无铬皮膜剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理剂领域,更具体的说,涉及一种无铬皮膜剂及其制备方法。
背景技术
众所周知,六价铬会对环境造成严重的污染。其对人体的毒害性也相当高,高浓度的六价铬溶液,半汤匙(约2毫升)即可导致人体死亡。大多数含有六价铬的产品对皮肤,眼睛和黏膜具有刺激性,它还会影响伤口的愈合。 从职业健康角度来说 ,在高浓度六价铬雾气中工作的工人得呼吸道癌症的几率比较大。正因为这三大原因,欧美国家从70 年代开始就进行了无铬替代的研究,并且越来越多的行业被禁止在前处理步骤中使用有铬工艺。
中国专利CN 103254782A公开了一种耐腐蚀的金属表面硅烷处理剂,它是由下列组分配制而成的混合液,每升混合液中各组分的重量份(克)为:N-(β- 氨乙基)-γ- 氨丙基三甲氧基硅烷60-65、甲基苯骈三氮唑1-2、乙二醇6-8、丁二酸二异辛酯磺酸钠3-4、氯化铵2-3、氟锆酸铵1-2、成膜助剂2-4、剩余的为水;该专利生产的耐腐蚀的金属表面硅烷处理剂处理过程不产生沉渣,处理时间段,控制简便,无有害重金属离子,安全环保,与金属表面形成的硅烷涂层具有优异的耐腐蚀性能,延长了金属的使用寿命。但该专利存在如下缺点:N-(β- 氨乙基)-γ- 氨丙基三甲氧基硅烷在配方组成中占比重过大,造成产品的成本过高,造成市场竞争力下降,客户满意度下降。
中国专利CN 103254783A公开了一种一种水性表面处理剂,它是由下列组分配制而成的混合液,每升混合液中各组分的重量份(克)为:氨基丙基三乙氧基硅烷30-40、N- 苯基-3- 氨基丙基三甲氧基硅烷10-20、氟锆酸铵1-2、羟乙基纤维素2-4、单氟磷酸钠2-3、1,4- 环己烷二甲醇6-8、成膜助剂2-4、剩余的为水;该水性表面处理剂处理过程不产生沉渣,处理时间段,控制简便,无有害重金属离子,安全环保,与金属表面形成的硅烷涂层具有优异的耐腐蚀性能,延长了金属的使用寿命。但该专利存在如下缺点:氨基丙基三乙氧基硅烷和N- 苯基-3- 氨基丙基三甲氧基硅烷在配方组成中占比重过大,造成产品的成本过高,造成市场竞争力下降,客户满意度下降。
中国专利CN103409762A公开了一种金属清洁剂及其制备方法。由以下重量份计的原料;十二烷基苯磺酸钠8-10 份、碳酸氢钠2-6 份、碳酸镁10-12 份、磷酸三钠4-6 份、氯氧化锆2-9 份、硬脂酸丁酯5-10份、丙二醇10-15 份、环氧乙烷20-22 份、过氧化锌10-20 份、水30-40 份。该金属清洁剂可轻松的去除金属表面等难以去除的污垢,金属清洗后暴露在空气中,能够保持30 天不生锈,而且成本低。但该专利存在如下缺点:该配方属于碱性配方,不能在金属表面形成致密膜层,只能形成防锈水膜,因此不能进行水洗,远达不到工艺的要求。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的不足,提供一种无铬皮膜剂,本无铬皮膜剂不含铬离子,具有处理时间短、沉渣极少、结晶致密、槽液稳定、易于管理等特点,特别适用于铝及铝合金涂装前的表面处理,可通过喷淋或浸泡方式在铝表面形成一层无色的耐腐蚀钝化层,大大提高涂层与基体的附着力和耐蚀性。
本发明的目的之二在于提供上述无铬皮膜剂的制备方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种无铬皮膜剂,以质量百分比计,由以下原料制成:
氟锆酸2-6%,复配硅烷偶联剂1.7-6.7%,氯氧化锆0.8-1.5%,柠檬酸 0.5-1%,余量为水。
其中复配硅烷偶联剂为两种硅烷偶联剂复配,硅烷偶联剂A 用量为1.5-6%,硅烷偶联剂B用量为0.2-0.7%,所述硅烷偶联剂A为氨基乙氧基硅烷,所述硅烷偶联剂B为甲氧基硅烷。
其中所述的氟锆酸优选2-5%;所述硅烷偶联剂A优选 2-5%;硅烷偶联剂B优选0.3-0.6%;所述氯氧化锆优选0.8-1.2%。
其中所述的硅烷偶联剂A优选3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550), 硅烷偶联剂B优选γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)。
本发明优选的技术方案为:一种无铬皮膜剂,以质量百分比计,由以下原料制成:氟锆酸2%,3-氨基丙基三乙氧基硅烷5%,γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷0.3%,氯氧化锆0.8%,柠檬酸 0.5%,水91.4 %。
本发明无铬皮膜剂的制备方法,依次包括如下步骤:
(1)往反应釜中加入水;
(2)在反应釜中加入硅烷偶联剂A,进行搅拌直至硅烷偶联剂完全水解;
(3)在反应釜中加入硅烷偶联剂B,进行搅拌,直至硅烷偶联剂完全水解;
(4)往反应釜中加入氟锆酸,搅拌均匀,并使溶液澄清;
(5)往反应釜中加入氯氧化锆,搅拌均匀,并使溶液澄清;
(6)往反应釜中加入柠檬酸,搅拌均匀,并使溶液澄清。
其中所述步骤(2)、步骤(3)中的搅拌时间为7-9小时;步骤(4)中的搅拌时间为0.5-1.5小时;步骤(5)中的搅拌时间为0.5-1.5小时;步骤(6)中的搅拌时间为20-40分钟。
本发明的主要工作原理如下:
硅烷水解产物中的-Si-OH基团与金属表面Me-OH基团形成氢键,快速吸附于金属表面。
(RO)3—Si—R‵﹢3H2O→(OH)3—Si—R‵﹢3ROH
在干燥过程中,-Si-OH基团和Me-OH基团进一步凝聚,在界面上生成Si—O—Me共价键。
-Si-OH(溶液)﹢Me-OH(金属表面)→Si-O-Me﹢H2O
剩余的硅烷分子则通过-Si-OH基团之间的凝聚反应在金属表面上形成具有Si-O-Si三维网状结构的有机膜,3HO-Si-R‵→R‵(OH)2Si-O-Si(OH)2R‵﹢H2O。
Si-O-Si三维网状结构的有机膜具有良好封闭性能,阻止基体被大气腐蚀,同时Si-O-Si三维网状结构的有机膜与漆层的配套性极佳。
本发明无铬皮膜剂使用方法如下:
①开槽方法(以1000L为例)
(1)在槽中注入3/4体积水,最好使用去离子水或自来水。假如没有去离子水,要保证使用的自来水中,钙离子浓度小于100ppm,镁离子浓度小于90ppm,并且水的电导率小于350μs/cm;
(2)加入适量的无铬皮膜剂,搅拌均匀;
(3)加清水至1000L;调整pH值至规定范围。
②处理条件
本发明无铬皮膜剂可以采用浸泡或者喷淋的方式处理金属表面,处理条件见表1。
表1无铬皮膜剂处理金属的控制条件
③维护与调整
(1)每4小时测定游离酸值,及时补充药剂至规定范围,调整液面至80%液位;
(2)每吨槽液加无铬皮膜剂约10.5kg可升高游离酸度1点;
(3)定期清理沉渣,槽液更换视生产情况而定。
④检测试剂与仪器
1.指示剂:溴酚蓝 2. pH酸度计 3. 50ml移液管
4. 250ml锥形瓶 5.50ml滴定管 6.滴定液:0.1N NaOH溶液
⑤检验方法
(1)pH值:使用标定过(在pH=4和pH=7)的pH计或精密试纸测定pH值;
(2)游离酸度:用移液管取100毫升处理液到250毫升锥形瓶中,加3-5滴溴酚蓝指示剂,用0.1N氢氧化钠标准溶液滴至液体由淡黄色变淡蓝色,所需的氢氧化钠毫升数即为游离酸度点数。
本发明无铬皮膜剂的有益效果如下:不含铬离子,具有处理时间短、沉渣极少、结晶致密、槽液稳定、易于管理等特点,特别适用于铝及铝合金涂装前的表面处理,可通过喷淋或浸泡方式在铝表面形成一层无色的耐腐蚀钝化层,大大提高涂层与基体的附着力和耐蚀性。
具体实施方式
实施例1
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸20Kg,硅烷偶联剂(KH-550)20 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)3 Kg,氯氧化锆8 Kg,柠檬酸 5 Kg,水944 Kg。
其制备方法依次包括如下步骤:
(1)往反应釜中加入水;
(2)在反应釜中加入硅烷偶联剂KH-550,进行搅拌直至硅烷偶联剂完全水解,搅拌时间为7-9小时;
(3)在反应釜中加入硅烷偶联剂KH-560,进行搅拌,直至硅烷偶联剂完全水解,搅拌时间为7-9小时;
(4)往反应釜中加入氟锆酸,搅拌均匀,并使溶液澄清,搅拌时间为0.5-1.5小时;
(5)往反应釜中加入氯氧化锆,搅拌均匀,并使溶液澄清,搅拌时间为0.5-1.5小时;
(6)往反应釜中加入柠檬酸,搅拌均匀,并使溶液澄清,搅拌时间为20-40分钟。
(7)将产品进行理化指标检测,包装入库。
该实施例的使用方法(以配置1000L溶液为例)如下:
(1)在槽中注入3/4体积水去离子水;
(2)加入50公斤 的无铬皮膜剂,搅拌均匀;
(3)加水至1000L;无需加温,调整pH值至3.0-4.5;
(4)采用浸泡的方式处理金属表面。
实施例2
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸20Kg,硅烷偶联剂(KH-550)50 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)3 Kg,氯氧化锆8 Kg,柠檬酸 5 Kg,水914 Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
实施例3
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸40Kg,硅烷偶联剂(KH-550)30 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)5 Kg,氯氧化锆10 Kg,柠檬酸 7Kg,水908 Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
制备方法同实施例1。
实施例4
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸30Kg,硅烷偶联剂(KH-550)20 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)4 Kg,氯氧化锆9 Kg,柠檬酸 6 Kg,水931 Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
实施例5
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸50Kg,硅烷偶联剂(KH-550)30 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)6 Kg,氯氧化锆10 Kg,柠檬酸 7 Kg,水897 Kg。
实施例6
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸40Kg,硅烷偶联剂(KH-550) 20 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)5 Kg,氯氧化锆10 Kg,柠檬酸 8 Kg,水917Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
实施例7
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸40Kg,硅烷偶联剂(KH-550) 25 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)6Kg,氯氧化锆11 Kg,柠檬酸 9Kg,水909Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
实施例8
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸35Kg,硅烷偶联剂(KH-550) 25 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)5Kg,氯氧化锆11 Kg,柠檬酸 9Kg,水915Kg。
实施例9
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸35Kg,硅烷偶联剂(KH-550) 30 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)5Kg,氯氧化锆11 Kg,柠檬酸 6Kg,水913Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
实施例10
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸45Kg,硅烷偶联剂(KH-550) 30 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)6Kg,氯氧化锆15 Kg,柠檬酸 9Kg,水895Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
实施例11
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸45Kg,硅烷偶联剂(KH-550) 30 Kg,硅烷偶联剂(KH-560)5Kg,氯氧化锆15 Kg,柠檬酸 9Kg,水896Kg。
制备方法及使用方法同实施例1。
对比例1
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸40Kg,硅烷偶联剂(KH-550)35 Kg,氯氧化锆10 Kg,柠檬酸 7Kg,水908 Kg。
制备方法在实施例1的基础上省略步骤(3),使用方法同实施例1。
对比例2
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸40Kg,硅烷偶联剂(KH-560)35 Kg,氯氧化锆10 Kg,柠檬酸 7Kg,水908 Kg。
制备方法在实施例1的基础上省略步骤(2),使用方法同实施例1。
对比例3
每1000Kg无铬皮膜剂,由以下原料制成:
氟锆酸40Kg,N- 苯基-3- 氨基丙基三甲氧基硅烷30 Kg,
硅烷偶联剂(KH-560)5 Kg,氯氧化锆10 Kg,柠檬酸 7Kg,水908 Kg。
制备方法同实施例1,步骤(2)中的硅烷偶联剂KH-550换为N- 苯基-3- 氨基丙基三甲氧基硅烷,使用方法同实施例1。
本发明实施例1-11及对比例1-3的配方见表2(以1000Kg硅烷表面处理剂计算)。
实施例1-7的配方见表2,实施例8-11及对比例1-3的配方见表3。
表2实施例1-7的配方
原料 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
实施例5 |
实施例6 |
实施例7 |
氟锆酸 |
20 |
20 |
40 |
30 |
50 |
40 |
40 |
KH-550 |
20 |
50 |
30 |
20 |
30 |
20 |
25 |
KH-560 |
3 |
3 |
5 |
4 |
6 |
5 |
6 |
N- 苯基-3-
氨基丙基三甲氧基硅烷 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
氯氧化锆 |
8 |
8 |
10 |
9 |
10 |
10 |
11 |
柠檬酸 |
5 |
5 |
7 |
6 |
7 |
8 |
9 |
水 |
944 |
914 |
908 |
931 |
897 |
917 |
909 |
表3实施例8-11及对比例1-3的配方
原料 |
实施例8 |
实施例9 |
实施例10 |
实施例11 |
对比例1 |
对比例2 |
对比例3 |
氟锆酸 |
35 |
35 |
45 |
45 |
40 |
40 |
40 |
KH-550 |
25 |
30 |
30 |
30 |
35 |
- |
- |
KH-560 |
5 |
5 |
6 |
5 |
- |
35 |
5 |
N- 苯基-3-
氨基丙基三甲氧基硅烷 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
30 |
氯氧化锆 |
11 |
11 |
15 |
15 |
10 |
10 |
10 |
柠檬酸 |
9 |
6 |
9 |
9 |
7 |
7 |
7 |
水 |
915 |
913 |
895 |
896 |
908 |
908 |
908 |
本发明实施例1-7的使用效果见表4,实施例,8-11及对比例1-3的使用效果见表5。
表4实施例1-7的使用效果
项目 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
实施例5 |
实施例6 |
实施例7 |
处理时间 |
60S |
60S |
60S |
60S |
60S |
60S |
60S |
使用温度 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
皮膜
耐硫酸铜点滴试验 |
21S |
32S |
28S |
22S |
29S |
22S |
28S |
皮膜中性盐雾试验 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
漆膜附着力等级 |
1级 |
0级 |
1级 |
1级 |
1级 |
1级 |
1级 |
漆膜中性盐雾试验 |
400h |
500h |
450h |
400h |
450h |
400h |
450h |
表5实施例8-11及对比例1-3的使用效果
项目 |
实施例8 |
实施例9 |
实施例10 |
实施例11 |
对比例1 |
对比例2 |
对比例3 |
处理时间 |
60S |
60S |
60S |
60S |
60S |
60S |
60S |
使用温度 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
常温 |
皮膜
耐硫酸铜点滴试验 |
28S |
28S |
29S |
28S |
18S |
21S |
15S |
皮膜中性盐雾试验 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
2小时 |
1小时 |
1小时 |
1小时 |
漆膜附着力等级 |
1级 |
1级 |
1级 |
1级 |
1级 |
1级 |
1级 |
漆膜中性盐雾试验 |
450h |
450h |
450h |
450h |
400h |
400h |
400h |
从表4,表5可以看出本发明中使用实施例2的效果为最佳,各项性能指标都可达国家标准,可应用在实际现场工艺中。通过对比例可以看出,KH550与KH560相互配合使用的情况下,可以使得金属表面处理效果最佳,单独使用时效果下降很多。
表4,表5中对比项目的测试方法如下:
皮膜耐硫酸铜点滴试验: 根据国家航空工业HB 5063-1996标准进行测试;
皮膜中性盐雾试验: 根据GB 10125-1997人造气氛腐蚀试验 盐雾试验标准进行测试;
漆膜附着力等级:根据GB 9286-1998 色漆和清漆 漆膜的划格试验标准进行测试。
以上内容描述了本发明的基本原理和主要特征,本发明不受上述实施例的限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。