我国传统的保温材料在现实应用中存在诸多缺点,而高温绝热涂料是薄层隔热保温新材料,其率先推动了隔热保温技术向高效、薄层、隔热节能及装饰防水一体化方向发展. 到目前为止,这种涂料在高温时的绝热效果及在冶金方面的应用还没有报道,所以笔者在这方面进行了探索性研究.
本文主要研究了空心陶瓷微珠绝热涂料在800 ℃之内的高温性能,重点是对于不同粒度的空心陶瓷微珠填料所用的黏结剂、增稠剂的选择以及它们在涂料成分中的最佳成分配比.
通过测量涂刷涂料钢板内外温差与钢板内部温度,研究其与空心微珠填料、涂料涂层厚度之间的关系; 考察最佳成分配比的涂料在反复实验情况下的疲劳性能; 通过实验室实验和冶金企业小型化工业实验综合研究空心陶瓷微珠绝热涂料绝热性能和工业应用前景.
1 高温绝热涂料实验方案
绝热涂料由填料和基料组成,空心陶瓷微珠绝热涂料的填料是接近纳米级的空心陶瓷微珠,而基料则是具有一定黏结性能的黏结剂. 本研究选择5000 目的空心陶瓷微珠填料,E800、硅酸钠( 水性黏合剂) 为基料,用羧甲基纤维素作辅料配制的绝热涂料,考察这两种基料与空心陶瓷微珠填料配合后的高温性能及对绝热性能,并分析羧甲基纤维素作辅料时对上述指标的影响.
实验装置如图1 所示.
实验装置
实验用1. 5 mm 厚的A3 牌号钢板,其尺寸为280 mm × 300 mm,在钢板一侧刷上配制的绝热涂料,烘干后用马弗炉加热模拟高温进行钢板内外温差测量,测量温度选用两支热电偶. 实验从300 ℃左右开始记录钢板内外侧温度,主要考察涂料的高温性能. 具体配料方案见表1,根据配料方案又设计了若干种涂层厚度方案见表2.
绝热涂料配料方案
各种涂料在钢板上涂刷厚度
2 实验结果和讨论
2. 1 E800 水性高温黏结剂对高温绝热涂料性能的影响
取1# 涂料进行实验研究,其实验结果见图2.
1#涂料不同涂层厚度时钢板内--外温度的关系
从图中可以看出,当空心微珠粒度为5000 目时,不同涂层厚度的四块钢板内侧温度和外侧温度的变化趋势基本相同. 当钢板内侧温度相同时,涂层厚度从4. 2 × 10 - 4 m 变化到7. 5 × 10 - 4 m 时,钢板外侧温度基本不变,从而说明涂层厚度为4. 2 × 10 - 4 m时,就已经达到该种绝热涂料绝热效果的最佳值,再增加厚度已没有必要.
实验后发现,涂料在整个实验过程中产生龟裂,并伴随温度升高,裂纹加深,出现局部涂料脱落现象,说明在涂料成分上要有所突破,应采用黏结效果更好的黏结剂使涂料的黏结强度加大,从根本上提高涂料的黏结性能以及耐高温性能.
2. 2 水玻璃高温黏结剂对高温绝热涂料性能的影响
为解决涂料在上面实验过程中产生龟裂和脱落问题,取2# 和3# 涂料进行实验,黏结剂改换水玻璃溶液、PA80 型高温胶和羧甲基纤维素. PA80 型高温胶是无机磷酸盐高温黏结剂,它具有耐高温,导热系数小,优良的热稳定性以及良好的黏结性,外观为无色透明胶体溶液,应用范围日趋广泛.
羧甲基纤维素是一种高效增稠剂,具有极强黏结力和聚合力,少量加入到溶液中可起到普通增稠剂不可比拟的优良效果.
同时,配置了专门的处理液( 水玻璃与一定量羧甲基纤维素的混合液) ,在向钢板表面涂刷涂料前,先将处理液涂刷于钢板表面,待处理液干燥后涂刷涂料于处理液涂层之上,以便解决涂料与钢板黏合性能差,易在高温下分离并脱落的问题.
2#和3#涂料实验结果见图3. 从图中可以看出,涂料成分中有无羧甲基纤维素对涂料绝热性能影响不大,但其差异体现在加热过程中涂料形貌的变化.成分中不含羧甲基纤维素的3# 涂料在实验过程中会产生龟裂,并伴随温度升高龟裂会加深; 成分中含有羧甲基纤维素的2# 涂料在整个实验过程中几乎没有任何变化,从根本上解决了涂料在高温下的龟裂现象.
2#和3#涂料钢板内--外温度的关系
2. 3 PA80 型高温黏结剂对高温绝热涂料性能的影响
在基本解决加热过程中涂料龟裂问题的情况下,由于羧甲基纤维素价格比较昂贵,考虑到成本因素,选用加入PA80 型高温胶的4# 涂料和加入羧甲基纤维素的5# 涂料进行对比实验,结果如图3 所示.
从图4 中可以看出,4# 和5# 涂料的高温绝热效果相差不大,但溶有PA80 胶的4# 涂料与钢板表面发生化学反应而明显起泡,造成涂料作废无法使用;若将处理液涂刷于钢板表面,待干燥后涂刷溶有PA80 胶的涂料也会发生化学反应,反应程度会比不涂刷处理液稍弱一些,除非处理液涂刷到足够厚度,才可避免化学反应的发生.
运用PA80 胶作为黏结剂的施工工艺较其他施工工艺复杂且效果一般,因此不便实验使用.
4#和5#涂料钢板内--外侧温度的关系
2. 4 水玻璃高温黏结剂与不同量羧甲基纤维素混合对高温绝热涂料性能的影响
由于羧甲基纤维素在涂料高温绝热性能中起到很重要的作用,取不同质量分数羧甲基纤维素含量的5#和6#涂料进行对比实验,结果见图5.
5#和6#涂料钢板内--外侧温度的关系
从图5 中可以看出: 含羧甲基纤维素质量分数1% 的涂料绝热效果在高温段要好于质量分数0. 5%的涂料; 但在低温段,其绝热效果几乎相同.另外,在配置涂料的过程中发现,含羧甲基纤维素的质量分数超过1%时,涂料的黏稠度会过大,在涂刷涂料于钢板前就会局部凝块而无法均匀搅拌. 所以考虑到含羧甲基纤维素质量分数0. 5% 的涂料绝热效果很好,涂料刷到钢板的表面质量也是最佳的.
2. 5 不同粒度填料对涂料绝热性能的影响
根据前面的实验表明,5# 涂料的配比方案综合效果最好,取5# 涂料的配比方案,在涂层厚度一定时,选用800 目、1250 目、2500 目和5000 目四种不同粒度的空心微珠填料进行对比实验,结果见图6.从图6 中可以看出,涂料的粒度越小,高温绝热性能越好.
不同粒度空心微珠填料下钢板内侧温度和钢板内外温差 的关系
疲劳实验后钢板内侧温度与钢板内外温差的关系
3 绝热涂料疲劳性能的实验与讨论
取绝热效果最好的5#涂料,分别涂刷于两块钢板上,涂料涂层厚度分别为0. 26 mm 和0. 34 mm,两块钢板均进行了五次升温实验,来考察涂料的疲劳性能. 为模拟工业实验,每次实验升温至773 K 作为结束,结果见图7.
从图7 中可以看出: 涂层厚度为0. 26 mm 的涂料疲劳实验的绝热效果按渐弱次序排列为第2 次、第3 次、第1 次、第5 次及第4 次; 涂层厚度为0. 34 mm 的涂料疲劳实验的绝热效果按渐弱次序排列为第3 次、第4 次、第5 次、第1 次及第2次. 以上结果表明: 涂料绝热效果不是依据实验次数决定,五次升温实验对涂料绝热性能影响并不大.同时,在第5 次实验结束后,两块钢板上的涂料依然完好无损,只是由于多次实验,涂料表面颜色有所变化. 本实验结果对进一步的冶金企业工业化实验具有重要指导意义.
4 30 t 钢包钢水的保温实验
在以上实验基础上,取5#绝热涂料在冶金企业进行了实验. 将5000 目的空心陶瓷微珠填料、水玻璃、纯水和羧甲基纤维素依次称量至实验所需重量后混合并搅拌均匀,将制备好的涂料均匀涂刷于钢包内壁上,待干燥后与没有刷绝热涂料的钢包进行对比实验,并记录数据. 具体实验数据如表3 和表4所示.
钢包( 涂刷空心陶瓷微珠5#绝热涂料) 温降统计
钢包( 未涂刷绝热涂料) 温降统计
钢包( 未涂刷绝热涂料) 温降统计
将两表数据进行对比发现,涂刷有绝热涂料的钢包总平均温降为2. 30 ℃ /min,而未涂刷绝热涂料的钢包总平均温降为2. 71 ℃ /min. 数据对比表明:涂刷绝热涂料后,钢包每分钟平均温降比以前降低将近0. 41 ℃,说明绝热涂料能够在实际生产中起到很好的绝热效果,并且可以为冶金企业带来直接经济效益.
5 结论
( 1) E800 黏结剂为基料构成的绝热涂料,涂层厚度为4. 2 × 10 - 4 m 时,就已经达到该种绝热涂料绝热效果的最佳值.
( 2) 水玻璃溶液为基料配以一定数量的羧甲基纤维素构成的绝热涂料的绝热性能实验发现,添加质量分数0. 5% 的羧甲基纤维素后,涂料绝热性能在实验所设计的配比方案中最佳; 配以0. 2% ~ 1%
羧甲基纤维素,可以增强绝热涂料附着强度和抗热振性能,改善冷热交互变化过程中涂料的疲劳强度.
( 3) PA80 型高温胶不适合成为的高温绝热涂料的组成成分,该胶对钢板有强烈腐蚀作用.
( 4) 在涂层厚度和基料相同的情况下,构成涂料的空心陶瓷微珠填料粒度越小,高温绝热性能越好.
( 5) 选用5000 目粒度的空心陶瓷微珠填料、水玻璃溶液为基料配0. 5%羧甲基纤维素构成的绝热涂料涂于钢板,进行60 ~ 800 ℃高温绝热疲劳实验发现,钢板涂刷绝热涂料的绝热效果不随实验次数的增加而降低.
( 6) 选用5000 目粒度的空心陶瓷微珠填料、水玻璃溶液为基料配0. 5%羧甲基纤维素构成的绝热涂料,在冶金企业30 t 的钢包内涂刷0. 8 mm 后,钢包内钢水每分钟的平均温降比不刷本绝热涂料时少0. 41 ℃,可以直接为冶金企业带来经济效益.
曹光远,郭汉杰,李林,李宏亮,郭闯
北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083