基于水基体系的高温耐火涂料制备工艺研究

随着环保法规的日益严格与工业高温设备服役环境的复杂化，开发环境友好型耐火防护材料成为材料科学领域的重要课题。水基高温耐火涂料以水为溶剂，在降低生产安全隐患与碳排放方面展现出独特潜力，但其在极端热冲击、氧化腐蚀及长期热循环条件下的性能衰减问题仍制约其大规模应用。因此，需进一步解决水基体系在高温下相变行为、界面结合机制及微观结构调控等核心挑战，以平衡涂层的环境适应性与长效防护功能。

一、水基体系高温耐火涂料概述

水基体系高温耐火涂料是以水为分散介质，通过无机粘结剂、耐火骨料及功能性助剂复合制备而成的一类特种涂层材料，适用于高温设备表面的防护。与传统溶剂型涂料相比，其核心优势在于绿色环保性，水基溶剂可大幅降低挥发性有机物的排放，同时减少生产、储存及施工过程中的火灾风险。该类涂料通常以硅酸盐、磷酸盐或铝酸盐等无机粘结剂为基体，通过高温烧结或化学反应形成稳定的网络结构，赋予涂层耐高温（通常高于 1 0 0 0 % ）、抗热震及抗熔渣侵蚀等特性。耐火骨料，如氧化铝、碳化硅、锆英石等的合理选择与级配设计是提升涂料高温性能的关键，而分散剂、流变调节剂等助剂则用于优化浆料稳定性及施工流平性。

水基体系的制备需克服高温下水分快速挥发引起的涂层开裂、界面结合弱化等挑战，其工艺核心在于通过分散均质化、流变特性调控及梯度固化等手段，实现致密化涂层结构的可控构建。目前，该类涂料已广泛应用于冶金窑炉、石化管道、航空航天等高温设备的表面防护，其发展不仅契合工业绿色化转型需求，也为极端环境下材料的耐久性设计提供了新的技术路径。

二、水基体系高温耐火涂料的原料选择

水基高温耐火涂料的性能直接依赖于原料的合理选择与协同设计。原料体系主要由无机粘结剂、耐火骨料及功能助剂三部分构成，各组分需兼顾高温稳定性、环保性及工艺适配性。

（一）无机粘结剂

无机粘结剂是涂料高温下形成稳定网络结构的核心组分，须具备高粘结强度、耐热性及与水的良好相容性。常用类型包括硅酸盐（如硅溶胶、水玻璃）、磷酸盐（如磷酸铝）及铝酸盐（如铝酸钙）等。硅酸盐粘结剂成本低、工艺成熟，但高温易产生脆性；磷酸盐体系耐高温氧化性优异，但需控制 pH 值以避免凝胶化；铝酸盐则具有优异的热震稳定性，适用于高低温循环环境。选择时需根据服役温度、基材类型及固化条件综合权衡。

（二）耐火骨料

耐火骨料决定涂料的耐温极限与抗侵蚀能力，须具备高熔点、低热膨胀系数及化学惰性。常见骨料包括氧化铝（耐温 ）、碳化硅、锆英石及莫来石等。骨料粒径级配设计是关键，粗颗粒可提升涂层抗热应力，细颗粒则填充孔隙以增强致密性。此外，骨料纯度需严格控制，避免杂质高温下引发相变或体积膨胀。

（三）功能助剂

助剂用于优化浆料工艺性能及涂层功能性。分散剂，如聚丙烯酸盐可提高骨料悬浮稳定性，防止沉降；流变调节剂，如纤维素醚调控浆料触变性，改善施工流平；消泡剂可减少搅拌与涂覆过程中的气泡残留。部分体系需引入纳米增强相，如纳米氧化锆以提升界面结合强度，或添加高温抗氧化剂，如稀土氧化物延缓涂层氧化失效。

三、基于水基体系的高温耐火涂料制备工艺流程优化策略

（一）浆料分散与均质化工艺优化

在浆料分散与均质化工艺优化中，关键在于实现无机粘结剂与耐火骨料的充分浸润和均匀分布。原料预混阶段需优先考虑无机粘结剂的水化特性与耐火骨料的表面润湿性。采用高速剪切分散技术时，需结合粘结剂的流变行为与骨料粒径分布特点，优化剪切速率与作用时间，确保浆料在动态剪切力下形成稳定的三维网络结构。例如，对于高固含量的硅酸盐基体系，引入阶梯式增速搅拌策略，初期以低转速促进骨料与粘结剂的初步润湿，随后逐步提升转速至临界剪切阈值，以打破骨料颗粒间的范德华力，抑制二次团聚。与此同时，球磨工艺可针对纳米级骨料或易沉降组分，通过调整磨球尺寸与填充率，平衡研磨效率与骨料破碎风险，避免因过度机械力导致晶格缺陷或粒径分布恶化。

在此基础上，浆料均质化需进一步关注分散体系的动态稳定性与长期储存性能。采用流变特性实时监测技术，分析浆料在不同剪切历史下的触变恢复行为，明确分散工艺对浆料屈服应力与触变环面积的调控规律。针对水基体系易分层的缺陷，引入表面改性剂对骨料进行原位包覆，增强其与粘结剂相的界面相容性。例如，通过硅烷偶联剂对氧化铝骨料进行预处理，可显著降低骨料表面能，提升其在水性介质中的分散稳定性。此外，分散过程中需严格控制体系温度与 pH 值，避免因局部过热或酸碱度波动引发粘结剂凝胶化或骨料表面腐蚀。工艺后期采用真空脱泡技术，结合低频超声震荡，有效排除浆料内部微气泡，减少涂层固化后的孔隙缺陷。

（二）流变特性调控与涂覆工艺适配

随着浆料分散均质化工艺的完成，流变特性的精准调控成为影响涂覆质量与涂层均匀性的核心环节。水基耐火涂料在施工过程中须具备适宜的触变性、剪切稀化特性及静态稳定性，以满足喷涂、刷涂等不同工艺对浆料流动行为的差异化需求。在浆料配方设计中，通过引入阴离子型聚电解质类分散剂，可有效调控颗粒表面双电层厚度，降低浆料屈服应力并抑制骨料沉降。同时，基于固含量与粘结剂粘弹性的匹配原则，需结合动态剪切速率扫描实验，建立浆料粘度- 剪切速率曲线模型，明确最佳流变参数窗口。例如，针对高剪切速率喷涂工艺，需将浆料设计为高触变指数与快速结构恢复特性，确保雾化液滴撞击基材后迅速重建网络结构，避免流挂或边缘收缩；而对于浸渍工艺，则需降低浆料的零剪切粘度，增强渗透性以实现基材表面的充分润湿。

在此基础上，涂覆工艺参数的协同优化是保证涂层厚度均一性与界面结合强度的关键。喷涂工艺中，需依据浆料的触变恢复速率与雾化压力、喷嘴直径的关联性，动态调整喷涂距离与移动速度，平衡涂层沉积效率与表面平整度。进一步地，通过实时监测涂层湿膜状态，结合红外热成像技术分析局部干燥速率差异，可优化多道涂覆的间隔时间，减少因溶剂挥发不均引发的橘皮或针孔缺陷。对于复杂曲面基材，采用静电辅助喷涂技术可增强浆料颗粒的定向沉积，利用电场力克服表面张力对液滴铺展的限制，提升涂层在凹凸区域的覆盖一致性。工艺后期，引入在线流变仪与涂膜厚度检测仪的闭环反馈系统，实现涂覆参数的动态修正，确保批次间浆料流变行为与施工条件的精准匹配，最终获得结构致密、无缺陷的高温防护涂层。

（三）梯度干燥与固化行为调控

在梯度干燥与固化行为调控中，关键在于协调水分挥发速率与无机粘结剂网络形成的动力学匹配。涂层的初始干燥阶段需严格控制环境温度与湿度，避免表面水分快速蒸发导致体积收缩应力集中。采用分阶段控温控湿策略，在湿膜形成初期维持较低温度，如 40-60℃与高湿度 > 7 0 % RH，延缓表层水分的挥发速率，促进浆料内部水分子向表面的定向迁移，减少内外湿度梯度差异。随着干燥进程的推进，逐步提升温度至 80-100℃并降低湿度至 3 0 % ～ 5 0 % ，加速深层水分的脱除，同时利用无机粘结剂的缩聚反应生成三维网络骨架，抑制涂层因收缩不均引发的微裂纹。此外，引入红外辐射辅助干燥技术，通过选择性加热基材与涂层界面区域，强化热量传递效率，实现水分梯度挥发与粘结剂交联固化的同步优化。

在此基础上，固化工艺的精细化调控需结合无机粘结剂的热反应特性与基材热膨胀系数的差异。针对硅酸盐或磷酸盐体系，设计阶梯式升温曲线以匹配不同温度区间的凝胶化与烧结行为。例如，在低温段（ 2 0 0-4 0 0 % ）延长保温时间，促进粘结剂分子链的脱羟基与缩合反应，形成连续互穿网络；中温段（600-800℃）则通过快速升温激发骨料表面的活性位点，增强骨料- 粘结剂界面化学键合；高温段（ ）采用缓慢升温与分段保温策略，缓解因基材与涂层热膨胀失配产生的内应力，同时促进晶粒生长与致密化。工艺过程中，通过在线监测涂层的失重率、热流变化及声发射信号，实时反馈固化程度与缺陷演化规律，动态调整温度曲线参数，确保涂层结构的完整性。

（四）高温烧结过程与界面强化

在高温烧结过程中，涂层的致密化与界面结合强度的提升依赖于温度曲线设计、相变行为调控及热应力释放机制的协同优化。烧结初期需依据无机粘结剂的熔融特性与耐火骨料的晶相转变温度，设定梯度升温速率，避免因热冲击导致的开裂或分层。例如，在低温阶段（200-500℃）采用缓慢升温策略，促进残留有机物的充分分解与挥发，同时减少气体逸出对涂层孔隙结构的破坏；中温阶段（ ）则通过适中的升温速率驱动粘结剂的熔融流动，促进骨料颗粒的重排与颈部形成，初步建立涂层骨架；高温阶段（ > 1 2 0 0 % ）结合分段保温工艺，利用扩散控制的晶粒生长机制，逐步消除微孔隙并提高晶界迁移率，最终实现涂层的近全致密化。此外，烧结气氛的选择，如氧化性、惰性或还原性气体直接影响涂层的化学稳定性，需根据骨料与基材的抗氧化需求，抑制高温下成分氧化或有害相生成。

与此同时，界面强化需从微观结构设计与反应动力学调控两方面切入。基材表面预处理是提升界面结合力的前提，通过喷砂、化学蚀刻或预氧化处理，增加基材表面粗糙度与活性位点密度，为涂层提供机械锚固与化学键合基础。烧结过程中，通过引入过渡层材料或原位生成界面反应层，可缓解涂层与基材间的热膨胀系数失配。例如，在金属基材表面预先沉积金属- 陶瓷复合过渡层，利用其梯度热膨胀特性缓冲热应力；或在界面区域设计活性元素（如Ti、Cr）的扩散通道，促进涂层与基材间的元素互扩散，形成化学键合增强的冶金结合区。工艺实施中，结合同步辐射X 射线衍射、扫描电镜原位观察等技术，实时监测界面反应产物的形成与演化规律，动态调整烧结温度与保温时间，确保界面结合强度与抗热震性能的同步提升。

五、结束语：

综上所述，本研究系统探讨了水基体系高温耐火涂料的制备工艺，通过原料协同设计、分散均质化及梯度固化等关键工艺优化，显著提升了涂层的致密性、抗热震性与界面结合强度。水基体系在环保性与安全性上的优势，结合工艺创新，为高温防护材料的绿色化与高性能化提供了可行路径。未来研究需进一步聚焦复杂工况下涂层的长效服役行为与失效机制，推动其在冶金、能源等领域的规模化应用，助力工业高温装备的可持续发展。

参考文献：

[1]Mahmud I H ,Mandal A ,Nag S , et al.Performance of fire protective coatings on structural steel member exposed to high temperature[J].Journal of Structural Fire Engineering,2021,12(2):193-211.

[2]Qingtao L ,Huaxuan L ,Tianle L .Effect of non-intumescent fireproof coating on the durability of concrete exposed to elevated temperature[J].Construction and Building Materials,2023,404

[3]Takenori F ,Takumi N ,Masato I , et al.Characterization and Improvement of Heat Resistance of a Polymer-Ceramic Pressure-Sensitive Paint at High Temperatures[J]. Sensors,2021,21(24):8177-8177.

[4]ZhangZ ,YuL ,ZhangY , et al.Enhancement, application, and challenges of chromium– corundum high‐temperature refractories[J].International Journal of Applied Ceramic Technolo gy,2024,21(6):3717-3734.