CN112275598A - 变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构及制备方法 - Google Patents

变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器用铝‑有机硅‑氟碳复合涂层材料结构，它包括基体，基体上依次为铝底层、有机硅复合粘结层、氟碳复合涂层以及掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层；制备方法为对变压器表面基体进行冷喷铝涂层，对冷喷铝后的涂层进行有机硅复合膜的喷涂得到有机硅复合粘结层，有机硅复合粘结层干燥后进行氟碳复合涂层的喷涂得到氟碳复合涂层，最后进行掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层喷涂；制备结束后得到变压器用铝‑有机硅‑氟碳复合涂层材料结构；解决了现有技术的变压器涂层材料存在的不利于过程的环保、不利于现场施工及修补、防腐维修、维修难度大及成本高等技术问题。

Description

变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构及制备方法
技术领域
本发明属于复合涂层材料技术领域，尤其涉及一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构及制备方法。
背景技术
变压器是用来变换交流电压、电流而传输交流电能的一种静止的电器设备。它是根据电磁感应的原理实现电能传递的。变压器就其用途可分为电力变压器、试验变压器、仪用变压器及特殊用途的变压器等。变压器作为输电网络的重要组成部分，其工作环境多变，从工业大气环境到临海湿热海洋大气环境，变压器面临的环境温度、湿度、光照等都不相同，对变压器的安全稳定运行提出了极高的要求。变压器涂料应用于变压器箱体外壁及油箱内壁防护，因变压器规格品种及应用环境的不同，其防护性及装饰性要求也各异。油箱内存放变压器油，长期使用常年温度在105℃以上，需要使用的涂料具有较好的耐油耐温性能。在变压漆运行过程中，由于长时间处于较高的温度，这对表面防护涂层的结构和性能造成了较大的影响。同时光-热耦合作用也加速了变压器的腐蚀和老化，这就要求变压器的防腐涂层具有较好的导热性能。
涂料指物体表面在一定的条件下能形成薄膜而起保护作用的高分子材料。通常是以树脂为主，添加或不添加颜料、填料以及助剂，用有机溶剂或水配制而成的粘稠液体。因早期的涂料大多以植物油为主要原料，故又称作油漆。现在合成树脂已取代了植物油，故称为涂料。涂覆有机涂料是目前应用最广泛的防腐手段，可以给钢铁材料表面提供良好的防护性能，使金属材料暴露在各种腐蚀介质中时具有良好的防腐蚀性能。氨基烘漆是变压器防护涂料的重要品种之一，目前该行业使用的氨基烘漆烘烤温度一般都在100 ℃以上，甚至高达180 ℃，固化时间一般为60-120min，甲醛释放量较高，有明显的刺鼻味道。
为了解决变压器在高温热耦合情况下加速涂层的老化和失效，常规涂料采用底漆加面漆的配套体系，其中底漆采用环氧富锌漆，以环氧树脂作为涂料的主要成膜物质，聚酰胺树脂为固化剂。而面漆采用耐候型的氟碳树脂为主要成膜物质，异氰酸酯树脂为固化剂。底漆是油漆系统的第一层，用于提高面漆的附着力、增加面漆的丰满度、提供抗碱性、提供防腐功能等，同时可以保证面漆的均匀吸收，使油漆系统发挥最佳效果。在喷涂油漆前，一般需要对工件表面进行喷砂处理，提高表面粗糙度，从而提高底漆和工件之间的附着力。但喷砂过程一般会产生各种沙尘污染，不利于过程的环保。
在各种高分子材料之中，氟碳树脂塑料由于引入的氟元素电负性大，碳氟键键能强，使得氟碳树脂具有特别优越的各项特性：耐候性、耐热性、耐低温型、耐化学药品性，而且还具有独特的不粘性和低摩擦性。这些优良的特性，使得氟碳树脂广泛应用于建筑、化学工业、电气电子工业、机械工业、航空航天产业、家庭用品等各个领域。氟碳树脂家族常见的有PTFE、PVDF、FEVE、PVF四种。PTFE即聚四氟乙烯树脂。PTFE具有自润滑性。PVDF即聚偏二氟乙烯树脂主要作为建筑涂料应用于金属装饰板材保护涂层。上述两者氟碳涂层金属烤漆型，必须经过高温才能成膜，不能在常温下施工。FEVE（聚三氟氯乙烯/乙烯基醚树脂）是一种可常温固化的氟碳涂料。在常温下通过刷涂、辊涂、喷涂等普通涂装方法，将氟碳涂料涂覆在各种基材表面，形成氟碳保护涂层，极大拓展了氟碳涂料的应用范围。但该涂层需要在钢基体表面预先进行喷砂并沉积底漆，不利于现场施工及修补。
热浸镀锌和富锌涂料作为传统的防腐方式，在钢结构防腐领域得到了广泛应用。但热浸镀锌良好防腐性能的同时，带来了高污染、高能耗，国家已在逐步立法限制热浸镀锌的发展，已经不准新建热浸镀锌厂。同时，热浸镀锌还存在镀层破损处难于修复，钢构件受热变形等缺点；富锌涂料由于受本身防护原理限制，同时有机物5年左右必然老化，防腐年限一般5～10年，钢结构一般使用寿命为50年，在寿命周期内，必须进行数次防腐维修，维修难度大，成本高，因此在钢结构工程中应用有一定局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构及制备方法，以解决现有技术的变压器涂层材料存在的不利于过程的环保、不利于现场施工及修补、防腐维修、维修难度大及成本高等技术问题。
本发明技术方案：
一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构，它包括基体，基体上依次为铝底层、有机硅复合粘结层、氟碳复合涂层以及掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层。
所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，它包括：对变压器表面基体进行冷喷铝涂层，对冷喷铝后的涂层进行有机硅复合膜的喷涂得到有机硅复合粘结层，有机硅复合粘结层干燥后进行氟碳复合涂层的喷涂得到氟碳复合涂层，最后进行掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层喷涂；制备结束后得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构。
所述对变压器表面基体进行冷喷铝涂层的方法为：采用便携式冷喷铝涂层设备进行，铝粉末粒度尺寸40-70微米，氮气载气温度300-400℃，喷涂压力2-4MPa，涂层厚度100-200微米。
冷喷铝涂层表面粗糙度10-50微米，涂层结合力大于40MPa。
所述有机硅粘结层采用铝粉掺杂硅烷偶联剂喷涂制备；铝粉粒度为1-5微米，铝粉掺杂量为1-5at.%，涂层厚度1-10微米。
所述氟碳复合涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE氟碳树脂喷涂而成；C60纳米粉末掺杂量为1-3at.%。
氟碳复合涂层厚度30-50微米，涂层粗糙度10-30微米。
所述防护层喷涂的采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备；氧化硅掺杂量为1-5at.%，氧化硅的粒度为0.1-5微米，涂层厚度10-20微米。
本发明的有益效果：
本发明是多种技术的综合利用，一是利用了冷喷技术，避免了喷砂技术的使用，直接在材料表面制备防腐蚀的铝涂层；二是多种涂层材料的复合，如结合层采用有机硅膜，有机硅膜采用硅烷偶联剂来制备，硅烷偶联剂往往可以解决材料无法粘接的难题。硅烷偶联剂作为增粘剂的作用原理在于它本身有两种基团；硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性。因此,当硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层。从而在粘接界面形成强力较高的化学键，大大改善了粘接强度。三是将二氧化硅掺杂的有机硅膜作为表面的防护层，可以提高涂层的耐紫外线性能。四是氟碳涂层中掺入了C60粉末，可以提高涂层的致密度和耐紫外辐照性能，提高涂层的寿命。
本发明具有如下优点：
第一，与常规变压器涂层相比，本发明是冷喷技术和喷涂技术的结合，冷喷技术的采用避免了喷砂等污染过程；
第二，本发明充分利用多层结构，梯度复合涂层技术，形成的涂层结构和成分有渐变，提高涂层的韧性和耐冲击性能；
第三，本发明中在有机硅膜和氟碳涂层中都加入了不同的粉末材料，利用粉末材料的高硬度提高涂层的耐磨性；
第四，采用的氟碳涂层为可以常温固化的材料，避免了常规变压器涂层需要高温烘烤的过程，大幅度降低了施工难度；
第五，本发明将有机硅膜作为结合层，将会大幅度提高涂层和基体的结合力，降低基体和涂层的膨胀系数差别；
第六，本发明将二氧化硅掺杂的有机硅膜作为防护层，提高了涂层耐紫外辐照能力和耐磨性能。
本发明所制备变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料将可以大幅度提高变压器的防腐蚀性能和耐磨性，能保证变压器长期稳定工作，大幅度减少表面腐蚀的产生，施工过程简单，绿色环保，可以降低厂家的生产成本。
解决了现有技术的变压器涂层材料存在的不利于过程的环保、不利于现场施工及修补、防腐维修、维修难度大及成本高等技术问题。
附图说明：
图1为本发明铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构示意图。
具体实施方式
一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构，它包括基体1，基体上依次为铝底层2、有机硅复合粘结层3、氟碳复合涂层4以及掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层5；制备方法为对变压器表面基体进行冷喷铝涂层，对冷喷铝后的涂层进行有机硅复合膜的喷涂得到有机硅复合粘结层，有机硅复合粘结层干燥后进行氟碳复合涂层的喷涂得到氟碳复合涂层，最后进行掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层喷涂；制备结束后得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构；由于涂层结构合理，涂层和基体结合力好，具有良好的施工性能和耐候性能。
所述对变压器表面基体进行冷喷铝涂层的方法为：采用便携式冷喷铝涂层设备进行，铝粉末粒度尺寸40-70微米，氮气载气温度300-400℃，喷涂压力2-4MPa，涂层厚度100-200微米。
冷喷铝涂层表面粗糙度10-50微米，涂层结合力大于40MPa。
所述有机硅粘结层采用铝粉掺杂硅烷偶联剂喷涂制备；铝粉粒度为1-5微米，掺杂量为1-5at.%，涂层厚度1-10微米。
所述氟碳复合涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE氟碳树脂喷涂而成；C60纳米粉末掺杂量为1-3at.%。
氟碳复合涂层厚度30-50微米，涂层粗糙度10-30微米。
所述防护层喷涂的采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备；氧化硅掺杂量为1-5at.%，氧化硅的粒度为0.1-5微米，涂层厚度10-20微米。
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1：在大气环境中采用冷喷涂设备对变压器表面进行冷喷涂铝的制备，氮气载气温度300℃，喷涂压力2MPa，涂层厚度100微米；喷铝结束后进行有机硅复合膜的喷涂，喷涂前先将来粉混合到硅烷偶联剂中，铝粉粒度为1微米，掺杂量为1at.%，涂层厚度1微米。随后进行氟碳涂层的制备。氟碳涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE（聚三氟氯乙烯/乙烯基醚树脂）树脂喷涂而成，C60纳米粉末掺杂量为1at.%，涂层厚度30微米，涂层粗糙度10微米；所述有机硅保护层采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备，氧化硅掺杂量为1at.%，氧化硅的粒度为0.1微米，涂层厚度10微米。涂层总厚度在控制在141微米，制备结束后自然冷却，得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料。
实施例2：在大气环境中采用冷喷涂设备对变压器表面进行冷喷涂铝的制备，氮气载气温度400℃，喷涂压力4MPa，涂层厚度200微米；喷铝结束后进行有机硅复合膜的喷涂，喷涂前先将来粉混合到硅烷偶联剂中，铝粉粒度为5微米，掺杂量为5at.%，涂层厚度10微米。随后进行氟碳涂层的制备。氟碳涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE（聚三氟氯乙烯/乙烯基醚树脂）树脂喷涂而成，C60纳米粉末掺杂量为3at.%，涂层厚度50微米，涂层粗糙度30微米；所述有机硅保护层采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备，氧化硅掺杂量为5at.%，氧化硅的粒度为5微米，涂层厚度20微米。涂层总厚度在控制在280微米，制备结束后自然冷却，得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料。
实施例3：在大气环境中采用冷喷涂设备对变压器表面进行冷喷涂铝的制备，氮气载气温度300℃，喷涂压力2MPa，涂层厚度200微米；喷铝结束后进行有机硅复合膜的喷涂，喷涂前先将来粉混合到硅烷偶联剂中，铝粉粒度为1微米，掺杂量为5at.%，涂层厚度1微米。随后进行氟碳涂层的制备。氟碳涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE（聚三氟氯乙烯/乙烯基醚树脂）树脂喷涂而成，C60纳米粉末掺杂量为3at.%，涂层厚度30微米，涂层粗糙度10微米；所述有机硅保护层采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备，氧化硅掺杂量为1at.%，氧化硅的粒度为1微米，涂层厚度10微米。涂层总厚度在控制在241微米，制备结束后自然冷却，得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料。
实施例4：在大气环境中采用冷喷涂设备对变压器表面进行冷喷涂铝的制备，氮气载气温度400℃，喷涂压力4MPa，涂层厚度100微米；喷铝结束后进行有机硅复合膜的喷涂，喷涂前先将来粉混合到硅烷偶联剂中，铝粉粒度为1微米，掺杂量为5at.%，涂层厚度10微米。随后进行氟碳涂层的制备。氟碳涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE（聚三氟氯乙烯/乙烯基醚树脂）树脂喷涂而成，C60纳米粉末掺杂量为3at.%，涂层厚度50微米，涂层粗糙度10微米；所述有机硅保护层采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备，氧化硅掺杂量为5at.%，氧化硅的粒度为4微米，涂层厚度10微米。涂层总厚度在控制在170微米，制备结束后自然冷却，得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料。
实施例5：在大气环境中采用冷喷涂设备对变压器表面进行冷喷涂铝的制备，氮气载气温度300℃，喷涂压力2MPa，涂层厚度150微米；喷铝结束后进行有机硅复合膜的喷涂，喷涂前先将来粉混合到硅烷偶联剂中，铝粉粒度为5微米，掺杂量为3at.%，涂层厚度5微米。随后进行氟碳涂层的制备。氟碳涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE（聚三氟氯乙烯/乙烯基醚树脂）树脂喷涂而成，C60纳米粉末掺杂量为2at.%，涂层厚度40微米，涂层粗糙度20微米；所述有机硅保护层采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备，氧化硅掺杂量为4at.%，氧化硅的粒度为3微米，涂层厚度15微米。涂层总厚度在控制在210微米，制备结束后自然冷却，得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料。
为本发明制备的铝-有机硅-氟碳复合涂层高温老化后的表面形貌，发现经过150℃高温老化后涂层表面保持完整，具有良好的耐高温性能。
本发明制备的铝-有机硅-氟碳复合涂层150℃高温老化后的表面轮廓，发现轮廓保持良好，无明显破坏和损伤。
本发明制备的铝-有机硅-氟碳复合涂层150℃高温老化后的表面原子力显微镜照片，发现表面保持完好，无缺陷。

Claims (8)

1.一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构，它包括基体，其特征在于：基体上依次为铝底层、有机硅复合粘结层、氟碳复合涂层以及掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层。
2.如权利要求1所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：它包括：对变压器表面基体进行冷喷铝涂层，对冷喷铝后的涂层进行有机硅复合膜的喷涂得到有机硅复合粘结层，有机硅复合粘结层干燥后进行氟碳复合涂层的喷涂得到氟碳复合涂层，最后进行掺杂二氧化硅有机硅复合膜的防护层喷涂；制备结束后得到变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构。
3.根据权利要求2所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：所述对变压器表面基体进行冷喷铝涂层的方法为：采用便携式冷喷铝涂层设备进行，铝粉末粒度尺寸40-70微米，氮气载气温度300-400℃，喷涂压力2-4MPa，涂层厚度100-200微米。
4.根据权利要求3所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：冷喷铝涂层表面粗糙度10-50微米，涂层结合力大于40MPa。
5.根据权利要求2所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：所述有机硅粘结层采用铝粉掺杂硅烷偶联剂喷涂制备；铝粉粒度为1-5微米，铝粉掺杂量为1-5at.%，涂层厚度1-10微米。
6.根据权利要求2所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：所述氟碳复合涂层由C60纳米粉末掺杂FEVE氟碳树脂喷涂而成；C60纳米粉末掺杂量为1-3at.%。
7.根据权利要求6所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：氟碳复合涂层厚度30-50微米，涂层粗糙度10-30微米。
8.根据权利要求2所述的一种变压器用铝-有机硅-氟碳复合涂层材料结构的制备方法，其特征在于：防护层喷涂的采用氧化硅掺杂硅烷偶联剂喷涂制备；氧化硅掺杂量为1-5at.%，氧化硅的粒度为0.1-5微米，涂层厚度10-20微米。
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