CN101389721A - 用于阻垢和防腐蚀的包含聚硅氮烷的涂层 - Google Patents

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Abstract

一种用于表面的涂层，包含至少一种式1和/或式2的聚硅氮烷，其中n是整数且其大小使得全氢化聚硅氮烷具有数均分子量为150到150000g/mol，溶剂和催化剂以及任选的一种或多种助粘结剂，用来防止金属表面结垢和腐蚀。固化的涂层厚度至少为0.2－10μm，优选0.3到5μm。该涂层用做金属防垢和防腐蚀的保护性涂层特别有用。

Description

用于阻垢和防腐蚀的包含聚硅氮烷的涂层
技术领域
本发明涉及基于聚硅氮烷的涂层，该涂层用于制备在高温下防止金属表面结垢并控制腐蚀的保护涂层。
背景技术
由于组件回火或退火必须进行热处理的原因，通过金属表面氧化和相关的变色，在约900℃到1250℃的区域内，同时进行钢组件的生产和/或加工。形成的垢-铁的氧化产物-必须再次被除去，其成本高而且不方便。
因此在早期阶段进行用于在钢和其它金属上阻垢的保护涂层的工作。
例如，DE 1803022描述了一种陶瓷保护涂层，该涂层可以防垢并由于其不同于钢的热膨胀系数而在冷却时脱层，并因此提供暂时的保护。缺点包括使用有毒的铅化合物，高的焙烧温度，固有的颜色(不透明的)，以及所得到该保护涂层的只能为暂时的使用。而且，该保护涂层厚度在100和200μm之间，并因此消耗大量材料。
发明内容
本发明的一个目标是开发一种涂层，用它可防止金属在高温下结垢和腐蚀。
令人惊讶的是，目前已经发现，用包含聚硅氮烷的溶液可制备防止金属在高温下结垢和腐蚀的非常薄的保护层。
因此本发明提供一种用于金属的涂层，包含至少一种具有下式的聚硅氮烷，或其二者的混合物，
Figure A200780006465D00051
全氢化聚硅氮烷(PHPS)
Figure A200780006465D00052
ABSE
其中n是整数且其大小使得该聚硅氮烷具有数均分子量为150到150000g/mol，以及还有任选的溶剂和催化剂以及一种或多种助粘结剂(Co-bindemittel)。本发明的涂层特别适合制备用于金属的保护涂层。
本发明进一步提供上述包含式1和/或2的至少一种聚硅氮烷的涂层在制剂中的用途，除了该聚硅氮烷，任选的溶剂、以及催化剂包含作为附加成分的填料，由此进一步提高该聚硅氮烷的抗氧化和防腐蚀性能。典型的填料可以包括各种陶瓷粉末如碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铝、二氧化钛等，各种玻璃粉末或炭黑形式的炭、石墨粉末、或者例如纳米管。
所述溶剂是惰性的、非质子溶剂如甲苯、二甲苯、醚，特别是二正丁基醚等。
该助粘结剂可以一方面是式3的有机聚硅氮烷
-(SiR′R″-NR′′′)n-     (3)
其中R′、R″和R′′′可以相同或不同并且或者是氢或者是有机基团，条件是R′、R″和R′′′必须不同时是氢并且其中n的大小使得该有机聚硅氮烷的数均分子量为150到150000g/mol。
特别适合于全氢聚硅氮烷制剂或ABSE制剂的溶剂是不含水和活性基团(如羟基或氨基)的有机溶剂。所述溶剂包括、例如，脂肪族或芳香族的烃、卤代烃、酯如乙酸乙酯或乙酸丁酯，酮如丙酮或甲基乙基酮，醚如四氢呋喃或二丁基醚，以及还有单亚烷基和多亚烷基二醇二烷基醚(甘醇二甲醚)或这些溶剂的混合物。
全氢聚硅氮烷制剂或ABSE制剂的其它可能的成分可以是添加剂，其影响例如制剂粘度、基材润湿、薄膜形成或挥发性能，或者有机和无机UV吸收剂。
本发明的涂层含有按重量计1到40％的至少一种式(1)和式(2)的全氢聚硅氮烷或ABSE或二者的混合物，特别是按重量计5到30％，优选按重量计10-20％，和任选的重量计0.001％到5％、优选按重量计0.01％到2％的催化剂。
合适的催化剂是N-杂环化合物，如1-甲基哌嗪，1-甲基哌啶，4，4′-三亚甲基二哌啶，4，4′-三亚甲基(1-甲基哌啶)，重氮双环[2.2.2]辛烷，以及顺-2，6-二甲基哌嗪。其它合适的催化剂是单-、二-以及三烷基胺如甲基胺，二甲基胺，三甲基胺，苯胺，二苯胺，以及三苯胺，DBU(1，8-重氮双环[5.4.0]-7-十一碳烯)，DBN(1，5-重氮双环[4.5.0]-5-壬烯)，1，5，9-三氮环十二烷，以及1，4，7-三氮环壬烷。
其它合适的催化剂是有机和无机酸如乙酸，丙酸，丁酸，戊酸，马来酸，硬脂酸，盐酸，硝酸，硫酸，磷酸，氯酸以及次氯酸。
其它合适的催化剂是饱和及不包和的、脂肪族或脂环族C1-C22羧酸和金属离子如Ni、Ti、Pt、Rh、Co、Fe、Ru、Os、Pd、Ir以及A1的通式(RCOO)nM的金属羧酸盐；n是金属离子的电荷。
其它合适的催化剂是金属离子如Ni、Pt、Pd、Al和Rh的乙酰丙酮配合物。
其它合适的催化剂是颗粒尺寸为20到500nm的如Au、Ag、Pd或Ni的金属粉末。
其它合适的催化剂是过氧化物如过氧化氢、金属氯化物、以及有机金属化合物如二茂铁和二茂锆。
采用聚硅氮烷制剂的涂敷可以通过在涂漆中通常采用的方法来进行。所述方法可以是例如喷涂、浸渍或流涂。这之后可以进行热后处理以便加速涂层的固化。根据所使用的聚硅氮烷制剂以及任选的催化剂，甚至在室温下进行固化。
因此本发明进一步提供在金属上制备保护层的方法，其中通过合适的方法例如喷涂或浸渍将任选包含催化剂和填料的该聚硅氮烷溶液涂布到金属，然后在室温下固化。
此后进行热分解，这使聚硅氮烷涂层发生陶瓷化。该热分解在热解炉中在空气或其它气体如氩气、氮气、氨等下进行。典型地，热解在空气中进行。加热速率典型地是3K/min，到500℃到1500℃、优选800℃到1200℃、更优选到1000℃。在最高温度的保持时间是10min-10h，优选30min到4h，更优选1h。冷却到室温的速率典型地是3K/min。
聚硅氮烷涂层的作用模式可以描述如下：
第一步：聚硅氮烷层通过氧化金属表面和聚硅氮烷(甚至在室温下形成(基材)金属-O-Si(聚硅氮烷层))的反应化学连接在金属基材上
第二步：在热解过程中聚硅氮烷转化成二氧化硅或者聚硅氧烷。获得的层(最佳的层厚度厚度0.5到1.5μm)显著地粘附，有挠性(基材可以弯曲而层不会破裂)，对于氧和湿度表现出显著的扩散稳定性，且是非常化学稳定的。
固化的涂层厚度为0.1-10μm，优选0.2到5μm，更优选0.5到1.5μm，并确保突出的表面保护免受腐蚀和氧化。在按照该方法涂覆的金属上，当加热到1000℃时金属表面变色(tarnishing)(结垢)的情况得到防止，而且即使在面对腐蚀性介质(例如盐酸气氛)的情况下也可以非常长的时间防止腐蚀。
本发明的涂层已经被用于不同等级的钢、铜和镁。该涂层是透明的，因此不损害金属的天然外观；相反，该涂层是察觉不到的。即使在极端的条件下该涂层也提供持久的保护。
因此可制备比通常的保护涂层薄很多、结合有最小程度的材料消耗和少溶剂释放的保护层，所述层另外具有优于通常的涂层的特性。
实施例
实施例1：
用20％浓度的PHPS溶液(NN120-20)通过在空气中在该溶液中浸渍并以0.3m/min的提起速度对V2A片材(钢1.4301，X5 CrNi 1810/Cr 18％，Ni 10％，Si 1％，Mn 2％，P 0.045％，S 0.03％，C<0.07％，剩余为Fe)进行涂敷。在室温下干燥之后(约30min)，涂敷的片材在空气中储存于到1000℃的炉中并保持1h，加热和冷却的速率是3K/min。
可以多次重复氧化测试而没有观察到钢的结垢。
实施例2：
用10％浓度的PHPS溶液(NN120-20或NP110-20)通过在空气中在该溶液中浸渍并以0.5m/min的提起速度对V2A片材(钢1.4301，X5 CrNi 18 10/Cr 18％，Ni 10％，Si 1％，Mn 2％，P 0.045％，S 0.03％，C<0.07％，剩余为Fe)进行涂敷。在室温下干燥(约30min)之后，涂敷的片材在空气中储存于到1000℃的炉中并保持10h，加热和冷却的速率是5K/min。
可以多次重复氧化测试而没有观察到钢的结垢。
实施例3：
用20％浓度的PHPS溶液(NN120-20)以300r pm通过旋转涂敷法对V2A片材(钢1.4301，X5Cr Ni 18 10/Cr 18％，Ni 10％，Si 1％，Mn 2％，P 0.045％，S 0.03％，C<0.07％，剩余为Fe)进行涂敷。在室温下干燥(约30min)之后，涂敷的片材在空气中储存于到1000℃的炉中并保持10h，加热和冷却的速率是3K/min。
可以多次重复氧化测试而没有观察到钢的结垢。
实施例4：
用20％浓度在甲苯中的ABSE溶液通过在空气中在该溶液中浸渍并以0.5m/min的提起速度对V2A片材(钢1.4301，X5 CrNi 18 10/Cr18％，Ni 10％，Si 1％，Mn 2％，P 0.045％，S 0.03％，C<0.07％，剩余为Fe)进行涂敷。在室温下干燥(约30min)之后，涂敷的片材在空气中储存于到1000℃的炉中并保持1h，加热和冷却的速率是3K/min。
可以多次重复氧化测试而没有观察到钢的结垢。
实施例5：
用20％浓度的PHPS溶液(NN120-20)通过在空气中在该溶液中浸渍并以0.3m/min的提起速度对St14钢片材(深度冲压钢)进行涂敷。在室温下干燥(约30min)之后，涂敷的片材在空气中储存于到700℃的炉中并保持10h，加热和冷却的速率是3K/min。
在涂覆的区域没有钢的氧化。
实施例6：
在具有按重量计5％BN粉末(平均颗粒尺寸约0.7μm)、浓度为20％的PHPS溶液的悬浮液(NN120-20)中通过在空气中浸渍并以0.3m/min的提起速度对St37钢片材(建筑级钢)进行涂敷。在室温下干燥(约30min)之后，涂敷的片材在空气中储存于到700℃的炉中并保持10h，加热和冷却的速率是3K/min。
在涂覆的区域没有钢的氧化。
实施例7：
用20％浓度的PHPS溶液(NN120-20)通过在空气中在该溶液中浸渍并以0.3m/min的提起速度对Cu片材进行涂敷。在室温下干燥(约30min)之后，涂敷的片材在空气中储存于到700℃的炉中并保持5h，加热和冷却的速率是3K/min。
可以多次重复氧化测试而Cu片材表面没有被氧化。
实施例8：
将实施例1的V2A片材固定在框架上并转到器皿中，所述器皿的底部用1N的HCl覆盖直到1cm的装料高度。将该容器密封后，样品在HCl气氛中于室温下保存30天。
在涂覆的区域内没有观察到片材的腐蚀。

Claims (11)

1.用于表面的涂层，包含至少一种式1
Figure A200780006465C00021
和/或式2的聚硅氮烷
或者二者的混合物，n是整数并且其大小使得该聚硅氮烷的数均分子量为150到150000g/mol，溶剂、以及催化剂、和任选的一种或多种助粘结剂，用于防止在金属表面上结垢和腐蚀。
2.根据权利要求1所述的涂层，其中至少一种助粘结剂是式3的有机聚硅氮烷
-(SiR′R″-NR′′′)n-　　　(3)
其中R′，R″和R′′′可以相同或不同并且所述基团或者是氢或者是未取代的或取代的有机基团，条件是R′，R″和R′′′必须不能同时是氢，n的大小使得该有机聚硅氮烷的数均分子量为150到150000g/mol，条件是基于全氢聚硅氮烷或ABSE的有机聚硅氮烷的质量分数至少是1％且不大于100％，优选10到70％，更优选15到50％。
3.根据权利要求1或2所述的涂层，其中聚硅氮烷制剂包含选自陶瓷粉末的填料，所述陶瓷粉末例如碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铝或其它金属氧化物。
4.根据权利要求1或2所述的涂层，其通过在空气、氩气、氮气、氨气或其它气体中进行热处理而被陶瓷化。
5.根据权利要求3所述的涂层，其中陶瓷化温度在500℃和1500℃之间，优选在800℃和1200℃之间，更优选在1000℃。
6.根据前述权利要求的至少一项所述的涂层，含有按重量计0.001到5％的催化剂。
7.根据权利要求6所述的涂层，其中催化剂是N-杂环化合物，单、二或三烷基胺，有机或无机酸，过氧化物，金属羧酸盐，乙酰丙酮的配合物或金属粉末或有机金属化合物。
8.根据权利要求1到7的至少一项所述的涂层作为保护涂层特别是表面阻垢和防腐蚀的用途。
9.根据权利要求8所述的用途，其中所述表面是金属表面。
10.权利要求8或9所述的用途，其中固化的涂层厚度为至少0.1μm，优选0.3到5μm，更优选0.5到1.5μm。
11.一种用于防止在金属表面上结垢和腐蚀的涂层的制备方法，该方法包括将权利要求1到7的至少一项所述的涂层涂布到表面，然后在500℃到1500℃、优选在800℃到1200℃、更优选在1000℃的温度下使其固化。
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