CN103588443A

CN103588443A - 纳米水性陶瓷功能型复合涂料及其制备方法

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Publication number: CN103588443A
Application number: CN201310562839.XA
Authority: CN
Inventors: 王丽萍
Original assignee: WUHAN ZHUOYI TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: WUHAN ZHUOYI TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103588443B

Abstract

本发明公开了一种纳米水性陶瓷功能型复合涂料，它的原料按重量份比计包括：10～35份的硅酸盐无机粘结剂、10～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，5～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和5～25份的水，该方法首先将硅酸盐无机粘结剂和稀释剂倒入容器中，在350～400r/min条件下度下搅拌10～20min，得到混合液；再将主填充料和稳定材料加入得到的混合液中，在350～400r/min条件下度下搅拌50～60min；然后依次加入将增韧性乳液型粘结剂和成膜助剂最后用400～600目的纱网过滤，得到复合涂料。本发明的涂料常温成膜，具有渗透型附着力、高致密、抗石击、抗冲击、耐高低温、超耐磨，耐洗刷和柔韧性好的特点。

Description

纳米水性陶瓷功能型复合涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水性涂料，具体地指一种纳米水性陶瓷功能型复合涂料，本发明还涉及这种纳米水性陶瓷功能型复合涂料的制备方法。

背景技术

随着我国近年来科学技术突飞猛进的发展，特别是高铁、动车的技术发展，使得发达国家也向我国购买高铁技术及邀请我方参与其国家的高铁建设项目。另外，航天、航空、航海、国防军工领域更是让人刮目相看。在这些高新技术领域，必须应用耐高低温、高耐磨、抗高冲击、高自洁的涂层材料来保护它能长久安全的运行和工作。

目前，国内结构陶瓷产品种类很多，已应用在很多领域，但是它们的成型工艺太复杂，投资成本过高。因为它的成型工艺基本是在具备真空负压的条件下，再利用高温烧结，高温氧化锆等离子设备和PVD技术：脉冲磁控溅射、碳磁控溅射、阴极磁过滤、多弧离子镀及CVD结合溅射等工艺方法加工完成。这样在应用领域若遇到工件特别大，又特别复杂，加之现场条件又恶劣的环境下，以上工艺都难以完成。

由于目前在国内外找不到完全相类似的产品，我们以目前国内外比较先进的氟碳涂料指标作为对比的参照系。

大型钢结构建筑如钢铁桥梁、铁塔、体育场馆、储罐、气柜、管道等，以及电站、石油化工和钢铁冶炼等具有复杂钢结构特征的重工业，腐蚀环境恶劣，现在普遍使用超长效防腐蚀涂层体系，而性能优异的氟碳涂料逐步将成为钢结构上占主导地位的防腐复合涂料。

发明内容

本发明的第一目的是克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种纳米水性陶瓷功能型复合涂料。

本发明的第二目的是提供一种制备这种纳米水性陶瓷功能型复合涂料的制备方法。本发明涂料能常温成膜，具有超强渗透型附着力、高致密、抗石击、抗冲击、耐高低温、超耐磨，耐洗刷和柔韧性好的特点。

本发明的第一目的是通过如下措施来达到的：纳米水性陶瓷功能型复合涂料，它的原料按重量份比计包括：10～35份的硅酸盐无机粘结剂、10～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，5～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和5～25份的水，其中：所述主填充料包括三氧化二铝和氧化锆，所述稳定材料为金属氧化物、氮化物和硼化物中任意一种或几种。

进一步地，它的原料按重量份比计包括：15～25份的硅酸盐无机粘结剂、20～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，10～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和10～20份的水。

再进一步地，它的原料按重量份比计还包括1～5份的碳材料、0.1～1份的氧化铁、1～3份的蒙脱土凝胶和0.1～0.5份的消泡剂中任意一种或几种。

再进一步地，所述硅酸盐无机粘结剂为硅酸钾无机粘结剂、硅酸钠无机粘结剂和硅酸锂无机粘结剂中任意一种。

再进一步地，所述三氧化二铝和氧化锆的重量份比为1︰1～6，所述三氧化二铝和氧化锆的粒径为1～10nm。

再进一步地，所述金属氧化物包括氧化锌、氧化镍、三氧化二钇、氧化铜、二氧化钛和二氧化硅；所述氮化物为氮化钛、氮化硅和氮化硼，所述硼化物为硼化锆；所述稳定材料为氧化锌、氧化镍、氧化铜、三氧化二钇、二氧化钛、二氧化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼和硼化锆中任意三种以上；

所述金属氧化物、氮化物和硼化物的粒径为1～10nm。

再进一步地，所述增韧性乳液型粘结剂包括聚氟乙烯乳液和/纯丙乳液。

再进一步地，所述成膜助剂由水性分散剂、水性成膜剂、水性流平剂和水性螯合剂组成，所述水性分散剂、水性成膜剂、水性流平剂和水性螯合剂的重量份数比为1︰1︰1︰1。

本发明还提供了制备这种纳米水性陶瓷功能型复合涂料的方法，包括以下步骤：

1）按上述重量份比称取硅酸盐无机粘结剂、主填充料、稳定材料，增韧性乳液型粘结剂、成膜助剂和稀释剂，备用；

2）将硅酸盐无机粘结剂和稀释剂倒入容器中，在350～400r/min条件下度下搅拌10～20min，得到混合液；

3）将主填充料和稳定材料加入步骤2）得到的混合液中，在350～400r/min条件下度下搅拌50～60min；

4）将增韧性乳液型粘结剂加入步骤3）得到的溶液中，在200～350r/min条件下度下搅拌30～50min；

5）将成膜助剂加入步骤4）得到的溶液中，在200～400r/min条件下度下搅拌15～20min，并调节pH，得到浆料；

6）用400～600目的纱网过滤步骤5）得到的浆料，得到复合涂料；

作为优选方案，向步骤2）中加入1～5份的碳粉、0.1～1份的氧化铁和1～3份的蒙脱土凝胶；向步骤6）中加入0.1～0.5份的消泡剂。

1、纳米级的理论基础

本发明的原料选用纳米材料从1-100nm小分子，复合纳米材料成膜后，印证了表面结构和界面效应原理，例如：纳米粒子的粒度越小，其表面积越大，表面原子比例也就越高。粒径为5nm时表面积为180/g，表面原子比例为50％；粒径2nm时，比表面积为450/g，表面原子比例为80％；当粒径为1nm时，其表面原子数占总数的99％。还有纳米量子尺度效应：当粒子尺寸降到最小值时,出现费米能级附近的电子能级由准连续变为不连续离散分布的现象。本发明利用纳米材料生产常温成膜达到高致密的功能型陶瓷涂料，可与钢铁，不锈钢、铜、铝、水泥、玻璃等多类基材产生渗透型附着力及具有特殊性能的高致密、超硬耐磨、抗石击、抗冲击性能好，高自洁等性能的涂料。

2、主填充料优点：

氧化锆（ZrO₂）作为结构陶瓷的主要填充料具有以下优点：

1）它具备优异的物理及化学稳定性，耐高温、耐磨、耐化学侵蚀而且导热系数与金属材料接近，作为配方设计的首先。而且，它常温力学性能优异，密度大，常温成膜达到单斜相时为5.65g/cm²，温度越高密度越大，特别是在加温的进程中，具有晶型转变特性，这种特性具有能提高材料强度和韧性的效果，并且纯氧化锆从室温到1170℃（单斜相）的过程中性能稳定。

2）它的导热系数低，200～1000℃时其导热系数为1.51～2.2ｗ/（m.k）。

3）绝缘体电阻率达到10¹³Ω.m。

4）热膨胀系数较高：常温为5～6×10^-6m/℃(与金属接近)。

5）耐热性，耐腐蚀性能优良。

3、其它材料的作用：

表1

原料	作用
		三氧化二铝：（Al₂O₃）	增韧
氧化锆（ZrO₂）	耐高温、增韧
		氧化锌：（ZnO）	提高耐磨温度
氧化镍：（NiO）	增强热震稳定性
		三氧化二钇：(Y₂O₃)	提高耐高温超耐磨及增强结构稳定
二氧化钛：（TiO₂）	增强稳定性
		二氧化硅（SiO₂）	增强稳定性
氮化钛（TiN）	填充料抗氧化、硬度高、导热
		氮化硅（Si₃N₄）	填充料硬度高、耐高温
硼化锆（ZrB）	增韧、填充料
		氮化硼（BN）	填充料超硬、导热
氧化铁（Fe₃O₄）	防锈
		蒙脱土凝胶	悬浮、增稠

如日本现在新造的桥梁或者是对旧桥梁进行维护，几乎全部使用高耐候性及具有自洁功能的氟碳涂料。日本在2005年制定的日本标准《铁路桥梁涂装及便览》中介绍的涂装体系如表1所示：

我国的铁道行业标准TB/T1527《铁路钢桥梁保护涂装》在2004年进行了修订，标准将氟碳涂料引入了钢桥保护体系。标准中涂层体系的第7套体系采用了氟碳面漆（表2），并规定了氟碳面漆的性能（表3）。该标准与日本标准的主要区别在于：该标准体系采用水性无机富锌底漆或特制环氧富锌涂料以及环氧中间涂层；而日本标准防腐底漆也采用无机富锌底漆，底漆则采用环氧树脂涂料，中间漆及面漆均采用氟碳涂料。

从以上国内外大型结构目前流行使用的氟碳涂料来看，它们的涂装体系一般也是采用无机富锌底漆及环氧树脂底漆涂料，中间漆及面漆均采用氟碳涂料。

美国的氟碳涂料产品应用到大型钢铁桥梁、体育场馆、储罐、气柜、管道等，以及电站、石油化工等需要耐候的场所，其更强调的是其优异的耐候性、耐盐雾性等；以本发明得到的复合涂料与氟碳涂料进行性能比较表4：

表4

性能指标	氟碳涂料	复合涂料
			硬度	5H	7～9H

耐高低温	-40～550℃	-45℃-800℃
			耐盐雾性	5000h	大于5000h
-45～800℃骤冷、骤热	/	30次不起皮、不起泡、不脱落

从表4中可看出，本发明的复合涂料的耐高低温性、耐冲击、耐盐雾性、硬度及在高温下的骤冷、骤热性等性能优异，比氟碳涂料更胜一筹。

本发明的有益效果在于：

本发明的涂料常温成膜，具有渗透型附着力（渗透力强、在高光洁度基材表面可直接涂饰，可实现底面合一的功能）、高致密、抗石击、抗冲击、耐高低温、超耐磨，耐洗刷和柔韧性好的特点：

1）在钢铁表面利用常温成膜形成高致密(5.1g/cm³)结构陶瓷涂料（薄膜）；

2）常温成膜固化后硬度达到7H（笔划法）超硬耐磨；

3）抗50cm的冲击，不龟裂，柔韧性可弯曲90度，不断裂，抗石击性能强；

4）具有定向凝固低温再结晶（550℃与钢铁表面）优异功能（再结晶后表面硬度达到9H（笔划法）；

5）耐高低温温差大，适应在-45～1200℃之间的恶劣环境，特别在在高温800～1000℃内骤冷、骤热30次不起皮、不起泡、不龟裂和不褪色；其耐盐雾大于5000h，耐人工老化2000h以上

6）应用中每道涂膜厚度可人工控制（5～75μm之间）；

7）绿色环保、无三废排放、易存放、易施工、物美价廉。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明一种纳米水性陶瓷功能型复合涂料，它的原料按重量份比计包括：10～35份的硅酸盐无机粘结剂、10～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，5～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和5～25份的水，其中：所述主填充料包括三氧化二铝和氧化锆，所述稳定材料为金属氧化物、氮化物和硼化物中任意一种或几种。

它的原料按重量份比计包括：15～25份的硅酸盐无机粘结剂、20～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，10～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和10～20份的水。

它的原料按重量份比计还包括1～5份的碳材料、0.1～1份的氧化铁、1～3份的蒙脱土凝胶和0.1～0.5份的消泡剂中任意一种或几种。

所述硅酸盐无机粘结剂为硅酸钾无机粘结剂、硅酸钠无机粘结剂和硅酸锂无机粘结剂中任意一种。

所述金属氧化物包括氧化锌、氧化镍、三氧化二钇、氧化铜、二氧化钛和二氧化硅；所述氮化物为氮化钛、氮化硅和氮化硼，所述硼化物为硼化锆；所述稳定材料为氧化锌、氧化镍、氧化铜、三氧化二钇、二氧化钛、二氧化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼和硼化锆中任意三种以上；

所述金属氧化物、氮化物和硼化物的粒径为1～10nm。

所述增韧性乳液型粘结剂包括聚氟乙烯乳液和/纯丙乳液。

所述成膜助剂由水性分散剂、水性成膜剂、水性流平剂和水性螯合剂组成，所述水性分散剂、水性成膜剂、水性流平剂和水性螯合剂的重量份数比为1︰1︰1︰1。

制备的所述纳米水性陶瓷功能型复合涂料的方法，包括以下步骤：

6）用400～600目的纱网过滤步骤5）得到的浆料，得到复合涂料

以上述配方和方法制备的得到的复合涂料与氟碳涂料进行性能比较表4：

表5

从表5中可看出，本发明的复合涂料的耐高低温性、耐冲击、耐盐雾性、硬度及在高温下的骤冷、骤热性等性能优异，比氟碳涂料更胜一筹。

以下为复合涂料原料配比表6：

表6为复合涂料原料配比表

表6复合涂料原料配比表

上述原料都购于市面，上述水性分散剂的型号为：AD-310T/TH904/SILCO，水性成膜剂型号为：AD-320T/PPH-5009/CRH，水性流平剂（AD-330H/BYK333/AC-805）实施例2～7的原料的粒径属于1～10nm。

上述实施例的制备方法如下，包括以下步骤：

2）将硅酸盐无机粘结剂、稀释剂、碳粉、氧化铁和蒙脱土凝胶。倒入容器中，在350～400r/min条件下度下搅拌10～20min，得到混合液；

6）用400～600目的纱网过滤步骤5）得到的浆料，加入份的消泡剂，得到复合涂料

表7：对实施例1～7进行对比检测

表7

通过表7可知：本实施例制备方法得到的复合涂料的耐高低温性、耐冲击、耐盐雾性、硬度及在高温下的骤冷、骤热性等性能优异，其中，实施例6的效果最好。

Claims

1.一种纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：它的原料按重量份比计包括：10～35份的硅酸盐无机粘结剂、10～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，5～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和5～25份的水，其中：所述主填充料包括三氧化二铝和氧化锆，所述稳定材料为金属氧化物、氮化物和硼化物中任意一种或几种。

2.根据权利要求1所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：它的原料按重量份比计包括：15～25份的硅酸盐无机粘结剂、20～35份的主填充料、2～10份的稳定材料，10～20份的增韧性乳液型粘结剂、3～10份的成膜助剂和10～20份的水。

3.根据权利要求1或2所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：它的原料按重量份比计还包括1～5份的碳材料、0.1～1份的氧化铁、1～3份的蒙脱土凝胶和0.1～0.5份的消泡剂中任意一种或几种。

4.根据权利要求3所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：所述硅酸盐无机粘结剂为硅酸钾无机粘结剂、硅酸钠无机粘结剂和硅酸锂无机粘结剂中任意一种。

5.根据权利要求4所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：所述三氧化二铝和氧化锆的重量份比为1︰1～6，所述三氧化二铝和氧化锆的粒径为1～10nm。

6.根据权利要求4所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：所述金属氧化物包括氧化锌、氧化镍、三氧化二钇、氧化铜、二氧化钛和二氧化硅；所述氮化物为氮化钛、氮化硅和氮化硼，所述硼化物为硼化锆；所述稳定材料为氧化锌、氧化镍、氧化铜、三氧化二钇、二氧化钛、二氧化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼和硼化锆中任意三种以上；

所述金属氧化物、氮化物和硼化物的粒径为1～10nm。

7.根据权利要求4所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：所述增韧性乳液型粘结剂包括聚氟乙烯乳液和/纯丙乳液。

8.根据权利要求4所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料，其特征在于：所述成膜助剂由水性分散剂、水性成膜剂、水性流平剂和水性螯合剂组成，所述水性分散剂、水性成膜剂、水性流平剂和水性螯合剂的重量份数比为1︰1︰1︰1。

9.制备上述权利要求1-8中任一权利要求所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

6）用400～600目的纱网过滤步骤5）得到的浆料，得到复合涂料。

10.根据权利要求9所述的纳米水性陶瓷功能型复合涂料制备方法，其特征在于：向步骤2）中加入1～5份的碳粉、0.1～1份的氧化铁和1～3份的蒙脱土凝胶；向步骤6）中加入0.1～0.5份的消泡剂。