CN112521778A - 一种六方氮化硼涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐高温涂料技术领域，具体涉及一种六方氮化硼涂料及其制备方法和应用。本发明提供的六方氮化硼涂料，按质量份数计，包括以下组分：无机粘结剂1～5份，膨润土1～5份，固化剂1～5份，无机填料5～10份，六方氮化硼10～15份和分散介质70～80份。本发明提供的六方氮化硼涂料包括无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料、六方氮化硼和分散介质，实现了各组分功能之间的相互配合，以本发明提供的六方氮化硼涂料制备成的涂层具有优良的附着能力、耐高温性能、润滑性，且与金属不发生浸润，使用寿命长，成本低。

Description

一种六方氮化硼涂料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及耐高温涂料技术领域，具体涉及一种六方氮化硼涂料及其制备方法和应用。

背景技术

耐高温涂料是一种在温度大于200℃的环境下能够长期保持稳定的物理化学性能，使保护对象能在高温下长期工作的特种功能性涂料。其广泛应用于军事、化工、电子以及金属行业等领域。

目前，耐高温涂料分为有机涂料和无机涂料，其中有机涂料在耐水性，绝缘性等方面表现优异，但是存在着强度低、耐高温性能差的缺点；而无机涂料因其具有优良的阻燃性和较好的耐高温性能(可以承受400～1000℃的高温环境)成为当今耐高温涂料的研究重点。

六方氮化硼是一种六角网络迭层形成的类似于石墨结构的无机化合物，六方氮化硼具有优异的高温稳定性，在氧气气氛下耐热到900℃，在非氧气气氛下耐热达到2800℃；具有优异的润滑性，摩擦系数低(0.16)，且高温条件下摩擦系数不会增大；除此之外，六方氮化硼还具有耐腐蚀和电绝缘性。因此，六方氮化硼作为无机耐高温涂料有极大的优势和开发潜力。但是，目前市售氮化硼涂料普遍存在着附着能力差、耐高温性能不好的问题，例如，专利CN108585634A公开了一种氮化硼防腐涂料的制备方法，该专利中公开的氮化硼防腐涂料虽然具有较好的防腐性能但是其耐热性能差。

发明内容

有鉴于此，发明的目的是提供一种六方氮化硼涂料及其制备方法和应用，利用本发明提供的六方氮化硼涂料制备得到的涂层具有优良的附着能力和耐高温性能，且与金属不发生浸润，使用寿命长，成本低。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种六方氮化硼涂料，按质量份数计，包括以下组分：

无机粘结剂1～5份，膨润土1～5份，固化剂1～5份，无机填料5～10份，六方氮化硼10～15份和分散介质70～80份。

优选的，所述六方氮化硼涂料的固含量为20～40％。

优选的，所述无机粘结剂包括磷酸铝、磷酸二氢铝、磷酸铝镁、水溶性硅酸钠、硅酸钾和铝溶胶中的一种或多种。

优选的，所述膨润土包括钠基膨润土、锂基膨润土、镁基膨润土、钙基膨润土、钾基膨润土和有机膨润土中的一种或多种。

优选的，所述固化剂包括氧化铝、氧化镁、氧化锌和氧化铜中的一种或多种。

优选的，所述无机填料包括高岭土、偏高岭土、二氧化硅、氢氧化铝、碳化硼和三氧化二铬中的一种或多种。

优选的，所述分散介质包括水和/或醇溶剂；

所述醇溶剂包括甲醇、乙醇、丙三醇和乙二醇中的一种或多种。

本发明还提供上述技术方所述的六方氮化硼涂料的制备方法，包括以下步骤：

将无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料、六方氮化硼和分散介质进行混合，得到所述六方氮化硼涂料。

优选的，所述混合在搅拌的条件下进行；

所述搅拌的速率为500～1500rpm，所述搅拌的时间为0.5～3h，所述搅拌的温度为室温。

本发明还提供了上述技术方所述的六方氮化硼涂料在耐高温涂料领域中的应用。

为了实现上述目的，本发明提供的六方氮化硼涂料，按质量份数计，包括以下组分：无机粘结剂1～5份，膨润土1～5份，固化剂1～5份，无机填料5～10份，六方氮化硼10～15份和分散介质70～80份。本发明提供的六方氮化硼涂料，实现了各组分功能之间的相互配合，在本发明中，所述无机粘结剂能够凝结各种分散物质，起到凝结剂的作用，具有良好的耐火性、粘结性和成膜性；也可以对六方氮化硼表面进行改性，增加六方氮化硼在涂料中的添加量；使用本发明提供的六方氮化硼涂料制备得到的涂层，在高温条件下使用时，所述无机粘结剂不仅提高了涂料中各组分无机粉体之间的结合强度，还增强了涂料在模具表面的附着力；所述膨润土作为涂料的悬浮剂使用，减少了各涂料组分的沉积，提高了涂料的悬浮性、粘结性、涂刷性和耐水性；所述固化剂减少了各涂料组分固化的时间，加快涂料的凝固速度，使涂料完成涂覆后，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态涂料薄膜；所述无机填料在涂料中起骨架、填充的作用，提高了涂料的附着力，增加涂料膜层厚度，调节涂料的流变性能，改善涂料膜层的机械强度；所述六方氮化硼作为主要成分，与常规添加物石墨、滑石粉相比，具有更好的耐高温性能(在空气中可以达到900℃)，另外在高温下还具有优异的润滑性；使涂料制备得到的涂层具有优异的耐高温性能和润滑性，化学稳定性高且与金属不发生浸润，抗熔融金属液的侵蚀，使用寿命长。实施例的结果表明，本发明提供的六方氮化硼涂料制成的涂层临界载荷达到500～650g，附着能力强；同时本发明提供的六方氮化硼涂料在金属流槽上制成的涂层，在大于400℃温度的条件下，使用寿命达到95～120h，证明了其具有耐高温性能，且与金属不发生浸润，使用寿命长。

本发明还提供了所述的六方氮化硼涂料的制备方法，包括以下步骤：将无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料、六方氮化硼和分散介质进行混合，得到所述六方氮化硼涂料。本发明提供的制备方法工艺简单、可靠、廉价、绿色环保，适合规模化生产。

具体实施方式

本发明提供了一种六方氮化硼涂料，按质量份数计，包括以下组分：

无机粘结剂1～5份，膨润土1～5份，固化剂1～5份，无机填料5～10份，六方氮化硼10～15份和分散介质70～80份。

按质量份数计，本发明所述六方氮化硼涂料包括1～5份的无机粘结剂，进一步优选为1.4～3.8份，更优选为2.2～2.8份。在本发明中，所述无机粘结剂优选包括磷酸铝、磷酸二氢铝、磷酸铝镁、水溶性硅酸钠、硅酸钾和铝溶胶中的一种或多种；当所述无机粘结剂包括磷酸铝、磷酸二氢铝、磷酸铝镁、水溶性硅酸钠、硅酸钾和铝溶胶中的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求，采用任意比例混合即可。在本发明的实施例中，所述无机粘结剂为铝溶胶。本发明对所述无机粘结剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述无机粘结剂所具有的正电性使其能凝结各种带负电荷的分散物质，起到凝结剂的作用，同时，还可以对氮化硼粉体表面进行改性，增加氮化硼粉体添加量。本发明中，无机粘结剂不仅提高了无机粉体之间的结合强度，还增强了涂料形成的涂层在模具表面的附着力。

以所述无机粘结剂的质量份数为基准，本发明所述六方氮化硼涂料包括1～5份的膨润土，进一步优选为2～3.5份，更优选为2.5～3份。在本发明中，所述膨润土优选包括钠基膨润土、锂基膨润土、镁基膨润土、钙基膨润土、钾基膨润土和有机膨润土中的一种或多种；当所述膨润土包括钠基膨润土、锂基膨润土、镁基膨润土、钙基膨润土、钾基膨润土和有机膨润土中的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求，采用任意比例混合即可。在本发明中，所述膨润土的粒径范围优选为1～10μm，进一步优选为2～7μm。在本发明的实施例中，所述膨润土为钠基膨润土，所述钠基膨润土的粒径范围优选为1～10μm，进一步优选为2～7μm。本发明对所述膨润土的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述膨润土可以提高涂料的悬浮性、粘结性、涂刷性和耐水性。

以所述无机粘结剂的质量份数为基准，本发明所述六方氮化硼涂料包括1～5份的固化剂，进一步优选为1.8～3.2份，更优选为2.3～3份。在本发明中，所述固化剂优选包括氧化铝、氧化镁、氧化锌和氧化铜中的一种或多种；当所述固化剂包括氧化铝、氧化镁、氧化锌和氧化铜中的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求，采用任意比例混合即可。在本发明中，所述固化剂的粒径范围优选为1～15μm，进一步优选为5～10μm。在本发明的具体实施例中，所述固化剂为氧化铝，所述氧化铝的粒径范围优选为3～15μm，进一步优选为5～10μm。本发明对所述固化剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述固化剂可以使加快涂料的凝固速度，使涂料完成涂覆后，可以形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态涂料薄膜；而且，本发明所述的固化剂使涂料具有较好的流动性，改善了涂料的可喷涂性。在本发明中，当所述固化剂为氧化铝时，与不规则形状的颗粒不同，氧化铝很容易在彼此之间滚动，更能够进一步的改善涂料体系的流动性，进而改善涂料体系的可喷涂性。

以所述无机粘结剂的质量份数为基准，本发明所述六方氮化硼涂料包括5～10份的无机填料，进一步优选为5.8～8.2份，更优选为6.3～7份。在本发明中，所述无机填料优选包括高岭土、偏高岭土、二氧化硅、氢氧化铝、碳化硼和三氧化二铬中的一种或多种；当所述无机填料优选包括高岭土、偏高岭土、二氧化硅、氢氧化铝、碳化硼和三氧化二铬中的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。在本发明中，所述无机填料的粒径范围优选为1～30μm，进一步优选为5～10μm。在本发明的具体实施例中，所述无机填料优选包括偏高岭土和二氧化硅，所述二氧化硅的粒径范围优选为5～15μm，所述偏高岭土的粒径范围优选为5～10μm，进一步优选为6～10μm。所述偏高岭土和二氧化硅的质量比优选为1～5：1～5，进一步优选为1～2：1～3。本发明对所述无机填料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述无机填料可以在涂料中起骨架、填充的作用，增加涂料膜层厚度，调节涂料的流变性能，改善膜层的机械强度。

以所述无机粘结剂的质量份数为基准，本发明所述六方氮化硼涂料优选包括10～15份的六方氮化硼，进一步优选为11.8～13.2份，更优选为12.3～13份。在本发明中，所述六方氮化硼的粒径范围优选为1～15μm，进一步优选为2～10μm，更优选为3μm。本发明对所述六方氮化硼的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述六方氮化硼作为主要成分，使涂料具有优异的耐高温性能和润滑性，且与金属不发生浸润，使用寿命长。

以所述无机粘结剂的质量份数为基准，本发明所述六方氮化硼涂料优选包括70～80份的分散介质，进一步优选为72～78份，更优选为74.2～75.5份。在本发明中，所述分散介质优选包括括水和/或醇溶剂；所述醇溶剂包括甲醇、乙醇、丙三醇和乙二醇中的一种或多种；当所述分散介质包括水、甲醇、乙醇、丙三醇和乙二醇中的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求，采用任意比例混合即可。在本发明的具体实施例中，所述分散介质为水。本发明对所述分散介质的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述六方氮化硼涂料的固含量优选为20～40％，进一步优选为25～35％，更优选为30％。

本发明还提供上述技术方所述的六方氮化硼涂料的制备方法，包括以下步骤：

将无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料、六方氮化硼和分散介质进行混合，得到所述六方氮化硼涂料。

在本发明中，所述混合优选包括以下步骤：

将无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料和分散介质进行第一混合，得到混合乳液；

将所述混合乳液和六方氮化硼进行第二混合，得到所述六方氮化硼涂料。

本发明将无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料和分散介质进行第一混合，得到混合乳液。在本发明中，所述第一混合优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的速率优选为500～1500rpm，进一步优选为800～1200rpm；所述搅拌的时间优选为0.5～3h，进一步优选为1～2.5h；所述搅拌的温度优选为室温。在本发明中，所述第一混合优选在空气环境或真空环境下进行，进一步优选为在真空环境下进行，所述真空环境的真空度优选为-0.1～-0.8MPa，进一步优选为-0.3～-0.6MPa。本发明对所述无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料和分散介质的混合顺序没有特殊要求，采用任意顺序混合即可。本发明对所述第一混合的设备没有特殊要求，在本发明的实施例中，所述第一混合优选在Henschel混合机、超级混合机或乳化机中进行。

本发明优选在真空环境下进行第一混合，可以防止在第一混合过程中产生气泡，使制备得到的涂料性能更加均匀、稳定。

得到混合乳液后，本发明将所述混合乳液和六方氮化硼进行第二混合，得到所述六方氮化硼涂料。

在本发明中，所述第二混合优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的速率优选为500～1500rpm，进一步优选为800～1200rpm；所述搅拌的时间优选为0.5～3h，进一步优选为1～2.5h；所述搅拌的温度优选为室温。在本发明中，所述第二混合优选在空气环境或真空环境下进行，进一步优选为在真空环境下进行，所述真空环境的真空度优选为-0.1～-0.8MPa，进一步优选为-0.3～-0.6MPa。本发明对所述第二混合的设备没有特殊要求，在本发明的实施例中，所述第二混合优选在Henschel混合机、超级混合机或乳化机中进行。

本发明优选在真空环境下进行第二混合，可以防止在第二混合过程中产生气泡，使制备得到的涂料性能更加均匀、稳定。

本发明将所述混合分两步进行，其有益效果在于，通过第一混合，得到混合乳液后，再与六方氮化硼进行第二混合，所述混合乳液能够对六方氮化硼表面进行改性作用，改善六方氮化硼在分散介质中的分散性能，进而提高六方氮化硼在涂料中的添加量。

本发明提供的所述六方氮化硼涂料的制备方法，工艺简单、绿色环保，可适用于工业化生产。

本发明还提供了上述技术方所述的六方氮化硼涂料在耐高温涂料领域中的应用。

在本发明中，所述六方氮化硼涂料可具体用于高温脱模剂或金属流槽表面涂层。

在本发明中，所述六方氮化硼涂料可具体用于高温脱模剂或金属流槽表面涂层。在本发明中，所述六方氮化硼涂料用于高温脱模剂或金属流槽表面涂层的具体操作步骤优选为：

将所述六方氮化硼涂料涂抹在基体表面，得到涂料薄膜，

将所述涂料薄膜依次进行干燥和冷却，得到涂层。

在本发明中，所述涂料薄膜的厚度优选为15～30μm，进一步优选为18～25μm；所述干燥的温度优选为400～800℃，所述干燥的时间优选为10～20min；所述冷却后的温度为室温。在本发明中，对所述基体无特殊要求，根据实际应用的需求确定即可。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

室温条件下，将5kg铝溶胶、4kg钠基膨润土(5μm)、5kg偏高岭土(6μm)、8kg二氧化硅(粒径8μm)、3kg氧化铝(粒径6μm)和150kg水在乳化机中进行第一混合(空气环境，搅拌转速1000rpm，时间为1h)，得到混合乳液；

然后将所述混合乳液和25kg六方氮化硼(粒径3μm)在乳化机中进行第二混合(真空环境，真空度为-0.4MPa，搅拌转速1000rpm，时间为1h)，得到六方氮化硼涂料。

实施例2

室温条件下，将5kg磷酸二氢铝、4kg钙基膨润土(6μm)、11.5kg二氧化硅(粒径7μm)、2.5kg氧化镁(粒径6μm)和150kg水在乳化机中进行第一混合(空气环境，在1000rpm转速下搅拌1h)，得到混合乳液；

然后将混所述合乳液和27kg六方氮化硼(粒径3μm)在乳化机中进行第二混合(真空环境，真空度为-0.4MPa，在1000rpm转速下搅拌1h)，得到六方氮化硼涂料。

实施例3

室温条件下，将7kg磷酸铝、3kg钾基膨润土(6μm)、10kg偏高岭土(6μm)、2kg氢氧化铝(7μm)、3kg氧化铝(粒径6μm)和150kg水在乳化机中进行第一混合(空气环境，在1000rpm转速下搅拌1h)，得到混合乳液；

然后将所述混合乳液和27kg六方氮化硼(粒径3μm)在乳化机中进行第二混合(真空环境，真空度为-0.4MPa，在1000rpm转速下搅拌1h)，得到六方氮化硼涂料。

实施例4

室温条件下，室温条件下，将5kg铝溶胶、4kg钠基膨润土(5μm)、5kg偏高岭土(6μm)、8kg二氧化硅(粒径8μm)、3kg氧化铝(粒径6μm)、150kg水和25kg六方氮化硼(粒径3μm)在乳化机中进行混合(真空环境，真空度为-0.4MPa，在1000rpm转速下搅拌1h)，得到六方氮化硼涂料。

测试例1

测定实施例1～4制备得到的六方氮化硼涂料和市售的氮化硼涂料(购买自淄博晶亿陶瓷科技有限公司C80)制备得到的涂层的耐划伤性能，通过划痕仪测定其耐划伤性能，进而得到涂层的附着能力：

将实施例1～4制备得到的六方氮化硼涂料和市售的氮化硼涂料分别用毛刷均匀涂抹在50mm*40mm*1mm平整的金属板上，涂层厚度为20μm，在400℃下干燥20min，冷却至室温后得到表面具有涂层的试板；

通过推动在划痕仪的弧形划针下的具有涂层的试板，逐级增加在具有涂层的试板上的负荷值至涂层被划伤为止，来测定耐划伤性能；测试结果如表1。

测试例2

测定实施例1～4制备得到的六方氮化硼涂料和市售的氮化硼涂料(购买自淄博晶亿陶瓷科技有限公司C80)在金属流槽表面制备得到的涂层的高温使用寿命：

将实施例1～4制备得到的六方氮化硼涂料和市售的氮化硼涂料分别用毛刷均匀涂抹在金属流槽表面，涂层厚度为30μm，在500℃下干燥10min，冷却至室温后得到表面具有涂层的金属流槽；

使800℃的熔融金属液以10cm/s速度流过表面具有涂层的金属流槽，直至涂层表面受损，测定金属流槽的涂层使用寿命。测试结果如表1。

表1实施例1～4制备得到的六方氮化硼涂料和市售的氮化硼涂料的性能测试结果

序号	划伤临界载荷/g	使用寿命/h
			实施例1产品得到的涂层	600	120
实施例2产品得到的涂层	500	100
			实施例3产品得到的涂层	650	95
实施例4产品得到的涂层	500	95
			市售产品得到的涂层	300	40

通过表1的测试数据可以得出，本发明实施例1～4制备得到的六方氮化硼涂料，形成涂层后，无论是在耐划伤性能方面还是在高温条件下的使用寿命方面，均明显优异于市售产品，表明以本发明提供的六方氮化硼涂料形成的涂层具有优良的附着能力(划伤临界载荷为500～650g)、耐高温性能，且与金属不发生浸润，使用寿命长(95～120h)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种六方氮化硼涂料，其特征在于，按质量份数计，包括以下组分：

无机粘结剂1～5份，膨润土1～5份，固化剂1～5份，无机填料5～10份，六方氮化硼10～15份和分散介质70～80份。

2.根据权利要求1所述的六方氮化硼涂料，其特征在于，所述六方氮化硼涂料的固含量为20～40％。

3.根据权利要求1所述的六方氮化硼涂料，其特征在于，所述无机粘结剂包括磷酸铝、磷酸二氢铝、磷酸铝镁、水溶性硅酸钠、硅酸钾和铝溶胶中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的六方氮化硼涂料，其特征在于，所述膨润土包括钠基膨润土、锂基膨润土、镁基膨润土、钙基膨润土、钾基膨润土和有机膨润土中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的六方氮化硼涂料，其特征在于，所述固化剂包括氧化铝、氧化镁、氧化锌和氧化铜中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的六方氮化硼涂料，其特征在于，所述无机填料包括高岭土、偏高岭土、二氧化硅、氢氧化铝、碳化硼和三氧化二铬中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的六方氮化硼涂料，其特征在于，所述分散介质包括水和/或醇溶剂；

所述醇溶剂包括甲醇、乙醇、丙三醇和乙二醇中的一种或多种。

8.权利要求1～7任意一项所述的六方氮化硼涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将无机粘结剂、膨润土、固化剂、无机填料、六方氮化硼和分散介质进行混合，得到所述六方氮化硼涂料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述混合在搅拌的条件下进行；

所述搅拌的速率为500～1500rpm，所述搅拌的时间为0.5～3h，所述搅拌的温度为室温。

10.权利要求1～7任意一项所述的六方氮化硼涂料或由权利要求8或9所述的制备方法制备得到的六方氮化硼涂料在耐高温涂料领域中的应用。