CN113969070A - 一种用于锅炉管护瓦的涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于锅炉管护瓦的涂料及其制备方法和应用，以地聚物凝胶材料为主要成膜物质，利用地聚物凝胶材料的独特分子结构，以及优异的界面结合能力，耐腐蚀性和耐高温等特点实现涂料优异的耐腐蚀性、耐高温性和高的结合强度；同时，为了避免涂料的龟裂脱落，添加端环氧基有机硅树脂作为增韧树脂提高涂层的韧性，且添加包覆型纳米陶瓷粒子提高涂层的耐磨性，最终制备一种成本低、耐腐蚀和耐磨性能优异的涂层材料。

Description

一种用于锅炉管护瓦的涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于防腐耐磨涂料领域，特别涉及一种用于锅炉管护瓦的涂料及其制备方法和应用。
背景技术
护瓦，又称防磨瓦，是锅炉受热面管道的常用配件，主要作用是保护锅炉管道受风面，减少管道磨损，增加受热面管子的使用寿命。然而，由于锅炉管道内烟气成分复杂，飞灰严重，腐蚀性强，导致防磨瓦容易腐蚀和磨损，使用寿命大大缩短。
防磨瓦的使用寿命在不同类型的锅炉、不同使用部位不尽相同，正常使用寿命为锅炉的一个大修周期（三至五年），一般锅炉每次检修都会更换或加装部分防磨瓦，主要更换的有防磨瓦磨损严重减薄超标的；先前安装时不牢固在锅炉运行中脱落的。更换时根据防磨瓦磨损情况，如果减薄严重需要更换，变形严重，起不到保护管子的也需要更换。另外，部分锅炉管子没有加装防磨瓦，但在锅炉定检时发现管子有磨损减薄趋势，通常也加装防磨瓦，防止管子进一步磨损，造成锅炉爆管等严重后果。
为了改进防磨瓦的耐腐蚀性和耐磨性，现有技术通常采用涂覆耐腐蚀耐磨涂料，或者使用新型防磨瓦材质的手段，例如：CN2007100549305公开了一种流化床锅炉水冷壁专用防磨板，选用新型材质（ZGCr25Ni20）经过浇筑制备而成。同时，现有技术还通过在护瓦表面施涂纳米陶瓷涂层实现耐腐蚀和耐磨效果。然而，现有纳米陶瓷涂层通常采用硅溶胶、磷酸盐等无机粘结剂，其和护瓦材质的粘结强度不高，且涂层的耐磨性和耐腐蚀效果在长时间的恶劣环境下不能长期保持，在使用过程中容易引起涂层的龟裂脱落或腐蚀破坏，导致使用效果或使用寿命下降。
为此，为了提高锅炉管护瓦的耐腐蚀和耐磨性能，亟需研发一种成本低、耐腐蚀和耐磨性能优异的涂层材料。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于锅炉管护瓦的涂料，以地聚物凝胶材料为主要成膜物质，利用地聚物凝胶材料的独特分子结构，以及优异的界面结合能力，耐腐蚀性和耐高温等特点实现涂料优异的耐腐蚀性、耐高温性和高的结合强度；同时，为了避免涂料的龟裂脱落，添加端环氧基有机硅树脂作为增韧树脂提高涂层的韧性，且添加包覆型纳米陶瓷粒子提高涂层的耐磨性，最终制备一种成本低、耐腐蚀和耐磨性能优异的涂层材料。
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案，一种用于锅炉管护瓦的涂料，由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 80-120份，端环氧基有机硅树脂 20-40份，纳米陶瓷粉末 10-15份，防腐填料 0-5份，磷酸二氢铝 10-15份，分散剂 1-3份，流变控制剂 2-4份，水 20-40份。
进一步，所述地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料 50-60份，碱激发剂 60-70份，可再分散乳胶粉 10-15份，磷酸 2-4份，水 30-40份；
所述地聚物粉料选自偏高岭土、粉煤灰、硅藻土、硅灰的一种，粒径为80-100μm；所述碱激发剂选自钠水玻璃、钾水玻璃、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种以上；所述钠水玻璃或者钾水玻璃的模数为1.0-3.3；
所述端环氧基有机硅树脂的分子量10000-20000；
所述纳米陶瓷粉末选自Al2O3或SiO2包覆的氮化硅、氮化硼、碳化钨、碳化硅，由两种不同粒径的纳米陶瓷粉末混合而成。其中，以重量百分比计，粒径为100-120nm的纳米陶瓷粉末 30-40%，粒径为30-50nm的纳米陶瓷粉末 60-70%，不同粒径的纳米陶瓷粉末的种类可以相同或不同；
所述防腐填料为石墨烯、鳞片石墨、片状铝粉的一种或两种以上；所述防腐填料的长度为5-15μm，厚度为50-100nm；
所述流变控制剂为气相白炭黑、膨润土、纤维素醚、瓜儿胶、聚乙烯蜡的一种或两种以上。
本发明的另一个目的，在于提供一种用于锅炉管护瓦的涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料 50-60份，磷酸2-4份混合搅拌均匀，充分反应10-15min，接着加入可再分散乳胶粉 10-15份和水 30-40份混合搅拌均匀，最后分两次加入碱激发剂60-70份，两次用量相同，充分搅拌制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水20-40份，端环氧基有机硅树脂 20-40份和分散剂1-3份混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末 10-15份，防腐填料 0-5份，磷酸二氢铝10-15份研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂 2-4份混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
本发明的另一个目的在于，提供一种用于锅炉管护瓦的涂料的用途，所述涂料用于垃圾焚烧锅炉；具有优异的耐腐蚀性和耐磨性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）地聚物是一种由固体硅铝酸盐和高浓度碱溶液反应生成的新型水性无机凝胶材料，拥有独特的类似聚合物的连接结构，兼具无机材料和高分子材料的优点，分子结构致密，具有良好的耐腐蚀性能，力学性能，同时，还具有零VOC的优点，非常环保。
（2）本发明以地聚物凝胶材料为主要成膜物质，利用地聚物凝胶材料的独特分子结构，以及优异的界面结合能力，耐腐蚀性和耐高温等特点实现涂料优异的耐腐蚀性、耐高温性和高的结合强度；同时，为了避免涂料的龟裂脱落，添加端环氧基有机硅树脂作为增韧树脂提高涂层的韧性，且添加包覆型纳米陶瓷粒子提高涂层的耐磨性，最终制备一种成本低、耐腐蚀和耐磨性能优异的涂层材料。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。 本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
实施例1
一种用于锅炉管护瓦的涂料，由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 80份，端环氧基有机硅树脂 40份，纳米陶瓷粉末 15份，防腐填料3份，磷酸二氢铝 12份，分散剂 2份，流变控制剂 4份，水 40份；
其中，地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料60份，碱激发剂 60份，可再分散乳胶粉 15份，磷酸 4份，水 30份；地聚物粉料为偏高岭土，粒径为80-100μm；碱激发剂为钠水玻璃，模数为1.5；
环氧基有机硅树脂的分子量10000； 纳米陶瓷粉末以重量百分比计，由40%的粒径为100-120nm的SiO2包覆的氮化硅和60%的粒径为30-50nm的SiO2包覆的碳化钨混合而成；防腐填料为石墨烯，长度为5-15μm，厚度为50-100nm；流变控制剂为气相白炭黑和膨润土重量比2:1的混合物；
其中，制备方法包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料，磷酸混合搅拌均匀，充分反应15min，接着加入可再分散乳胶粉和水混合搅拌均匀，最后分两次加入碱激发剂，两次用量相同，充分搅拌制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水，端环氧基有机硅树脂和分散剂混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末，防腐填料，磷酸二氢铝研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
实施例2
一种用于锅炉管护瓦的涂料，由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 100份，端环氧基有机硅树脂30份，纳米陶瓷粉末10份，防腐填料2份，磷酸二氢铝 14份，分散剂 2份，流变控制剂2份，水 35份；
其中，地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料50份，碱激发剂 60份，可再分散乳胶粉12份，磷酸 3份，水 40份；地聚物粉料为硅灰，粒径为80-100μm；碱激发剂为钾水玻璃，模数为2.2；
环氧基有机硅树脂的分子量15000； 纳米陶瓷粉末以重量百分比计，由35%的粒径为100-120nm的Al2O3包覆的氮化硅和65%的粒径为30-50nm的SiO2包覆的氮化硼混合而成；防腐填料为鳞片石墨，长度为5-15μm，厚度为50-100nm；流变控制剂为聚乙烯蜡和膨润土重量比2:1的混合物；
其中，制备方法包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料，磷酸混合搅拌均匀，充分反应10min，接着加入可再分散乳胶粉和水混合搅拌均匀，最后分两次加入碱激发剂，两次用量相同，充分搅拌制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水，端环氧基有机硅树脂和分散剂混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末，防腐填料，磷酸二氢铝研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
实施例3
一种用于锅炉管护瓦的涂料，由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 120份，端环氧基有机硅树脂 40份，纳米陶瓷粉末 10份，防腐填料4份，磷酸二氢铝 10份，分散剂 1份，流变控制剂 4份，水 25份；
其中，地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料54份，碱激发剂 65份，可再分散乳胶粉 10份，磷酸 2份，水 30份；地聚物粉料为硅藻土，粒径为80-100μm；碱激发剂为氢氧化钠；
环氧基有机硅树脂的分子量20000； 纳米陶瓷粉末以重量百分比计，由40%的粒径为100-120nm的SiO2包覆的碳化钨和60%的粒径为30-50nm的Al2O3包覆的氮化硼混合而成；防腐填料为片状铝粉，长度为5-15μm，厚度为50-100nm；流变控制剂为纤维素醚和瓜儿胶重量比2:3的混合物；
其中，制备方法包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料，磷酸混合搅拌均匀，充分反应15min，接着加入可再分散乳胶粉和水混合搅拌均匀，最后分两次加入碱激发剂，两次用量相同，充分搅拌制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水，端环氧基有机硅树脂和分散剂混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末，防腐填料，磷酸二氢铝研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
实施例4
一种用于锅炉管护瓦的涂料，由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 90份，端环氧基有机硅树脂30份，纳米陶瓷粉末14份，磷酸二氢铝 10份，分散剂 1份，流变控制剂4份，水 25份；
其中，地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料50份，碱激发剂 65份，可再分散乳胶粉12份，磷酸 3份，水 35份；地聚物粉料为偏高岭土，粒径为80-100μm；碱激发剂为钾水玻璃，模数为2.5；
环氧基有机硅树脂的分子量17000； 纳米陶瓷粉末以重量百分比计，由30%的粒径为100-120nm的Al2O3包覆的氮化硼和70%的粒径为30-50nm的SiO2包覆的碳化钨混合而成；流变控制剂为聚乙烯蜡和瓜儿胶重量比2:1的混合物；
其中，制备方法包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料，磷酸混合搅拌均匀，充分反应12min，接着加入可再分散乳胶粉和水混合搅拌均匀，最后分两次加入碱激发剂，两次用量相同，充分搅拌制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水，端环氧基有机硅树脂和分散剂混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末，磷酸二氢铝研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
实施例5
不添加端环氧基有机硅树脂，其余与实施例1完全一致。
实施例6
纳米陶瓷粉末的组成以重量百分比计，由40%的粒径为100-120nm的氮化硅和60%的粒径为30-50nm的碳化钨混合而成；其余与实施例1完全一致。
实施例7
纳米陶瓷粉末选自粒径为100-120nm的SiO2包覆的氮化硅；其余与实施例1完全一致。
实施例8
纳米陶瓷粉末选自粒径为30-50nm的SiO2包覆的碳化钨；其余与实施例1完全一致。
实施例9
一种用于锅炉管护瓦的涂料，由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 80份，端环氧基有机硅树脂 40份，纳米陶瓷粉末 15份，防腐填料3份，磷酸二氢铝 12份，分散剂 2份，流变控制剂 4份，水 40份；
其中，地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料60份，碱激发剂 60份，可再分散乳胶粉 15份，磷酸 4份，水 30份；地聚物粉料为偏高岭土，粒径为80-100μm；碱激发剂为钠水玻璃，模数为1.5；
环氧基有机硅树脂的分子量10000； 纳米陶瓷粉末以重量百分比计，由40%的粒径为100-120nm的SiO2包覆的氮化硅和60%的粒径为30-50nm的SiO2包覆的碳化钨混合而成；防腐填料为石墨烯，长度为5-15μm，厚度为50-100nm；流变控制剂为气相白炭黑和膨润土重量比2:1的混合物；
其中，制备方法包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料，加入可再分散乳胶粉和水混合搅拌均匀，接着分两次加入碱激发剂，两次用量相同，最后加入磷酸混合搅拌均匀，制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水，端环氧基有机硅树脂和分散剂混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末，防腐填料，磷酸二氢铝研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
1.制备测试样板
取与护瓦相同材料的样板，经进行除油除锈处理，使之至少达到Sa2.5级；施工环境控制在温度25℃～35℃，相对湿度40％～60％，采用刷涂的方法进行施工；常温固化，厚度控制在500±20μm。
2.耐腐蚀性
参照GB/T 6458-86《金属覆盖层中性盐雾试验(NSS)》标准，对测试样板的耐5%NaCl腐蚀性能进行测试。
3.柔韧性测试
参照GB/T 1731-79《漆膜柔韧性测定法》的标准，对测试样板的柔韧性进行测试。
4.耐磨性测试
参照GB/T 23988-2009《涂料耐磨性测定 落砂法》的标准，对测试样板的耐磨性进行测试。
将实施例1-9制备的用于锅炉管护瓦的涂料分别制备测试样板，测试耐腐蚀性、柔韧性和耐磨性，测试结果见表1：
表1：
耐腐蚀性（5%NaCl，h） 柔韧性（mm） 耐磨性（L/μm）
实施例1 3400 4 20.8
实施例2 3200 3 19.6
实施例3 3500 4 22.4
实施例4 3200 2 20.4
实施例5 1500 10 10.6
实施例6 2200 6 15.3
实施例7 1400 8 13.2
实施例8 1500 8 14.0
实施例9 1200 12 10.6
从表1的测试结果来看，本发明制备的用于锅炉管护瓦的涂料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，以及优异的韧性；同时，通过添加环氧基有机硅树脂、以及特定的地聚物凝胶材料的制备方法能够提高涂料的柔韧性、耐腐蚀性和耐磨性；以及，通过不同粒径的包覆纳米陶瓷粉末的添加，也能够极大改善涂料的柔韧性、耐腐蚀性和耐磨性。
实施例10
通过改变地聚物凝胶材料和端环氧基有机硅树脂的比例，测试涂层柔韧性、耐腐蚀性和耐磨性，筛选出二者合适的配比，其中，其余原料和制备方法与实施例1完全相同。经过测试，结果见表2：
表2：
重量比 80:50 80:40 80:30 80:20 80:10
耐腐蚀性（5%NaCl，h） 3000 3400 3200 3000 2700
柔韧性（mm） 2 4 5 6 8
耐磨性（L/μm） 19.4 20.8 19.6 17.6 14.2
从表2的测试结果来看，环氧基有机硅树脂的含量对涂料的柔韧性、耐腐蚀性和耐磨性具有重要的影响，过多或过少均会造成性能变劣。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：由以下原料制备而成：
地聚物凝胶材料 80-120份，端环氧基有机硅树脂 20-40份，纳米陶瓷粉末 10-15份，防腐填料 0-5份，磷酸二氢铝 10-15份，分散剂 1-3份，流变控制剂 2-4份，水 20-40份。
2.根据权利要求1所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述地聚物凝胶材料由以下原料制备而成，地聚物粉料 50-60份，碱激发剂 60-70份，可再分散乳胶粉 10-15份，磷酸 2-4份，水 30-40份。
3.根据权利要求2所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述地聚物粉料选自偏高岭土、粉煤灰、硅藻土、硅灰的一种，粒径为80-100μm。
4.根据权利要求2-3任一项权利要求所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述碱激发剂选自钠水玻璃、钾水玻璃、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种以上；所述钠水玻璃或者钾水玻璃的模数为1.0-3.3。
5.根据权利要求1所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述端环氧基有机硅树脂的分子量10000-20000。
6.根据权利要求1所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述纳米陶瓷粉末选自Al2O3或SiO2包覆的氮化硅、氮化硼、碳化钨、碳化硅，由两种不同粒径的纳米陶瓷粉末混合而成；其中，以重量百分比计，粒径为100-120nm的纳米陶瓷粉末 30-40%，粒径为30-50nm的纳米陶瓷粉末 60-70%，不同粒径的纳米陶瓷粉末的种类可以相同或不同。
7.根据权利要求1所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述防腐填料为石墨烯、鳞片石墨、片状铝粉的一种或两种以上；所述防腐填料的长度为5-15μm，厚度为50-100nm。
8.根据权利要求1所述的一种用于锅炉管护瓦的涂料，其特征在于：所述流变控制剂为气相白炭黑、膨润土、纤维素醚、瓜儿胶、聚乙烯蜡的一种或两种以上。
9.权利要求1-8任一项权利要求所述的用于锅炉管护瓦的涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取地聚物粉料 50-60份，磷酸2-4份混合搅拌均匀，充分反应10-15min，接着加入可再分散乳胶粉 10-15份和水 30-40份混合搅拌均匀，最后分两次加入碱激发剂60-70份，两次用量相同，充分搅拌制备地聚物凝胶材料；
（2）取步骤（1）制备的地聚物凝胶材料，加入水20-40份，端环氧基有机硅树脂 20-40份和分散剂1-3份混合均匀，接着加入纳米陶瓷粉末 10-15份，防腐填料 0-5份，磷酸二氢铝10-15份研磨混合均匀，300目过滤后加入流变控制剂 2-4份混合均匀即制备得到用于锅炉管护瓦的涂料。
10.权利要求1-8任一项权利要求所述用于锅炉管护瓦的涂料的应用，其特征在于：用于垃圾焚烧锅炉。
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