【技術文獻】常溫乾燥型耐高溫塗料

陳又豪/塗料開發處

摘錄自柏林65期刊物

一、前言

耐高溫塗料，顧名思義就是形成之塗膜，可以在高溫環境中，不會有熱劣化情況發生，使塗膜保持一定物理化學性能，確保塗膜長期使用，進而維持防護基材，並符合規範「CNS 2949 K2050」，上述此性質之塗料廣泛應用高溫爐、煙囪及高溫管線等高溫環境中。塗料是由樹脂、顏填料、添加劑與溶劑等原物料所組成，整體塗料的性能大致以樹脂特性為依據，樹脂主要是由碳、氫、氧和氮等元素鍵結所組成，為有機聚合物，通常在100℃~200℃之間能保持穩定，隨著溫度越高時，發生熱劣發化現象，使塗膜性能下降，最後當熱能高於聚合物共價鍵能時，則會使有機聚合物分解成小分子，例如：自由離子、氫氣和一氧化碳等，使塗膜完全崩解，因此樹脂的選定極為重要。目前塗料市場上常見之耐高溫塗料，主要以有機矽樹脂系列為主，因為以此樹脂為主體之塗膜，具有以下優點：

(一)、熱穩定性佳：鍵能越高越不容易斷裂崩解，如表一化學鍵鍵能表所示，一般有機樹脂中C-C的鍵能為332(kJ/mol)，而有機矽樹脂中的Si-O的鍵能為460(kJ/mol)，因此有更佳的熱穩定性。

表一、化學鍵鍵能表

(二)、耐候性佳：如圖一所示，主鏈上沒有雙鍵存在，不易受紫外光照射斷鏈，使塗膜主結構被破壞，因此有更佳的耐候性。

(三)、優異的疏水性與耐水性：如圖一所示，因為主鏈具有的柔軟性，以及分子間影響力較低，所以黏度比同分子量的碳氫化合物低，此結構下有機矽樹脂具有較低表面張力和低表面能。

圖一、有機矽樹脂結構式

近期塗料市場上，因應不同的特殊需求，亦開發出不同改質的有機矽樹脂，例如：為了增加硬度，與酚醛樹脂改質，變成酚醛有機矽樹脂；為了增加堅韌性，與醇酸樹脂改質，變成醇酸有機矽樹脂，或是增加常溫乾燥性，與丙烯酸樹脂改質，變成丙烯酸有機矽樹脂，但此類改質有機矽樹脂，雖然塗膜在物理或化學特性上有所提升，但是在耐高溫性方面會有所降低，若是使用在400℃以上的，建議使用純有機矽樹脂，才能確保性能穩定。純有機矽樹脂在應用上有一項很大的缺點，就是未經預熱處理（150～300℃，1小時以上），並不會有交聯反應產生。如圖二所示，純有機矽樹脂製備之塗料，在大氣環境中，當溶劑揮發完後，依然會以矽氧單體分子存在，並不會乾燥，而成為一層有沾黏特性的塗膜，當配置成漆料後，問題依然存在，預熱處理前，容易沾黏灰塵或人為缺陷輕易的產生，並且構件無法堆疊儲存，正是塗料市場所被人詬病之處，如圖三所示。

圖二、純有機矽交聯反應式

圖三、塗膜預處理前之人為缺陷

商場如戰場，當產品有缺陷時，想必會被敵人趁虛而入，因而失去利潤、奪走商機與割讓地盤，同理亦存在於塗料界，今天產品有若有缺陷存在，但認為此現象是一種常態，避也避不了，想必這種鴕鳥的心態，已經對公司產品品質與客戶使用信心造成傷害，所以當務之急，改良出可以常溫環境中乾燥的高溫耐熱塗料（400℃～600℃），為當務之急。

二、試驗設計與測試

由文獻得知，可以大氣環境中乾燥的有機矽樹脂，大部分是以常溫乾燥型樹脂改質或是添加促進劑，但常溫乾燥型有機矽樹脂中，耐高溫性較好之系列，通常成本較高，對業務會造成較大的負擔，而促進劑會有塗料儲存性問題，或是必須變為兩液型，此為另一種負擔的產生，所以必須另闢路徑改良。

塗膜的理想狀態，為完整交聯的網狀結構，而有機矽樹脂在加熱後，才能交聯反應發生，此時若是有另一種系統的樹脂混雜在其中，使其塗膜在大氣環境先達到乾燥的特性，在進行加熱令有機矽樹脂產生交聯反應，由兩種網狀結構彼此交互堆疊成一個互相牽制的機制，隨後如圖四所示。

圖四、理論塗膜樹脂交聯結構

由文獻理論基礎，得知純有機矽樹脂需達樹脂份的一定比例，會有較佳的耐高溫性，所以選擇純有機矽樹脂添加入大氣乾燥型樹脂混合均勻，此處混合之樹脂統稱改良樹脂，再把改良樹脂均勻塗裝在碳鋼片上，並把乾膜厚固定於35±5μm內，爾後進行乾燥性與耐高溫性測試：

(一)、乾燥性測試手法：塗膜施作完畢後，根據不同時間，以棉花按壓塗膜測試，看棉花沾黏與塗膜表面情況，時間設定為1、4、8和24小時。

(二)、耐高溫性測試手法：上述乾燥性測試完畢後，比試片放入300℃環境達一小時後拿出觀察。

首先觀察圖五，可以發現改良樹脂A系列和改良樹脂B系列後，都可以增加乾燥性，棉花沾黏情況都明顯比純有機矽樹脂低很多，且塗膜表面滑順感都有所提升，而改良樹脂A乾燥性比改良樹脂B要更加優異，但再觀察圖六後，發現乾燥性，雖然改良樹脂A較佳，但是耐高溫性卻明顯降低，因為純有機矽樹脂與改良樹脂B，經過烘烤後，塗膜依然為透明狀態，但改良樹脂A系列卻已經黃變，變為琥珀色狀態。

依據上述試驗結果，調配出不同成分比例的改良配方，在進行乾燥性與耐高溫性測試，如下圖七到圖十所示，觀察改良樹脂A、改良樹脂C和改良樹脂E的測試結果，發現乾燥性，雖然大幅增加，但塗膜可說是全面黃變，變成深珀色，耐高溫性可說是奇差無比，而改良樹脂B、改良樹脂D和改良樹脂F的測試結果，發現乾燥性提升不明顯，但對耐高溫性的影響卻不大，所以之後試驗將以此結果，調配出符合需求的改良樹脂。

圖五、樹脂系統乾燥性測試

 圖六、樹脂系統耐高溫性測試

圖七、樹脂系統乾燥性測試

圖八、樹脂系統耐高溫性測試

圖九、樹脂系統乾燥性測試

圖十、樹脂系統耐高溫性測試

塗膜堅韌性亦為一種必須考量的參數，因為塗膜強度若是往脆硬特性的方向前進，之後若是在高溫低溫循環測試時，容易使塗膜龜裂剝離現象產生，而此處堅韌性的測試方式，是以撞擊的方法，以12.5釐米寬的尖頭，並負荷0.3公斤由50公分的高處落下撞擊烘烤過之塗膜，再觀察之，由圖十一與圖十二中可以明顯發現差異，圖十二中，在撞擊中心的周圍會出現多圈的裂痕光環，那是因為塗膜經過撞擊過，出現破裂與剝離所造成，且越是硬脆的塗膜越明顯。

圖十一、堅韌原樹脂圖	十二、硬脆改良樹脂圖	十三、堅韌改良樹脂

經過不斷的試驗，並注意混合樹脂的乾燥性、耐高溫性和堅韌性下，得出了一適當混合比例的改良樹脂，符合設定所需求。如圖所示:

(一)、乾燥性：如圖十四所示，原樹脂為原始使用之純有機矽樹脂，改良樹脂為最終確認比例，在乾燥性方面，改良樹脂1小時後，棉花幾乎不沾黏，但表面會留壓痕，當時間到8小時後，才會沒壓痕產生，而原樹脂不管時間，經過多久都會沾黏，所以符合需求。

(二)、耐高溫性：如圖十五所示，經過300℃環境，一小時後，無明顯黃變，所以符合需求。

(三)、堅韌性：如圖十三所示，塗膜無硬脆現象產生，符合需求。

圖十四、改良樹脂乾燥性測試

圖十五、改良樹脂耐高溫性測試

性能最終測試，必須以產品為主，本實驗以改良樹脂帶入銀600度耐熱漆配方中，再與原配方做性能測試結果如下：

(一)、乾燥性：測試方式為原配方與改良配方之試片，噴塗完成後，於大氣下放置8小時候，互相堆疊，並以10公斤重壓，再觀察隔日沾前情況，如圖十六所示，改良配方乾燥性完全改善，符合需求。

(二)、塗膜堅韌性：因撞擊測試方式，結果於銀色塗膜中不易分辨，改以屈曲彎曲面判斷，測試方式為原配方與改良配方之試片，經過600℃烘烤48小時，冷卻後以角度180度對彎，再觀察塗膜破裂情況，如圖十七所示，改良配方有往硬脆特性的方向前進，但塗膜未有明顯裂痕，符合需求。

圖十六、配方乾燥性測試

圖十七、配方乾燥性測試

(三)、規範：CNS 2949 K2050測試結果，如表二所示。

表二、規範CNS 2949 K2050測試比較表

三、結論：

(一)、改良配方可於大氣環境中乾燥，並維持耐高溫塗料(400～600℃)應該有的特性。

(二)、符合規範CNS 2949 K2050。

(三)、損傷程度與修補量可降低，減少成本支出 。

四、參考文獻：

[1] 高機能塗料，許永綏 校閱，徐氏基金會出版。

[2] 耐高溫塗料的應用，王亞平 編著，方艙與地面設備技術交流2011年第3期。

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[9] 百度文庫。