CN112480789A - 一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料及其制备方法，组分包括成膜物、固化剂和功能填料，将成膜物、固化剂、功能填料与有机溶剂混合，搅拌均匀后制得防热涂料，采用空气喷涂工艺将防热涂料喷涂在基材表面，固化后得到高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层。本发明隔热性能好，烧蚀率低，质量轻，强度高，且工艺性能优良，可广泛使用于多种类型弹箭船机等飞行器表面防热，还可推广应用于其他民用领域。

Description

一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种防热涂层材料。
背景技术
目前固体火箭发动机防热涂层材料主要使用树脂或橡胶类作为成膜物，添加其他功能材料，起到防热隔热保护的作用。其作用机理主要是利用材料在强烈的气动加热过程中，发生物理变化和化学反应带走热量，降低发动机工作时的外表面温度。物理变化包括材料的熔融、蒸发和升华等，化学反应包括高聚物的解聚、有机材料的降解和其他可大量吸收热量的化学反应。与陶瓷类防热涂层材料相比，此类防热涂层材料具有质量轻、韧性高、成本低廉、工艺简单、热防护效率较高等特点，仍然广泛使用于多数发动机型号中。
在发动机实际使用过程中，除了要求防热涂层材料具备优异的防热隔热性能外，还应满足密度低、强度高、工艺性能良好等特点，一方面是降低防热涂层材料密度，减少发动机消极质量，同时降低涂层加工成型成本，另一方面是保证发动机在运输、搬运、震动等情况下避免由于涂层材料强度较低而导致涂层开裂甚至脱落。使用硅橡胶类防热涂层材料虽然质轻且隔热性能和工艺性能较好，拉伸强度和韧性较高，但其普遍存在与基材表面粘接性能较差、强度不高的缺点，易在运输、搬运过程中因磕碰导致涂层脱落。
专利“一种轻质低导烧蚀维型防热涂料及其制备和应用”(CN 110437737 A)所述的防热涂料拉剪强度达到5MPa以上，但其实测密度大于1.1g/cm3，无烧蚀率数据。专利“一种防热涂层及其制备方法”(CN 109536015 A)采用硅橡胶基制成的防热涂层密度小于0.8g/cm3，隔热性较好，但其拉剪强度只有1.5Mpa左右。其他类似防热涂层多数无拉剪强度数据，或密度大于1.0g/cm3，不满足轻质、高强度的要求。
因此亟需发明一种满足轻质、隔热、高强度、抗冲刷耐烧蚀要求的防热涂层材料。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，这种涂层材料除了隔热性能好、烧蚀率低以外，还具有轻质、高强度的优点，且工艺性能优良，可广泛使用于多种类型弹箭船机等飞行器表面防热，还可推广应用于其他民用领域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，组分包括成膜物、固化剂和功能填料，成膜物质量为65～70份，固化剂质量为15～18份，功能填料质量为12～20份，成膜物、固化剂和功能填料质量加总等于100份；所述的成膜物为环氧树脂、耐高温有机硅树脂、改性有机硅树脂任意比例的混合物；所述的固化剂为改性芳香胺；所述的功能填料为空心微珠、硅灰石、云母粉和氧化铁红的混合物，其中空心微珠占功能填料质量的20～50％，氧化铁红占功能填料质量小于5％，其余组分比例任意调节。
所述的成膜物粘度(涂-4杯，25℃)为20～60s。
所述的固化剂的胺值为250～450mg KOH/g。
所述的空心微珠粒径为300～400目；所述的硅灰石粒径为300～400目；所述的云母粉粒径为100～200目。
本发明还提供上述高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，包括以下步骤：将成膜物、固化剂、功能填料与有机溶剂混合，搅拌均匀后制得防热涂料，采用空气喷涂工艺将防热涂料喷涂在基材表面，固化后得到高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层。
所述的有机溶剂为乙酸乙酯、无水乙醇、有机硅树脂稀释剂中的任意一种，或任意几种任意比例的混合物。
所述的成膜物、固化剂、功能填料与有机溶剂混合时，以混合后涂料质量为100份计算，其中有机溶剂的质量为3～10份。
所述的喷涂工艺为，控制喷涂压力0.4～0.5MPa，喷枪距喷涂工件表面的距离为150～200mm，每遍涂层厚度控制在0.2mm以下，每遍喷涂完涂层晾置20～40min后进行下一遍喷涂，直至满足涂层厚度要求。
所述的固化得到的涂层厚度不大于3.0mm。
所述的固化条件具体为：当涂层厚度≤0.2mm时，室温固化120～168h，或45℃固化48h；当涂层厚度为0.2～1.0mm时，45℃固化60h；当涂层厚度为1.0～3.0mm时，45℃固化96h，或45℃固化20h，然后60℃固化20h，再90℃固化20h。
本发明的有益效果是：提供的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，以环氧树脂和硅树脂作为成膜物，以改性芳香族胺作为固化剂，以空心微珠、硅灰石和云母粉等作为功能填料，主要性能如下：
Figure BDA0002778678160000031
该涂层材料具有如下优点：
(1)涂料使用环氧树脂和硅树脂作为成膜物，具备了环氧树脂粘接强度高、硬度大的优点，满足多种类型弹箭船机等飞行器表面防热涂层材料使用需求。该种涂层材料粘接强度比一般的硅橡胶基防热涂层材料高2.5倍以上，能够有效避免发动机在运输、搬运、震动等情况下由于涂层材料强度较低而导致涂层开裂甚至脱落。
(2)涂层热导率低，比热容大，作为外防热材料，具有较好的隔热性且在加热时能够吸收大量的热，有效防止热量向基材传递。同时该涂层材料较低的烧蚀率和较好粘接性能保证其具备抗冲刷耐烧蚀性能，起到了烧蚀维型的作用，满足飞行器热防护需求。
(3)涂层密度低于1.0g/cm3，满足防热涂层轻质化要求。
(4)防热涂料施工工艺简单，可室温或中温加速固化，降低了成本能耗，也可应用于已完成装药的飞行器表面防热涂料喷涂。
附图说明
图1是本发明的涂层材料制备流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种防热涂层材料，这种涂层材料除了具备优良的防隔热性能和较低的密度外，同时具有高强度、抗冲刷、耐烧蚀的优点，可应用于多种类型的发动机外防热。
本发明提供的一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，包含成膜物、固化剂和功能填料，涂料质量以100份计算，成膜物质量为65～70份，固化剂质量为15～18份，功能填料质量为12～20份。
所述的成膜物为环氧树脂、耐高温有机硅树脂、改性有机硅树脂的混合物，比例可调节。
所述的固化剂为改性芳香胺。
所述的功能填料为空心微珠、硅灰石、云母粉和氧化铁红混合物，空心微珠占功能填料质量的20％～50％，氧化铁红占功能填料质量小于5％，其余组分比例可调节。
所述的成膜物粘度(涂-4杯，25℃)为20～60s。
所述的改性芳香胺固化剂的胺值为250～450mg KOH/g。
所述的空心微珠粒径为300～400目。
所述的硅灰石粒径为300～400目。
所述的云母粉粒径为100～200目。
所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料制备方法为：将成膜物、固化剂、功能填料和有机溶剂按照比例进行充分混合，搅拌均匀后制得防热涂料，采用空气喷涂工艺将防热涂料喷涂在基材表面，固化后得到高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层。
所述的有机溶剂为乙酸乙酯、无水乙醇、有机硅树脂稀释剂的一种或几种混合物，比例可调节。
所述的成膜物、固化剂、功能填料和有机溶剂按照比例进行充分混合时，以其混合后涂料质量为100份计算，其中有机溶剂的质量为3～10份。
所述的喷涂工艺为，控制喷涂压力0.4～0.5MPa，喷枪距喷涂工件表面的距离为150～200mm，每遍涂层厚度控制在0.2mm以下，每遍喷涂完涂层晾置20～40min后进行下一遍喷涂，直至满足涂层厚度要求。
所述的固化，其固化条件与防热涂层材料的厚度有关，通常，不建议涂层厚度大于3.0mm。固化条件具体为：当涂层厚度≤0.2mm时，室温固化120～168h，或45℃固化48h；当涂层厚度为0.2～1.0mm时，45℃固化60h；当涂层厚度为1.0～3.0mm时，45℃固化96h，或45℃固化20h，然后60℃固化20h，再90℃固化20h。
实施例1
如图1所示，按照涂料质量为100份计算，将环氧树脂(E-44，南通星辰)32份、耐高温有机硅树脂(REN50，德国瓦克)22份和改性有机硅树脂(MH-30，森菲达化工)11份混合制成成膜物，将空心微珠8份、硅灰石1份和云母粉8份混合制成功能填料，将成膜物和功能填料混合搅拌均匀，加入15份改性胺固化剂(LS-8801，济南玉溢化工)，并加入1份乙酸乙酯和2份有机硅稀释剂作为溶剂，混合搅拌均匀后室温晾置30min，制成高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂料。
使用气动喷枪将防热涂料均匀喷涂于干净的工件表面，控制喷涂压力0.4～0.5MPa，喷枪距喷涂工件表面的距离为150mm，喷涂的涂层厚度控制在0.1～0.2mm，喷涂一遍后室温放置168h固化得到防热涂层材料。
实施例2
如图1所示，按照涂料质量为100份计算，将环氧树脂(E-51，凤凰牌)11份、耐高温有机硅树脂(3074，道康宁)26份和改性有机硅树脂(MH-30，森菲达化工)5份混合制成成膜物，将空心微珠8份、硅灰石0.7份、云母粉9份和氧化铁红0.3份混合制成功能填料，将成膜物和功能填料混合搅拌均匀，加入15份改性胺固化剂(LS-8801，济南玉溢化工)，并加入1份乙酸乙酯和4份有机硅稀释剂作为溶剂，混合搅拌均匀后室温晾置30min，制成高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂料。
使用气动喷枪将防热涂料均匀喷涂于干净的工件表面，控制喷涂压力0.4～0.5MPa，喷枪距喷涂工件表面的距离为200mm，喷涂的涂层厚度控制在0.1～0.2mm，每遍喷涂完涂层晾置40min后进行下一遍喷涂，如此反复喷涂至涂层厚度为0.5mm，45℃固化60h得到防热涂层材料。
实施例3
如图1所示，按照涂料质量为100份计算，将环氧树脂(E-44，南通星辰)15份、耐高温有机硅树脂(REN50，德国瓦克)45份和改性有机硅树脂(MH-30，森菲达化工)8份混合制成成膜物，将空心微珠6.2份、云母粉6.2份和氧化铁红0.6份混合制成功能填料，将成膜物和功能填料混合搅拌均匀，加入15改性胺份固化剂(H113，天津泰达化工)，并加入2份乙酸乙酯和2份有机硅稀释剂作为溶剂，混合搅拌均匀后室温晾置30min，制成高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂料。
使用气动喷枪将防热涂料均匀喷涂于干净的工件表面，控制喷涂压力0.4～0.5MPa，喷枪距喷涂工件表面的距离为200mm，喷涂的涂层厚度控制在0.1～0.2mm，每遍喷涂完涂层晾置25min后进行下一遍喷涂，如此反复喷涂至涂层厚度为2.0mm，45℃固化20h，然后60℃固化20h，再90℃固化20h，得到防热涂层材料。

Claims (10)

1.一种高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，其特征在于，组分包括成膜物、固化剂和功能填料，成膜物质量为65～70份，固化剂质量为15～18份，功能填料质量为12～20份，成膜物、固化剂和功能填料质量加总等于100份；所述的成膜物为环氧树脂、耐高温有机硅树脂、改性有机硅树脂任意比例的混合物；所述的固化剂为改性芳香胺；所述的功能填料为空心微珠、硅灰石、云母粉和氧化铁红的混合物，其中空心微珠占功能填料质量的20～50％，氧化铁红占功能填料质量小于5％，其余组分比例任意调节。
2.根据权利要求1所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，其特征在于，所述的成膜物粘度(涂-4杯，25℃)为20～60s。
3.根据权利要求1所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，其特征在于，所述的固化剂的胺值为250～450mg KOH/g。
4.根据权利要求1所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料，其特征在于，所述的空心微珠粒径为300～400目；所述的硅灰石粒径为300～400目；所述的云母粉粒径为100～200目。
5.一种权利要求1所述高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将成膜物、固化剂、功能填料与有机溶剂混合，搅拌均匀后制得防热涂料，采用空气喷涂工艺将防热涂料喷涂在基材表面，固化后得到高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层。
6.根据权利要求5所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为乙酸乙酯、无水乙醇、有机硅树脂稀释剂中的任意一种，或任意几种任意比例的混合物。
7.根据权利要求5所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的成膜物、固化剂、功能填料与有机溶剂混合时，以混合后涂料质量为100份计算，其中有机溶剂的质量为3～10份。
8.根据权利要求5所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的喷涂工艺为，控制喷涂压力0.4～0.5MPa，喷枪距喷涂工件表面的距离为150～200mm，每遍涂层厚度控制在0.2mm以下，每遍喷涂完涂层晾置20～40min后进行下一遍喷涂，直至满足涂层厚度要求。
9.根据权利要求5所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的固化得到的涂层厚度不大于3.0mm。
10.根据权利要求5所述的高强度抗冲刷耐烧蚀防热涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的固化条件具体为：当涂层厚度≤0.2mm时，室温固化120～168h，或45℃固化48h；当涂层厚度为0.2～1.0mm时，45℃固化60h；当涂层厚度为1.0～3.0mm时，45℃固化96h，或45℃固化20h，然后60℃固化20h，再90℃固化20h。
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