CN103788734A - 一种水性无机富锌涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水性无机富锌涂料及其制备方法。该富锌涂料采用在低模数的硅酸钾溶液中滴加铝改性硅溶胶而得到的高模数硅酸钾溶液为粘结剂，并且在其中添加催化剂、硅氧烷低聚物、改性剂使该高模数硅酸钾溶液粒径分布均匀、长时间不发生凝胶化反应，当该高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物搅匀后所得到的富锌涂料具有涂层各部分反应速率均匀，不发生应力集中的优点。实验证实，本发明的富锌涂料50℃储存90天不凝胶；一次性成膜厚度可达200μm，不开裂、崩皮；钢铁表面处理等级达到Sa2即可施工；涂层耐盐雾性达10000小时。

Description

一种水性无机富锌涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种富锌涂料，特别涉及一种以改性钾水玻璃为主要粘结剂的水性无机富锌涂料及其制备方法。 

背景技术

水性无机富锌涂料采用高模数硅酸盐为主要粘结剂，硅酸盐与锌粉在一定条件下反应交联成膜。由于锌的标准电位较钢铁低，腐蚀介质渗入时，钢铁与锌粉形成原电池，锌粉作为原电池的负极失去电子，钢铁作为正极得到电子而获得保护。另外，溶解出来的锌离子与腐蚀介质中的阴离子结合而形成碱式锌盐和锌铁复盐，它们填满涂膜的裂缝，而达到隔离防锈的目的。因此，水性无机富锌底漆以其独特的保护机理、优异的防腐性能，同时具有零挥发性有机化合物（VOC）排放、配套性良好和价格合理而被广泛应用，成为建筑钢结构等基体的主要底漆。 

但是，由于高模数硅酸盐水性无机富锌涂料液料组分在制备过程中易出现粒径分布不均，稳定性差等问题，导致涂料在储存过程中出现凝胶化现象，无法施工。同时，该涂料在施工固化后涂层易出现韧性不佳、龟裂、崩皮，早期耐水性差等弊病，在低表面处理钢材等基体表面，上述涂层问题更易发生。因此，有必要改善水性无机富锌涂料的制备工艺，克服上述缺陷，提高涂层的物理机械性能和施工性能。 

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对上述水性无机富锌涂料的不足，提供一种高性能水性无机富锌涂料，该涂料储存稳定性佳、涂层成膜完整、涂层早期耐水性优，并且能够在钢材等基体低表面处理情况下进行施工。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高性能水性无机富锌涂料，由高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物按照质量比1:2.0～1:3.8 共混搅匀而成；按照质量百分比计，所述的高模数硅酸钾溶液包括如下组分： 

硅酸钾水溶液12%～28% 

铝改性硅溶胶45%～65% 

水13%～18% 

催化剂0.5%～3.2% 

硅氧烷低聚物0.2%～5.7% 

改性剂0.2%～4.6% 

硅丙乳液3.2%～6.7% 

所述的硅酸钾水溶液中，硅酸钾的质量百分比浓度为0.5%～30%；所述的锌粉混合物是锌粉、硬化剂、流变助剂与填料的混合物。。 

上述技术方案中： 

以低模数的硅酸钾溶液为基础滴加铝改性硅溶胶，以制备高模数（10～20）硅酸钾溶液，作为富锌涂料的主要粘结剂。通过添加催化剂、硅氧烷低聚物、改性剂使制得的高模数硅酸钾溶液粒径分布均匀、长时间不发生凝胶化反应，同时与锌粉混合物反应时涂层各部分反应速率均匀，不发生应力集中现象。 

所述的铝改性硅溶胶可以选用市售产品，例如大连斯诺化学新材料科学技术有限公司生产的A-10型铝改性硅溶胶，铝改性硅溶胶中铝离子的摩尔含量优选为0.8%～1.2%。适量的铝离子作为稳定剂，作为胶体粒子的双电层组分，以提高体系稳定性。 

所述的催化剂包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、三甲基苄基氢氧化铵中的一种或几种。其主要作用是催化硅酸钾溶液与铝改性硅溶胶反应，提高反应后胶体粒子的均匀性。 

所述的硅氧烷低聚物包括双（1,2-三乙氧基硅基）乙烷、双（1,2-三甲氧基硅基）乙烷、环氧基硅氧烷低聚物中的一种或几种。其主要作用是稳定反应后形成的胶体粒子，同时促进漆膜附着力。 

所述及的改性剂包括八苯基笼型倍半硅氧烷、八氨基笼型倍半硅氧烷、八乙烯基笼型倍半硅氧烷、八环氧基笼型倍半硅氧烷纳米粒子中的一种或 几种。其作用是对胶体粒子起体积位阻稳定作用；同时对涂层产生分子级的增强作用，减少成膜时产生的应力，消除涂层易出现龟裂现象。 

为了进一步调节涂料粘度、提高涂料的流变性，优选在所述的高模数硅酸钾溶液中加入防沉剂，该防沉剂包括但不限于镁铝硅酸盐无机凝胶、羟乙基纤维素等中的一种，该防沉剂的质量百分比优选为0.1%～2.3%。 

所述的高模数硅酸钾溶液优选包括其他助剂，该其他助剂的质量比优选为0.1%～3.8%。该其他助剂包括但不限于成膜助剂、消泡剂、pH调节剂等中的一种或多种。 

所述的锌粉包括但不限于600～1000目的低铅锌粉（锌含量大于97%，杂质元素铅含量小于0.002%）。有害杂质含量极微，为环保锌粉。其主要作用是在涂层中起到牺牲阳极，对钢基材起防腐蚀作用。 

为了加快涂层的固化速度，锌粉混合物中包括硬化剂，该硬化剂占锌粉混合物的质量百分比优选为2.3%～4.5%。所述及的硬化剂包括但不限于碳酸锆钾、碳酸锆、碳酸锂、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或几种。其主要作用是在成膜过程中放出CO₂，促进碳酸盐的交联反应，提高漆膜的早期耐水性。 

为了进一步调节涂料粘度，防止锌粉沉降，锌粉混合物中包括流变助剂，该流变助剂占锌粉混合物的质量百分比优选为1.2%～3.5%，该流变助剂优选为脲醛-聚氨酯树脂。 

为了提高涂层柔韧性，抗开裂，锌粉混合物中包括填料，所述的填料包括硅化锆、碳化锆、氧化锆纤维、硅酸铝纤维、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、莫来石晶须、碳化硅晶须等中的一种或几种。该填料占锌粉混合物的质量百分比优选为4.3%～18.5%。 

本发明一种高性能水性无机富锌涂料可以通过常规的溶液共混法制备得到。本发明人经过大量实验发现，通过控制反应物的添加顺序，反应条件的控制，能够进一步提高涂料的性能，该制备方法包括如下步骤： 

步骤1、将钾水玻璃和水放入容器中搅拌均匀，加热升温至35℃～75℃，再加入催化剂，搅拌回流2h～4h后缓慢滴加铝改性硅溶胶，搅拌回流2h～4h，然后将体系温度降至25℃～35℃，依次缓慢滴入硅氧烷低聚物、改性 剂和硅丙乳液，反应完成后得到高模数硅酸钾溶液； 

步骤2、将步骤1得到的高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物混合均匀，即得到水性无机富锌涂料。 

综上所述，本发明在低模数的硅酸钾溶液中滴加铝改性硅溶胶，制得高模数硅酸钾溶液作为富锌涂料的粘结剂，并且在其中添加催化剂、硅氧烷低聚物、改性剂使该高模数硅酸钾溶液粒径分布均匀、长时间不发生凝胶化反应，因此该高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物共混搅匀后所得到的涂料具有涂层各部分反应速率均匀，不发生应力集中的优点。实验证实，本发明的富锌涂料50℃储存90天不凝胶；一次性成膜厚度可达200μm，不开裂、崩皮；钢铁表面处理等级达到Sa2即可施工；涂层耐盐雾性达10000小时。 

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 

实施例1： 

本实施例中，高性能水性无机富锌涂料由高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物按照质量比1:2.3共混搅匀而成；按照质量百分比计，该高模数硅酸钾溶液包括如下组分： 

硅酸钾溶液100kg 

水59.4kg 

铝改性硅溶胶197kg，其中铝离子的摩尔含量为0.8% 

催化剂：四甲基氢氧化铵4.6kg 

硅氧烷低聚物：双（1,2-三乙氧基硅基）乙烷6.05kg 

改性剂：八氨基笼型倍半硅氧烷10.7kg 

硅丙乳液14.25kg 

防沉剂：镁铝硅酸盐无机凝胶1.78kg 

消泡剂0.86kg 

该锌粉混合物包括如下组分： 

锌粉90kg 

硬化剂：碳酸锆钾3.7kg 

流变助剂：脲醛-聚氨酯树脂2kg 

填料：氧化锆纤维8kg。 

上述水性无机富锌涂料的制备方法包括如下步骤： 

（1）将100kg钾水玻璃和59.4kg水放入容器中搅拌均匀，加热升温至35℃～75℃，再加入4.6kg四甲基氢氧化铵，搅拌回流2h～4h后缓慢滴加197kg市售铝改性硅溶胶，搅拌回流2h～4h，然后将体系温度降至30℃，缓慢滴入6.05kg双（1,2-三乙氧基硅基）乙烷，搅拌1h～2h，接着缓慢加入10.7kg八氨基笼型倍半硅氧烷，搅拌0.5h～1h，再缓慢加入14.25kg硅丙乳液、1.78kg镁铝硅酸盐无机凝胶和0.86kg消泡剂，搅拌1h～2h，待反应完成后得到高模数硅酸钾溶液； 

（2）将90kg锌粉、3.7kg碳酸锆钾、2kg脲醛-聚氨酯树脂和8kg氧化锆纤维混合，制得锌粉混合物； 

（3）在容器中将步骤（1）得到的高模数硅酸钾溶液和步骤（2）得到的锌粉混合物按照质量比1:2.3混合均匀，即得到水性无机富锌涂料。 

对上述制得的水性无机富锌涂料进行性能测试，结果如下： 

实施例2： 

本实施例中，高性能水性无机富锌涂料由高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物按照质量比1:2.6共混搅匀而成；按照质量百分比计， 

该高模数硅酸钾溶液包括如下组分： 

硅酸钾溶液100kg 

水79kg 

铝改性硅溶胶295kg其中铝离子的摩尔含量为1.2% 

催化剂：四乙基氢氧化铵6.12kg 

硅氧烷低聚物：双（1,2-三甲氧基硅基）乙烷8.05kg 

改性剂：八环氧基笼型倍半硅氧烷14.22kg 

硅丙乳液18.98kg 

防沉剂：镁铝硅酸盐无机凝胶2.37kg 

消泡剂1.2kg 

该锌粉混合物包括如下组分： 

锌粉92kg 

硬化剂：碳酸锆钾2.7kg 

流变助剂：脲醛-聚氨酯树脂1.9kg 

填料：莫来石晶须9.5kg 

上述水性无机富锌涂料的制备方法包括如下步骤： 

（1）将100kg钾水玻璃和79kg水放入容器中搅拌均匀，加热升温至35℃～75℃，再加入6.12kg四乙基氢氧化铵，搅拌回流2h～4h后缓慢滴加295kg市售铝改性硅溶胶，搅拌回流2h～4h，然后将体系温度降至30℃，缓慢滴入8.05kg双（1,2-三甲氧基硅基）乙烷，搅拌1h～2h，接着缓慢加入14.22kg八环氧基笼型倍半硅氧烷，搅拌0.5h～1h，再缓慢加入18.98kg硅丙乳液、2.37kg镁铝硅酸盐无机凝胶和1.2kg消泡剂，搅拌1h～2h，待反应完成后得到高模数硅酸钾溶液； 

（2）将92kg锌粉、2.7kg碳酸锆钾、1.9kg脲醛-聚氨酯树脂和9.5kg莫来石晶须混合，制得锌粉混合物； 

（3）在容器中将步骤（1）得到的高模数硅酸钾溶液和步骤（2）得到 的锌粉混合物按照质量比1:2.6混合均匀，即得到水性无机富锌涂料。 

对上述制得的水性无机富锌涂料进行性能测试，结果如下： 

实施例3： 

本实施例中，高性能水性无机富锌涂料由高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物按照质量比1:3.5共混搅匀而成；按照质量百分比计，该高模数硅酸钾溶液包括如下组分： 

硅酸钾溶液100kg 

水115kg 

铝改性硅溶胶380kg其中铝离子的摩尔含量为1.2% 

催化剂：四乙基氢氧化铵8.18kg 

硅氧烷低聚物：双（1,2-三甲氧基硅基）乙烷10.25kg 

改性剂：八环氧基笼型倍半硅氧烷18.28kg 

硅丙乳液21.58kg 

防沉剂：镁铝硅酸盐无机凝胶2.15kg 

消泡剂1.4kg 

该锌粉混合物包括如下组分： 

锌粉88kg 

硬化剂：碳酸锆钾2.7kg 

流变助剂：脲醛-聚氨酯树脂1.8kg 

填料：莫来石晶须7.5kg 

上述水性无机富锌涂料的制备方法包括如下步骤： 

（1）将100kg钾水玻璃和115kg水放入容器中搅拌均匀，加热升温至35℃～75℃，再加入8.18kg四乙基氢氧化铵，搅拌回流2h～4h后缓慢滴加380kg市售铝改性硅溶胶，搅拌回流2h～4h，然后将体系温度降至30℃，缓慢滴入10.25kg双（1,2-三甲氧基硅基）乙烷，搅拌1h～2h，接着缓慢加入18.28kg八环氧基笼型倍半硅氧烷，搅拌0.5h～1h，再缓慢加入21.58kg硅丙乳液、2.15kg镁铝硅酸盐无机凝胶和1.4kg消泡剂，搅拌1h～2h，待反应完成后得到高模数硅酸钾溶液； 

（2）将88kg锌粉、2.7kg碳酸锆钾、1.8kg脲醛-聚氨酯树脂和7.5kg莫来石晶须混合，制得锌粉混合物； 

（3）在容器中将步骤（1）得到的高模数硅酸钾溶液和步骤（2）得到的锌粉混合物按照质量比1：3.5混合均匀，即得到水性无机富锌涂料。 

对上述制得的水性无机富锌涂料进行性能测试，结果如下： 

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (13)

1.一种水性无机富锌涂料，其特征是：由高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物按照质量比1:2.0～1:3.8共混搅匀而成；

按照质量百分比计，所述的高模数硅酸钾溶液包括如下组分：

硅酸钾水溶液12%～28%

铝改性硅溶胶45%～65%

水13%～18%

催化剂0.5%～3.2%

硅氧烷低聚物0.2%～5.7%

改性剂0.2%～4.6%

硅丙乳液3.2%～6.7%

所述的硅酸钾水溶液中，硅酸钾的质量百分比浓度为0.5%～30%；

所述的锌粉混合物是锌粉、硬化剂、流变助剂与填料的混合物。

2.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的高模数硅酸钾溶液的模数为3.0～3.8。

3.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的铝改性硅溶胶中铝离子的摩尔含量为0.8%～1.2%。

4.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的催化剂包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、三甲基苄基氢氧化铵中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的硅氧烷低聚物包括双（1,2-三乙氧基硅基）乙烷、双（1,2-三甲氧基硅基）乙烷、环氧基硅氧烷低聚物中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的改性剂包括八苯基笼型倍半硅氧烷、八氨基笼型倍半硅氧烷、八乙烯基笼型倍半硅氧烷、八环氧基笼型倍半硅氧烷纳米粒子中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的高模数硅酸钾溶液中还包括质量百分比为0.1%～2.3%的防沉剂。

8.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的高模数硅酸钾溶液中还包括质量百分比为0.1%～3.8%的其它助剂，所述的其它助剂包括成膜助剂、消泡剂、pH调节剂中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的锌粉混合物中硬化剂的质量百分含量为2.3%～4.5%，所述的硬化剂包括碳酸锆钾、碳酸锆、碳酸锂、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的锌粉混合物中流变助剂的质量百分含量为1.2%～3.5%。

11.根据权利要求10所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的流变助剂为脲醛-聚氨酯树脂。

12.根据权利要求1所述的水性无机富锌涂料，其特征是：所述的锌粉混合物中填料的质量百分含量为4.3%～18.5%，所述的填料包括硅化锆、碳化锆、氧化锆纤维、硅酸铝纤维、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、莫来石晶须、碳化硅晶须中的一种或多种。

13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的水性无机富锌涂料，其特征是：包括下述步骤：

步骤1、将硅酸钾水溶液和水放入容器中搅拌均匀，加热升温至35℃～75℃，再加入催化剂，搅拌回流2h～4h后缓慢滴加铝改性硅溶胶，搅拌回流2h～4h，然后将体系温度降至25℃～35℃，依次缓慢滴入硅氧烷低聚物、改性剂和硅丙乳液，反应完成后得到高模数硅酸钾溶液；

步骤2、将步骤1得到的高模数硅酸钾溶液与锌粉混合物共混搅拌均匀，即得到水性无机富锌涂料。