CN101553320B - 形成具有高硬度的无机涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形成高硬度无机涂层的方法，该方法能够在室温下在金属或有色金属基质的表面上提供一种具有抗磨性、化学耐性、耐沾污性的高硬度、不燃性的涂层。所述方法包括：清洁基质表面以除去杂质；对基质表面进行超声清洁；制备高硬度无机涂覆组合物；使用该高硬度无机涂覆组合物涂覆所述基质表面以形成高硬度涂层，干燥所述高硬度涂层；250-270℃下加热所述基质以固化所述高硬度涂层。

Description

形成具有高硬度的无机涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种形成高硬度无机涂层的方法，该方法能够在室温下在金属或有色金属基质的表面上提供一种具有抗磨性、化学耐性、耐沾污性的高硬度、不燃性的涂层。

背景技术

通常，常规的涂覆过程包括基质的砂磨、将基质预热至40-60℃、金属或有色金属基质表面的上釉和氟化物涂覆，以及在400℃-850℃的高温下进行的涂层热风干过程。因此，常规涂覆方法的劣势在于高加工温度和较大的能量消耗以及高生产成本负担。

此外，由于涂层中含有有机材料，并且所述金属或有色金属表面由疏水性材料制成，因此当所述金属或有色金属表面被各种污染物沾污时，这类污染物不易被除去，从而应使用有机溶剂或类似物进行清除。而用于清除污染物而使用的有机溶剂可能对环境造成二次污染。此外，有机涂层还会产生多种问题，例如在涂覆时会释放危害环境的物质，在着火时会产生威胁生命的有毒气体，它也是造成环境污染的一个主要原因。

因此，需要开发一种成本低廉且环境友好的涂覆方法。

发明内容

技术问题

因此，为解决上述问题而作出本发明，本发明的一个目的是提供一种形成高硬度无机涂层的方法，该方法在金属和有色金属基质两者上都能够应用，并且能够简单实现一种在室温下进行而无需预热步骤的涂覆工艺，所述方法包括于270℃±20℃的温度下由高强度无机涂覆物质在基质表面上形成涂层以及对其进行热风干；由于使用的材料不可燃，即使在着火时也没有产生有毒气体的危险，并因此所用的材料作为环境友好材料是极好的。

技术方案

根据本发明的一个方面，可通过提供一种形成高硬度无机涂层的方法实现上述和其它目的，所述方法包括下述步骤：对基质表面进行超声清洁；制备高硬度无机涂覆组合物；使用该高硬度无机涂覆组合物在基质表面形成涂层，其中所述涂层具有高硬度；所述高硬度涂层的自然风干；以及所述高硬度涂层的热风干。所述超声清洁步骤可以28至48kHz的超声频率进行。

所述组合物制备步骤可包括：以150至400rpm的速度分散高硬度无机涂覆物质，并且以100至300rpm的速度搅拌该分散的混合物以除去气泡(消泡步骤)。

在形成涂层的步骤中，可以选自下列方法的任何方法形成涂层：静电喷涂、浸渍、超声涂覆、真空沉积以及在氮气气氛下的涂层形成。

在形成涂层的步骤中，所述高硬度无机涂层的厚度可为1至35□。

所述形成高硬度涂层的步骤可以重复进行两次或更多次。

所述自然风干的步骤可在20至30℃的温度下进行10分钟或更长时间。

所述热风干步骤可在270℃±20℃的温度下进行。

所述热风干步骤可在温度上升速度为4-6℃/分钟的条件下进行。

二次干燥(secondary drying)步骤可在温度下降速度为4-6℃/分钟的条件下进行。

所述基质可选自金属、有色金属、无机非金属材料、石料和瓦料。

在所述超声清洁步骤中使用的清洁剂可为含有无机盐的水溶性清洁剂。

所述形成涂层的方法还可包括浸渍和蒸汽清洁步骤，以除去存在于基质表面的含油物。

所述高硬度无机涂覆组合物可包括硅酸盐或改性硅酸盐化合物的熔融的玻化原料物质(vitreous frit material)以及颗粒状二氧化硅。

所述高硬度无机涂覆组合物还可包括至少一种选自金属的氧化物、氢氧化物和磷酸盐的物质。

本发明还提供这样一种形成高硬度无机涂层的方法，其包括下述步骤：

基质表面的超声清洁；

制备高硬度无机涂覆组合物，其中所述高硬度无机涂覆组合物包括：硅酸盐或改性硅酸盐玻化原料以及颗粒状二氧化硅，该步骤包括：通过以150至400rpm的速度搅拌而分散所述组合物，和通过以100至300rpm的速度搅拌该分散的组合物而消泡；

使用所述涂覆组合物在所述基质表面形成涂层；

自然风干所述涂层，其中所述自然风干的步骤在20至30℃的温度下进行10分钟或更长时间；和

热风干所述涂层，其中所述热风干步骤通过以4-6℃/分钟的温度上升速度升温达到270℃±20℃的温度并其后以4-6℃/分钟的温度下降速度冷却而进行。

有益效果

如下文所示，根据本发明能够形成这样一种无机涂层，该涂层能够简便地在室温下涂覆；并且其由于干燥温度较低与随之引起的能耗较低而成本低廉；而且其由于不产生有毒气体而对环境友好。

具体实施方式

可用于本发明的基质的实例可包括金属和有色金属材料，以及各种在热风干温度下保持基质不变形和不降解的其它材料，例如无机非金属材料、石料和瓦料。

本发明提供了一种形成高硬度无机涂层的方法，其包括：对基质表面进行超声清洁，制备高硬度无机涂覆组合物，使用该高硬度无机涂覆组合物涂覆基质表面以形成高硬度涂层，对所述高硬度涂层进行自然风干，以及对所述高硬度涂层进行热风干。

所述超声清洁步骤以如下方式进行：将所述基质浸在盛有水溶性清洁剂的超声槽中，生成超声波以充分清洁基质表面，包括其细小的部分。优选地，所述超声清洁可以28至48kHz的频率进行。

所述超声清洁可使用含有无机盐的水溶性清洁剂进行。通过使用含有无机盐的水溶性清洁剂，可增强其与在该基质表面上形成的无机涂层的粘附，同时增强其与高硬度涂层形成物的粘附。

本发明的方法还可包括在超声清洁步骤之前进行的用以除去含油物和杂质的浸渍和蒸汽清洁步骤。当存在杂质时可以实施上述附加步骤，虽然在基质表面是清洁的(也就是没有杂质)时上述附加步骤就不是必要的了。

实施浸渍和蒸汽清洁是为了除去各种含油物，例如粘附于基质表面的矿物合成油。例如，将基质置于槽中，然后浸渍并在溶剂中清洗。或者，将溶剂蒸发，使所得的蒸汽冷凝并使其流过基质表面。通过这种方式，含油物和杂质会被流动的冷凝水完全清除。使用冷凝蒸汽的清洁可以缩短生产时间，因为基质被从槽中取出时会立即干燥，可进行下一步骤而不需要单独的干燥步骤。

高硬度无机涂覆物质的制备步骤是用于将高硬度无机涂覆物质涂覆于基质表面的步骤，包括搅拌高硬度无机涂覆物质，然后消泡。

所述高硬度无机涂覆物质可包括硅酸盐或改性硅酸盐玻璃料，无机填料，含有颗粒状二氧化硅的材料，含有多价金属氧化物、氢氧化物或磷酸盐的材料，非离子性表面活性剂，氧化铝，分散剂以及其它添加剂。这类高硬度无机涂覆物质具有高硬度、抗菌活性、防水性、化学耐性和不燃性，并可有效形成与基质超强粘附的涂层。

根据本发明的制备高硬度无机涂覆物质的步骤包括所述高硬度无机涂覆物质的搅拌和消泡。

所述搅拌的速度优选地为150至400rpm。如果搅拌速度低于150rpm，可能会使得所述组合物不能充分混合。但是，搅拌速度超过400rpm并不会使搅拌效果出现明显差异。因此，搅拌速度被设置为上述范围150至400rpm内。

此后，实施形成涂层的步骤，该步骤包括在已预先清洁的基质表面上涂覆按上述方式制备的高硬度无机涂覆物质。出于上述目的，所述高硬度无机涂覆物质被喷涂至基质表面上，由此形成高硬度无机涂层。

或者，可通过使用各种方法进行所述高硬度无机涂覆物质的涂覆，所述各种方法例如静电喷涂、浸渍、超声涂覆、真空沉积、使用氮气的涂覆方法等等。

所形成的高硬度无机涂层的厚度为1至35□。如果涂层的厚度低于1□，所述高硬度无机涂层的硬度会显著降低。另一方面，如果涂层的厚度高于35□，透光率会降低，因此就不能获得高硬度无机涂层的所需特性。

在本发明中，所述在基质表面形成涂层的步骤可以重复进行两次或更多次。在这种情况下，形成第一涂层并将其自然风干，然后在其上形成第二涂层。

当重复几次涂覆时，可形成具有所需厚度、致密涂覆和高表面平滑度的涂层，但是可能由于在之前步骤中干燥不完全而在加热步骤中产生涂层破裂的风险。

当向本发明所使用的涂覆物质中加入颗粒状二氧化硅或无定形二氧化硅时，所述二氧化硅组分在室温下、硅酸盐或改性硅酸盐溶液中完全分散，从而中和整个涂覆物质溶液。此外，在通过干燥过程形成涂层时，二氧化硅颗粒会在干燥和脱水过程中迁移并固定在涂层表面，从而使得碱金属组分被固定在二氧化硅的规则四面体结构中，由此防止碱金属组分释放到涂层表面。这样一来，所形成的高硬度无机涂层的涂层表面就不会出现由于碱金属释放而发生的涂层脱色，并且还具有很好的防水性。

所述高硬度无机涂层的干燥步骤分为自然风干和热风干步骤。

自然风干步骤主要是为了除去涂层中的水分，可在20-30℃的温度下进行10分钟或更长时间。如果干燥温度低于10℃，可能导致干燥时间的延长以及水分的不充分除去，这会对涂层的粘附和硬度产生不利的影响。另一方面，如果干燥温度高于30℃，可能会由于温度的快速升高而使涂层变形，并使得涂层在热风干步骤期间破裂。

热风干步骤在270℃±20℃的温度下进行，是为了使所述高硬度无机涂层完全干燥。为实现本发明的这一目的，将经过自然风干步骤的基质放入干燥箱。然后，将干燥箱内的最高温度升高至270℃±20℃的范围内，然后进行基质的干燥。如果最高温度低于250℃，可能导致干燥不完全和涂层的物理性质较差。另一方面，如果最高温度高于290℃，可能导致涂层的破裂和膨胀，这也会损害所述高硬度无机涂层的物理性质。

在本发明中，干燥烘箱的内部温度升高的温度增量十分重要。以4-6℃/分钟的速度升高干燥烘箱中的温度是合理的。如果温度的升高速度低于4℃/分钟，可能导致干燥时间过长，从而加重经济负担。另一方面，如果温度的升高速度高于6℃/分钟，可能会由于温度升高过快而使涂层的物理性质恶化并导致涂层的破裂和膨胀。

此外，根据本发明，当需要使烘箱中的温度从最高温度下降时，应该使温度缓慢地降低。也就是说，如果烘箱温度如上所述地快速降低，可能导致涂层的物理性质较差、涂层发生破裂并对涂层的粘附产生不良影响。

本发明的实施方式

实施例

现参照下述实施例更详细地描述本发明。提供下述实施例的目的仅是为了说明本发明，而不应被解释为限制本发明的范围和实质。

实施例1

首先，通过清洁过程完全除去存在于金属或有色金属基质表面上的杂质和含油物。然后制备高硬度无机涂覆物质。接着，将上述制备的高硬度无机涂覆物质涂覆于所述金属或有色金属基质表面上。为此，在基质表面上形成一个厚度为约3□的涂层，然后在室温下自然风干20分钟。接着，将所得的涂层置于远红外干燥烘箱中，然后使其以4-6℃/分钟的速度升高温度直至290℃的最高温度，此后以相同的速度缓慢冷却。

实施例2

首先，通过清洁过程完全除去存在于金属或有色金属基质表面上的杂质和含油物。然后制备高硬度无机涂覆物质。接着，将上述制备的高硬度无机涂覆物质涂覆于所述金属或有色金属基质表面上。为此，在基质表面上形成一个厚度为约3□的第一涂层，随后在室温下自然风干20分钟。接着，在该涂层上形成一个厚度为约3□的第二涂层，随后自然风干。这一过程共重复进行四次，从而形成一个厚度为约12□的涂层。然后再在室温下自然风干20分钟。此后，将所得的涂层置于远红外干燥烘箱中，然后使其以4℃/分钟的速度升高温度直至290℃的最高温度，此后再以相同的速度缓慢冷却。

比较实施例1

未涂覆的实施例1中的基质。

比较实施例2

在实施例1中的基质上形成常规氟树脂的涂层。

以上述方式，使用高硬度无机涂覆物质形成了一个高硬度无机涂层。涂层的测试结果示于下表1中。

表1

测试结果
	比较实施例2
4H
	15
100/100
	非脆性的
脱色的
	未清洁的
产生有毒气体
	有裂纹

产业实用性

本发明能形成这样一种无机涂层，其可在室温下被简便地涂覆，由于干燥温度较低与随之引起的能耗较低而成本低廉，并且由于不释放有毒气体而对环境友好。

Claims (10)

1.一种形成高硬度无机涂层的方法，包括下述步骤：

基质表面的超声清洁；

制备高硬度无机涂覆组合物，其中所述高硬度无机涂覆组合物包括：硅酸盐或改性硅酸盐玻化原料以及颗粒状二氧化硅，该步骤包括：通过以150至400rpm的速度搅拌而分散所述组合物，和通过以100至300rpm的速度搅拌该分散的组合物而消泡；

使用所述涂覆组合物在所述基质表面形成涂层；

自然风干所述涂层，其中所述自然风干的步骤在20至30℃的温度下进行10分钟或更长时间；和

热风干所述涂层，其中所述热风干步骤通过以4-6℃/分钟的温度上升速度升温达到270℃+20℃的温度并其后以4-6℃/分钟的温度下降速度冷却而进行。

2.权利要求1的方法，其中所述超声清洁步骤以28至48kHz的超声频率进行。

3.权利要求1的方法，其中在所述形成涂层的步骤中，通过选自下列方法的任何方法形成涂层：静电喷涂、浸渍、超声涂覆、真空沉积以及在氮气气氛下的涂层形成。

4.权利要求1的方法，其中在所述形成涂层的步骤中，所述高硬度无机涂层的厚度为1至35μm。

5.权利要求1的方法，其中所述形成高硬度涂层的步骤重复进行两次或更多次。

6.权利要求1的方法，其中所述基质选自金属、无机非金属材料、石料和瓦料。

7.权利要求1的方法，其中所述基质选自有色金属。

8.权利要求1的方法，其中在所述超声清洁步骤中使用的清洁剂为含有无机盐的水溶性清洁剂。

9.权利要求1的方法，还包括浸渍和蒸汽清洁步骤，以除去存在于基质表面上的含油物。

10.权利要求1的方法，其中所述高硬度无机涂覆组合物还包括至少一种选自金属的氧化物、氢氧化物和磷酸盐的物质。