются подвижностью катионов, гигроскопичностью, скоростью отверждения и адгезионными свойствами, и эти различия направляют выбор рецептур в противоположных направлениях.

Последние технические обзоры неорганические силикаты в высокотемпературном применении подчеркните, что идентичность катионов, а не только содержание кремнезема, является единственной наиболее решающей переменной в эксплуатационных характеристиках.

Основные компоненты высокотемпературного силикатного состава

Каждое высокотемпературное силикатное покрытие можно описать одной и той же структурой: одно или несколько силикатных связующих, источник реактивного кремнезема, огнеупорные наполнители и пигменты, отвердитель или отвердитель, добавки и вода в качестве носителя.

Компонент Роль Типичный выбор Теплостойкость Влияние
Первичное связующее Образование пленки и адгезия Силикат калия, силикат натрия, силикат лития Устанавливает верхний предел обслуживания
Реактивный кремнезем Уплотнение сети Щелочной или кислый золь кремнезема Повышает температуру размягчения, снижает усадку
Огнеупорные наполнители Тепловой барьер и армирование Кальцинированный глинозем, слюда, волластонит, кварцевая мука Контролирует тепловое расширение и устойчивость к растрескиванию
Функциональные пигменты Цвет, контроль коррозии, отражение тепла Цинковая пыль, оксид железа, диоксид титана, алюминиевые хлопья. Продлевает срок службы и термостойкость
Отвердитель Ускорение конденсации Гексафторосиликат натрия, оксид цинка Улучшает раннюю жесткость и водостойкость
Добавки Смачивание, пеногашение, суспендирование Неионогенные ПАВ, минеральные пеногасители, модификаторы реологии глин. Косвенно, но важно для целостности фильма

Связующее образует непрерывную фазу, поэтому его качество и химическое состояние заслуживают наибольшего внимания. Стабилизированное, заранее приготовленное, устойчивое к высоким температурам неорганическое связующее сокращает время разработки и снижает риск отклонения от партии, поскольку силикат уже обработан до рабочего модуля, уровня содержания твердых веществ и pH.

При использовании вместо этого необработанного силиката разработчик рецептуры должен напрямую контролировать модуль. Модуль представляет собой молярное отношение кремнезема к оксиду щелочного металла; более высокий модуль дает более водостойкую пленку, но делает раствор более трудным для растворения и более чувствительным к гелеобразованию.

Выбор подходящего силиката щелочного металла: натрия, калия или лития.

Выбор щелочного катиона является первым и наиболее важным решением при разработке высокотемпературной рецептуры. Эти три варианта образуют непрерывный спектр стоимости, реактивности и тепловых характеристик.

Силикат натрия

Силикат натрия является самым дешевым представителем семейства и образует твердые, прочно прилегающие пленки, которые на раннем этапе развивают превосходную механическую прочность. Однако катионы натрия легко мигрируют во влажных условиях, что делает пленки, богатые натрием, склонными к выцветанию и умягчению воды, если реакция конденсации не завершена. При эксплуатации при высоких температурах силикат натрия лучше всего использовать в грунтовочных, противопожарных и экономичных системах, работающих при температуре примерно ниже 500–600 C, или в значительной степени модифицированных силикагелем и огнеупорными наполнителями.

Sodium silicate（HLNAL-1） Силикат натрия (HLNAL-1) Бренд: Hengli Модель: HLNAL-1 Внешний вид: Прозрачная или полупрозрачная вязкая жидкость Характеристики упаковки: 20л, 200л, 1000л. Упаковка оговаривается отдельно.... Посмотреть продукт →

Силикат калия

Силикат калия – рабочая лошадка жаропрочных и огнестойких покрытий. Более крупный катион калия создает менее гигроскопичную пленку, чем натрий, легче реагирует с атмосферным углекислым газом во время отверждения и образует конденсированную сетку с более высокой температурой размягчения. Калийные системы также прочно прилипают к стали, подвергнутой пескоструйной очистке, и проявляют меньшее поседение или выпотевание при повышенной температуре. Эти характеристики объясняют, почему большинство термостойких красок, вспучивающихся верхних покрытий и силикатных грунтовок с высоким содержанием цинка созданы на основе силиката калия.

Potassium Silicate（HLKL-1） Силикат калия（HLKL-1） Бренд: Hengli Модель: HLKL-1 Внешний вид продукта: Прозрачная или полупрозрачная вязкая жидкость. Спецификация упаковки: 20 л, 200 л, 1000 л. Упаковка может быть изготовлена по индивидуальному заказу. Производитель ... Посмотреть продукт →

Литий-силикат

Силикат лития содержит наименьший катион и реагирует быстрее всех из трех. Он затвердевает при температуре окружающей среды, образуя плотную водостойкую пленку, что делает его ценным в качестве уплотнителей бетона и антикоррозионных грунтовок. В высокотемпературных покрытиях силикат лития редко используется отдельно; небольшие добавки ускоряют раннюю жесткость и водостойкость, не ухудшая термическую стабильность калиевой основы. Его более высокая стоимость и меньшая устойчивость к тяжелым нагрузкам пигментов ограничивают его модифицирующую роль.

Недвижимость Силикат натрия Силикат калия Литий-силикат
Относительная стоимость Низкий Средний Высокий
Чувствительность к воде Высокийer Низкий Очень низкий
Термостабильность Умеренный Высокий Высокий
Адгезия к стали Хорошо Отлично Отлично
Типичная роль Грунтовка, огнезащита Термостойкие и огнестойкие финишные покрытия Модификатор быстрого отверждения

Промышленные разработчики рецептур часто смешивают силикат калия и натрия, чтобы оптимизировать затраты без ущерба для теплового запаса. Например, смесь, содержащая примерно 70 процентов силиката калия и 30 процентов силиката натрия, сохраняет большую часть преимуществ термостабильности, одновременно значительно снижая затраты материалов.

Разработка наполнителей и пигментов для обеспечения термической и структурной надежности

Наполнители и пигменты не являются пассивными наполнителями; они контролируют коэффициент теплового расширения, пористую структуру, кислородопроницаемость и механическую прочность отвержденной пленки. Цель состоит в том, чтобы согласовать поведение покрытия с подложкой при расширении, чтобы повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения не приводили к расслоению.

Прокаленный оксид алюминия и кремнеземная мука повышают температуру размягчения высушенной пленки и уменьшают объемную усадку при первом нагреве. Ламеллярные наполнители, такие как слюда и тальк, удлиняют путь диффузии кислорода и воды, замедляют распространение трещин и улучшают устойчивость пленки к термическому удару. Игольчатые наполнители, такие как волластонит, повышают прочность на изгиб и останавливают микротрещины до того, как они перерастут в видимые дефекты.

Распределение частиц по размерам так же важно, как и химическая идентичность. Бимодальное распределение примерно 70 процентов крупных и 30 процентов мелких частиц упаковывается более эффективно, уменьшая пустоты и усадку. Плотная упаковка также снижает паропроницаемость пленки, что защищает поверхность раздела подложек от разрушения из-за коррозии.

Функциональные пигменты расширяют миссию покрытия. Цинковая пыль при высокой нагрузке создает гальваническую защиту и является стандартным выбором высокотемпературных антикоррозионных грунтовок. Алюминиевые хлопья отражают лучистое тепло и являются классическими ингредиентами покрытий выхлопной системы. Пигменты на основе оксидов железа обеспечивают экономичный цвет и тепловой барьер до температуры примерно до 500 C, тогда как керамические пигменты на основе смешанных оксидов металлов применяются, когда температура поверхности приближается к верхнему пределу связующего.

Крайне важно оставаться ниже критической объемной концентрации пигмента. Если связующее не может полностью смочить поверхность пигмента, пленка после термического воздействия становится пористой, меловой и механически слабой. Силикатные связующие обычно допускают более низкую объемную концентрацию пигмента, чем органические смолы, поскольку неорганический пленкообразователь является жестким и не может течь для устранения микродефектов.

Пошаговый процесс составления рецептуры

Хотя точное оборудование и уровни сдвига различаются в зависимости от завода, приведенная ниже последовательность представляет собой надежный общий процесс изготовления водоразбавляемого высокотемпературного силикатного покрытия в лаборатории или на производстве.

Рабочий процесс составления рецептуры силикатного покрытия Взвешиваем сырье Разбавьте и стабилизируйте связующее Дисперсные пигменты и наполнители Подвести с кремнеземным золем Добавьте отвердитель Отрегулируйте вязкость и содержание твердых веществ Проверка и определение возраста партии Запустите контроль качества и выпустите Рисунок: Общая последовательность производства водоразбавляемого высокотемпературного силикатного покрытия.
  1. Взвесьте силикатное связующее, золь кремнезема, воду, пигменты, наполнители и добавки и запишите температуру и влажность окружающей среды партии.
  2. Разбавьте силикатное связующее деминерализованной водой до целевого содержания твердых веществ и осторожно перемешайте, пока раствор не станет визуально однородным.
  3. Предварительно смешайте смачиватели и пеногасители с частью разбавляющей воды; этот шаг предотвращает агломерацию пигмента и последующее захватывание воздуха.
  4. Добавляйте пигменты и наполнители постепенно под сильным усилием сдвига, сохраняя глубину завихрения, чтобы избежать попадания воздуха в жидкость.
  5. После полного диспергирования перейдите на низкоскоростной нож и залейте оставшимся связующим веществом и силиказолем.
  6. Медленно добавляйте раствор или порошок отвердителя, продолжая перемешивать, чтобы предотвратить местное образование геля.
  7. Отрегулируйте конечную вязкость с помощью воды или модификатора реологии и проверьте содержание твердых веществ, высушив небольшой образец на весах.
  8. Просейте партию через сетку 100 микрометров, затем дайте ей выстояться в течение 12–24 часов перед окончательным тестированием производительности.

Порядок добавления не является косметическим. Слишком раннее введение отвердителя приводит к необратимому повышению вязкости, а диспергирование наполнителей до растворения поверхностно-активных добавок приводит к осаждению агломератов, которые при высокой температуре спекаются с образованием грубых пористых дефектов. Силикатные жидкости имеют низкую вязкость, поэтому импеллеры с высоким сдвиговым усилием, предназначенные для органических смол, будут только нагнетать воздух в раствор, а не диспергировать пигмент.

График отверждения и образование пленки

Формирование силикатной пленки происходит в результате последовательности физических и химических событий: испарения свободной воды, концентрации растворенных силикатных частиц, конденсации силанольных групп в силоксановую сетку и, во время эксплуатации при высоких температурах, частичного спекания этой сетки. Каждый этап имеет свою кинетику и свой режим отказа в случае спешки.

При комнатной температуре пленка силиката калия высыхает на ощупь в течение одного часа, но остается чувствительной к воде в течение нескольких дней, поскольку конденсация происходит медленно при температуре от 20 до 25 C. Разработчики рецептур могут ускорить эту стадию с помощью отвердителей, таких как оксид цинка или гексафторсиликат натрия, или путем умеренного последующего нагрева.

В промышленности распространены два пути отверждения. Лечение в окружающей среде основано на атмосферном углекислом газе и медленном обезвоживании; он требует сухих, вентилируемых условий и обычно достигает практической водонепроницаемости через семь дней. Термическое отверждение является более агрессивным: поэтапное повышение температуры до 60 C, затем до 120 C, затем до 250 C с последующим выдерживанием при заданной рабочей температуре, выводит абсорбированную воду перед спеканием и значительно снижает риск образования пузырей.

Толщина сухой пленки является важнейшим рычагом управления. Один слой толщиной от 80 до 100 микрометров образует плотную оболочку, под которой удерживается вода; при первом нагревании захваченный пар прорывается сквозь пленку в виде волдырей. Несколько тонких слоев толщиной от 30 до 50 микрометров с выдержкой между нанесением создают плотную пленку без пор, которая намного лучше выдерживает термоциклирование.

Распространенные дефекты и их исправления

Когда высокотемпературное силикатное покрытие выходит из строя, основная причина обычно кроется в небольшом наборе решений по рецептуре и применению. В таблице ниже перечислены наиболее частые дефекты, наблюдаемые при тестировании и производстве.

Дефект Наиболее вероятная причина Исправление рецептуры
Растрескивание после лечения Избыточное содержание пигмента, грубые наполнители, чрезмерная толщина пленки. Низкийer pigment volume concentration, add lamellar filler, spray thinner coats
Вздутие при нагревании Захваченная вода, слишком быстрый нагрев Увеличьте время высыхания, составьте график отверждения, уменьшите толщину пленки.
Плохая адгезия к стали. Жирная или загрязненная основа, высокое поверхностное натяжение раствора. Сталь подвергнуть пескоструйной очистке или очистке растворителем, добавить смачиватель, уменьшить силикатный модуль.
Цветение и цветение Остаточная растворимая щелочь, хранение во влажном состоянии Перейдите на силикат калия или лития, добавьте реактивный силиказол, повысьте уровень отвердителя.
Пинхолы Захваченный воздух, недостаточное количество пеногасителя Предварительно смешайте пеногаситель с водной фазой, замедлите скорость диспергирования, дайте возможность деаэрации перед заполнением
Меление при температуре Выгорание связующего, высокий уровень карбонатного наполнителя Увеличьте содержание связующего, замените карбонат спеченным оксидом алюминия или кремнеземным наполнителем.

Тестирование производительности и квалификация

Валидация должна воспроизводить предполагаемую среду обслуживания. Покрытие для выхлопной трубы должно быть испытано на той же основе, с той же подготовкой поверхности и толщиной сухой пленки, что и производственная деталь, поскольку адгезия и поведение трещин сильно зависят от условий на границе раздела.

  • Рейтинг термостойкости: непрерывное воздействие при заданной температуре в течение 100–500 часов с регулярной проверкой цвета, адгезии и гибкости.
  • Термический цикл: повторяющиеся изменения между комнатной температурой и пиковой рабочей температурой с контролируемой скоростью с последующей проверкой ленты на наличие трещин.
  • Испытание на адгезию: испытания на штриховку и отрыв как до, так и после теплового старения, поскольку интерфейс может либо укрепиться за счет спекания, либо ослабиться за счет окисления.
  • Влияние и гибкость: для обнаружения охрупчивания после длительного периода эксплуатации.
  • Пористость и солевой туман: для антикоррозионных составов, чтобы доказать, что сеть пор остается закрытой после термического воздействия.
  • Старение в печи: простые измерения потери массы и изменения размеров часто более информативны, чем сложный анализ для повседневного контроля качества.

Самый полезный эксперимент — это термоциклическое испытание с контролируемой скоростью нагрева и охлаждения. Он показывает не только температуру разрушения, но и вид отказа, что непосредственно указывает на корректирующие действия в формулировке.

Соображения по вопросам окружающей среды, безопасности и устойчивого развития

Силикатные покрытия на водной основе относятся к классу промышленных покрытий с наименьшим уровнем выбросов, поскольку носителем является вода, а отвержденная пленка — минеральная. В процессе нанесения и эксплуатации пленкообразующая реакция не выделяет опасных органических паров, что является решающим преимуществом в закрытых помещениях, туннелях и огнестойких узлах.

Тем не менее силикатные жидкости являются сильнощелочными. Концентрированные растворы могут раздражать кожу и глаза, а пыль от сухого сырья является механическим раздражителем. Для работы с составами требуются химически стойкие перчатки, средства защиты глаз и достаточная вентиляция, а для ликвидации разливов доступны нейтрализующие агенты, такие как разбавленные растворы кислот.

Показатели устойчивости являются благоприятными. В изобилии присутствуют силикатные минералы, отвержденная пленка не выщелачивает органические токсины, а некоторые высокотемпературные системы отверждаются при температуре окружающей среды, что позволяет избежать потребления энергии в печах для выпечки. Партии отходов можно объединить и утилизировать как щелочные неорганические отходы, что гораздо проще и дешевле, чем утилизация опасных органических растворителей.

Часто задаваемые вопросы

В1: Какова максимальная температура эксплуатации силикатного покрытия?

При использовании связующего из силиката калия, модификации золя кремнезема и огнеупорных наполнителей, таких как обожженный оксид алюминия и керамические микросферы, достижима непрерывная работа при температуре выше 900 C. Составы, содержащие только силикат натрия, обычно достигают максимума при температуре от 500 до 600°С. Точный предел зависит от типа связующего, комбинации наполнителей, процедуры отверждения и толщины пленки.

Вопрос 2: Почему силикат калия предпочтительнее силиката натрия для огнестойких покрытий?

Силикат калия образует менее гигроскопичную пленку, быстрее реагирует с диоксидом углерода во время отверждения и образует конденсированную сетку с более высокой температурой размягчения. Оно также демонстрирует лучшую адгезию к стали и меньшую склонность к поседению или выцветанию, что имеет значение, когда покрытие должно выдерживать как воздействие пламени, так и термический удар после пожара.

В3: Можно ли наносить высокотемпературное силикатное покрытие поверх органической грунтовки?

Это не рекомендуется. При высоких температурах эксплуатации органическая грунтовка разлагается и выделяет летучие газы, которые вздутие силикатного верхнего покрытия, разрушая адгезию. Используйте неорганическую силикатную грунтовку с высоким содержанием цинка или нанесите силикатную систему непосредственно на правильно подготовленное основание.

В4: Как предотвратить растрескивание при первом нагреве?

Уменьшите толщину сухой пленки на один слой, добавьте ламеллярные или игольчатые наполнители, уменьшите объемную концентрацию пигмента и используйте поэтапный нагрев, который позволяет абсорбированной воде выйти до начала спекания.

В5: Требуется ли отвердитель в каждом силикатном составе?

Не всегда. Силикат лития и низкомодульный силикат натрия могут отверждаться без отдельного отвердителя. Однако добавление реактивного материала, такого как оксид цинка или гексафторсиликат натрия, заметно улучшает раннюю водостойкость, твердость и стабильность партии, особенно когда покрытие отверждается при температуре окружающей среды.

Предыдущий пост Как силикат натрия используется при очистке воды: преимущества и процесс
Категории
Свяжитесь с нами

Сопутствующие товары