CN103938199A - 无铬皮膜剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属表面处理剂领域,涉及一种无铬皮膜剂及其制备方法,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。本发明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。

Description

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
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
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。

Claims (9)

1. 一种无铬皮膜剂,其特征在于以质量百分比计,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;
所述复配硅烷偶联剂为两种硅烷偶联剂复配,其中硅烷偶联剂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。
2. 根据权利要求1所述的无铬皮膜剂,其特征在于所述的氟锆酸用量为2-5%。
3.根据权利要求1所述的无铬皮膜剂,其特征在于所述的硅烷偶联剂A用量为2-5%。
4. 根据权利要求1所述的无铬皮膜剂,其特征在于所述的硅烷偶联剂B用量为 0.3-0.6%。
5.根据权利要求1所述的无铬皮膜剂,其特征在于所述的氯氧化锆用量为0.8-1.2%。
6. 根据权利要求1所述的无铬皮膜剂,其特征在于所述的硅烷偶联剂A为3-氨基丙基三乙氧基硅烷,所述的硅烷偶联剂B为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
7. 根据权利要求1所述的无铬皮膜剂,其特征在于以质量百分比计,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 %。
8.根据权利要求1所述无铬皮膜剂的制备方法,其特征在于依次包括如下步骤:
(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。
9. 根据权利要求8所述无铬皮膜剂的制备方法,其特征在于所述步骤(2)、步骤(3)中的搅拌时间均为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。
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