一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法

本发明涉及一种磷酸盐铝涂料，尤其涉及一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐铝涂料及其制备方法，属于复合材料领域和功能涂层。

背景技术：

1、含铝磷酸盐涂料又称为金属陶瓷涂料，其中金属指的是铝粉，陶瓷指的是无机磷酸盐粘接剂。使用时，将含铝磷酸盐涂料喷涂于零件表面，升温固化，在零件表面形成连续的防护层，将零件与环境进行物理隔离。磷酸盐材料一般具有较好的耐温性能，耐温性能可达650℃。金属铝的电极电位低于金属铁、钛等，在发生原电池反应时，金属铝往往发生阳极反应。因此，金属铝粉常常作为防腐功能填料，加入至磷酸盐涂料中，在零件表面形成牺牲阳极，从而?；せ宀牧厦馐芨?。将铝粉加入至磷酸盐中，配制的含铝磷酸盐涂层不仅能够耐高温，并且具有优良的抗腐蚀性能。由于上述性能优势，铝磷酸盐铝涂料多用于遭受高温及腐蚀的零部件，例如航空发动机压气机盘叶片、战车排气尾管、飞机起落架等。但是针对航空发动机压气机叶片，其属于高速旋转部件（转速＞5000r/min）在高速运动过程中涂层承受着巨大的应力作用，一旦应力水平超过了涂层的强度极限，就会导致涂层脱落，严重影响飞机的飞行安全，这就对涂层材料的内聚力和附着力提出了较高的要求。针对上述特殊工况，国外通过树脂设计和填料组配发展了高性能无机磷酸盐铝涂料产品，其内聚力和附着力可达到50mpa。但是目前现有的无机磷酸盐铝涂层材料由于涂层中存在微孔、微裂纹等缺陷导致强度较差，内聚力和附着力很难超过30mpa，无法满足航空发动机叶片的应用工况。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，以满足航空发动机叶片的应用工况。

2、本发明一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，包括以下步骤：

3、（1）磷酸铬镁溶液的制备

4、将磷酸加入容器中油浴升温至150±10℃，搅拌反应2~3h，放至常温，即得多聚磷酸；先在搅拌下将cro3溶液滴加至多聚磷酸中，待冷却至室温后，再将mgo溶液滴加至混合溶液中搅拌均匀，冷却至室温，即得磷酸铬镁溶液。

5、所述磷酸为85%含量的分析纯，cro3和mgo的纯度均≥98%。磷酸铬镁溶液中，多聚磷酸与cro3的质量比为4:1~5:1,?多聚磷酸与mgo的质量比为4:1~5:1；水的质量百分数在40~45%。

6、（2）低聚合度羟基聚硅氧烷

7、搅拌下将甲基三乙氧基硅烷滴到水中，为控制水解速度，滴加时长控制在60~70min，待滴加完成后继续搅拌40~50min；再向其中滴加正硅酸乙酯，为控制其聚合度，滴加时间控制在40~50min，待滴加完成后继续搅拌30~40min，即得低聚合度羟基聚硅氧烷。

8、所述甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯的纯度均≥98%。低聚合度羟基聚硅氧烷中，甲基三乙氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为3:2~4:2；水的质量百分数为50~60%。

9、（3）有机-无机复合磷酸盐铝涂料合成

10、将步骤（1）所得磷酸铬镁溶液与步骤（2）所得低聚合度羟基聚硅氧烷按重量比3:1~5:2在常温下搅拌反应30~40min，然后升温至60~70℃继续搅拌反应60~70min，即得到改性无机磷酸盐树脂；再将球形铝粉加入改性无机磷酸盐树脂中搅拌均匀，然后加入气相纳米二氧化硅，分散均匀，即得有机-无机复合磷酸盐铝涂料。

11、所述球形铝粉的活性铝含量98%以上，由平均粒径在2~4μm和7~10μm两种球形铝粉按1:3的质量比混合而成；且球形铝粉与低聚合度羟基聚硅氧烷的质量比为3:1~4:1，球形铝粉与气相二氧化硅的质量比为30:1~40:1。

12、二、有机-无机复合磷酸盐涂层的结构和性能

13、将上述所制备的涂料涂覆于金属零部件表面形成防护涂层，喷涂厚度5-50μm，340℃固化成型。固化后的零件横截面如图1所示。从图1中可以看出，含铝磷酸盐涂层（上）与金属基体（下）紧密结合，涂层内部无孔洞、裂纹等缺陷，球形铝粉（涂层中白色圆点）均匀分布在涂层中。

14、将涂覆有有机/无机复合磷酸盐铝涂料的样品采用gb/t?315861-2015标准方法进行内聚力以及附着力测试。试样粘接方法如图2所示，粘接后实物如图3所示。使用万能材料试验机进行拉伸试验，拉开为止。测试样品所测数据如表1所示，拉伸断面如图4所示。从图4拉伸断面可以看出，断面表面为结构胶，因此可以直接推断出，本发明制备的有机-无机复合磷酸盐铝涂料固化物涂层的内聚力强度和附着力均大于70mpa?？杉?，本发明有机/无机复合磷酸盐铝涂料固化成型后的涂层不仅具有一般磷酸盐材料耐高温、耐腐蚀、高硬度的优良性能，并且内聚力、附着力超过70mpa。该涂层用于铁质合金钢、钛合金等金属零部件表面，能够解决零部件在严苛环境下的表面耐高温、高应力、抗冲刷及腐蚀防护的使用需求。

15、本发明的合成机理如下：无机磷酸盐铝涂层的固化过程是涂料中液固界面向液体中推移的过程，合适的固体成分形成了涂层固化的核心，因此基础磷酸盐树脂以及核心物质的成分、尺寸、分布决定了固化物涂层的性能。本发明首先是在磷酸铬镁基础树脂合成过程中，利用cro3掺杂提升磷酸盐分子网络结构的强度，并提有效提高了树脂固化后的耐温性和工艺性；同时利用si-o-si网络与无机磷酸盐网络结构互穿，提高了将无机磷酸盐铝涂层的内聚力和粘结强度。其次，在填料上选择两种粒径球形铝粉进行搭配，使其空间分布更为紧凑；最后辅以纳米二氧化硅进行补充，使涂层材料获得更好的致密性及机械强度，整体提升材料性能。其中针对磷酸盐树脂，低聚合度羟基聚硅氧烷是一种补强材料，鉴于其结构等特点，可以在分子水平上实现对磷酸盐树脂设计改性，通过无机和有机组分充分杂化，形成均匀的多相材料，使改性的磷酸盐不仅保留了有机材料优良的韧性，同时也具备了无机材料突出的耐热、耐氧化性、防腐性、耐介电性及优异的力学性能。

16、综上所述，本发明通过低聚合度羟基聚硅氧烷优化磷酸铬镁基础树脂的分子结构以及调整功能填料配比，使磷酸盐铝涂层材料具有优异的内聚力和附着力。该涂料涂覆于金属零部件表面固化成型的涂层不仅具有一般磷酸盐材料耐高温、耐腐蚀、高硬度的优良性能，并且内聚力、附着力超过70mpa。该涂层适用于铁质合金钢、钛合金等金属零部件表面，能够解决零部件在严苛环境下的表面耐高温、高应力、抗冲刷及腐蚀防护的使用需求。

技术特征：

1.一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述磷酸为85%含量的分析纯，cro3和mgo的纯度均≥98%。

3.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（1）的磷酸铬镁溶液中，多聚磷酸与cro3的质量比为4:1~5:1，多聚磷酸与mgo的质量比为4:1~5:1；水的质量百分数在40~50%。

4.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯的纯度均≥98%。

5.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（2）的低聚合度羟基聚硅氧烷中，甲基三乙氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为3:2~4:2；水的质量百分数为50%~60%。

6.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述球形铝粉由平均粒径在2~4μm和7~10μm两种球形铝粉按1:3的质量比混合而成，且球形铝粉的活性铝含量98%以上。

7.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述球形铝粉与低聚合度羟基聚硅氧烷的质量比为3:1~4:1。

8.如权利要求1所述一种高内聚力、附着力有机-无机复合磷酸盐涂料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述球形铝粉与气相二氧化硅的质量比为30:1~40:1。

技术总结
本发明公开了一种高内聚力、附着力有机?无机复合磷酸盐涂料的制备方法，该方法通过低聚合度羟基聚硅氧烷优化磷酸铬镁基础树脂的分子结构，调整功能填料配比，使磷酸盐铝涂层材料本体具有优异的内聚力以及对铁质合金钢具有高附着力。该涂料涂覆于金属零部件表面固化成型的涂层不仅具有一般磷酸盐材料耐高温、耐腐蚀、高硬度的优良性能，并且内聚力强度和附着力均超过70MPa。该涂层适用于铁质合金钢、钛合金等金属零部件表面，能够解决零部件在严苛环境下的表面耐高温、高应力、抗冲刷及腐蚀防护的使用需求。

技术研发人员：陈磊,吴?平,冯小珍,张岳,陈建敏,周惠娣,李振,易出山,唐湘林
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11