CN104060272A - 一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料，按质量百分比组成如下：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％。本发明是在传统金属材料表面形成致密的、具有优异保护性内锈层；在加速金属材料结构稳定性锈层形成的基础上形成耐环境腐蚀的、具有稳定的内锈层，具有非常高的耐腐蚀的能力而且不需要重复维护；以硫酸铬为主的改性剂，能使改性涂料内锈层生成具有非晶、纳米晶的铬代羟基铁铬长久性耐蚀层，实现内锈层的自修复功能。

Description

一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐蚀涂料及其制备方法，特别是涉及钢结构表面耐腐蚀涂料，根据对金属材料腐蚀成膜的机理，应用电化学反应的原理，在涂敷后自然条件下与金属材料表面发生电化学反应，形成致密耐蚀的非晶、纳米晶内锈层，如果内锈层被划伤破坏，根据化学和电化学反应原理还能生成新的致密非晶、纳米晶内锈层，实现致密内锈层的自修复功能，以达到长效耐蚀的目的。

背景技术

材料是国家建设与社会生存发展的物质基础，绝大部分材料在自然环境(大气、水、土壤)中使用，在环境与介质的作用下材料都会发生腐蚀或老化现象，最后导致材料失效。腐蚀与老化是一个漫长过程，往往不受到重视，一般来说，发达国家因材料腐蚀造成的损失占其GDP的4％左右。据中国工程院最近调查，我国由于腐蚀受到的直接、间接经济损失每年达5000亿元之巨，其中80％以上的损失是由自然环境腐蚀造成的。同时腐蚀产物和报损的材料与制品对自然环境也带来了严重的影响。因此世界各国都高度重视材料及其制品服役过程中环境适应性的研究，积极开展材料在典型自然环境中的腐蚀数据积累和试验研究，掌握各类材料在自然环境中的腐蚀行为与规律，这对于控制材料的环境腐蚀，减少经济损失具有十分重要的意义。腐蚀过程和结果实际造成了地球有限资源和能源的极大浪费，对自然环境污染严重，尤其是当前国家高速发展过程中对基础实施的大量投入，像高速铁路、跨海大桥、码头集装箱、西气东输、南水北调、风力发电、海上平台等都必须对金属结构件进行涂装。

我国疆域辽阔，自然环境复杂，南北分布在7个气候带上，有7中典型大气环境(农村、城市、工业、海洋、高原、沙漠、热带雨林)；五大水系(黄河、长江、珠江、松花江和淮河)；4个海域(渤海、黄海、东海和南海)以及40多种土壤类型。这对钢结构的防腐涂层提出了更为苛刻的要求，这些普通的防腐涂层是难以胜任的。一般防腐涂层2～3年便要维修一次，涂装工艺也较为复杂，由此带来的经济和社会成本非常之高。当前采用涂料防腐的基本原理是使金属结构件表面隔离潮湿空气，但普通涂料与基体的结合力是分子之间的结合，涂层与基体不发生电化学反应，因此当前采用的涂料与基体的结合力差。

CN102784598A本发明涉及一种用于金属板长效防腐的自修复纳米复合溶胶的制备方法。无机瓷膜涂层耐腐蚀时间(耐盐雾测试时间)可延长30％，但需经过高温固化，不适合大规模涂敷。

CN102633471A本发明涉及一种用于混凝土结构用钢材防护与修复的绿色环保涂层及其制备方法，该涂层是由有机阻锈剂、赋予水泥基材料韧性和防水密封功能的热塑性或热固性树脂、水泥、表面活性剂、超细纤维及水组分复合而成。该技术方案适用于长期暴露在外的钢材表面防护和高耐久性混凝土结构用钢筋的表面涂覆防护，但其耐蚀能力还有待提升。

CN101629030本发明提供一种高耐候性、自修复性涂层，是将单体光固化树脂添加到涂料体系中，分散均匀后喷涂或刷涂成膜，得到具有较高耐候性和自修复性能的涂层。利用太阳光的紫外光和空气中氧气的共同作用，以光固化树脂吸收部分紫外光而延缓涂层老化，同时利用导致涂层老化的紫外光作为激发信号，促使涂层中添加的光固化树脂的涂层表层发生光固化反应形成新涂层，阻止涂层的老化破坏，提高耐候性并实现涂层的自修复，其实现表层的修复，而不是涂层和基体界面的修复，对涂层抗老化性有一定提升，但对抗腐蚀性能不一定有改善。

CN101613543本发明公开了一种金属表面缓蚀和自修复涂层。利用聚电解质自组装膜的渗透可控性，采用层层自组装技术，通过绿色环保型金属缓蚀剂小分子与聚电解质在二氧化硅纳米粒子表面，将缓蚀剂分子与聚电解质交替沉积，制得表面包覆缓蚀剂与聚电解质自组装复合膜的功能性纳米粒子；制备完成的功能性纳米粒子与溶胶-凝胶混合，制成功能性溶胶-涂胶涂覆于待保护金属表面。但是溶胶-凝胶法受条件限制不能够实现大面积复杂结构的金属表面施工。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料的制备方法。

为了实现上述的发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料，按质量百分比组成如下：

A组分：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％；

B组分：拜耳N3390三聚体固化剂(NCO含量＝19.6±0.3％；固含量＝90±1％)；

A、B组分的使用配比按以上数学公式计算：

式中：

OH值—PU含羟基树脂羟值，mgKOH/g

561—常数

42—NCO当量

100—PU含羟基树脂设定固体量。

聚脲基体树脂中的NH当量(g/mol)换算成OH(％)含量，1NH当量相当于0.022的OH％含量。

如纳米有机钛基体聚脲树脂的NH当量≈280(mol)，即280×0.022＝6.16％(OH)。羟值＝羟基含量×33＝6.16×33＝203.28，代入上述公式，得

即100g纳米有机钛基体聚脲树脂需要约N3390固化剂77g。

所述涂料与钢铁底材反应后的改性涂料内锈层生成具有非晶、纳米晶的铬代羟基铁铬α-(Fe_1-xCr_x)OOH长久性耐蚀层。

一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料的制备方法，

S1、根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制；

S2、将配制好的混合物进行分散、球磨、过滤；

S3、将过滤后的产品检测后分装，最后添加固化剂即可使用。

本发明的有益效果是，

1、本发明是在传统金属材料表面形成致密的、具有优异保护性内锈层；

2、在加速金属材料结构稳定性锈层形成的基础上形成耐环境腐蚀的、具有稳定的内锈层，该锈层是通过改性涂料与金属材料基体发生电化学所得到，如果人为划伤破坏内锈层后，涂层内又会通过化学、电化学反应生成新的非晶、纳米晶致密内锈层，具有自修复功能。由于基体和内锈层是电化学反应产物，因此它们融为一体，结合力远大于范德华分子结合力，同时具有非常高的耐腐蚀的能力而且不需要重复维护。

3、以硫酸铬为主的改性剂，能使改性涂料内锈层生成具有非晶、纳米晶的铬代羟基铁铬长久性耐蚀层，实现内锈层的自修复功能。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

按质量百分比组成如下：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％。根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制，然后分散，球磨，过滤，检测后分装，最后添加固化剂即可使用。

喷涂前钢结构采用喷丸处理到Sa2.5级，钢材表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和涂层等附着物，任何残留的痕迹仅是点状或条纹状的轻微色斑；喷涂温度在5～40℃之间，相对湿度不高于85％，根据工况需要可进行多次喷涂达到要求厚度。

实施例2

按质量百分比组成如下：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％。根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制，然后分散，球磨，过滤，检测后分装，最后添加固化剂即可使用。

喷涂工艺如实施例1。

实施例3

按质量百分比组成如下：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％。根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制，然后分散，球磨，过滤，检测后分装，最后添加固化剂即可使用。

喷涂工艺如实施例1。

实施例4

按质量百分比组成如下：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％。根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制，然后分散，球磨，过滤，检测后分装，最后添加固化剂即可使用。

喷涂工艺如实施例1。

实施例5

按质量百分比组成如下：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％。根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制，然后分散，球磨，过滤，检测后分装，最后添加固化剂即可使用。

喷涂工艺如实施例1。

实施例涂料及涂层性能技术指标

注：实施例1至5，按上述统一标准执行。

经过试验，如上表所示，实施例产品主要性能指标：

1、耐盐雾实验高达1000h，无锈蚀，并且有自修复痕迹；

2、人工老化实验2000h后，变色二级，粉化一级。

综上，1、本发明是在传统金属材料表面形成致密的、具有优异保护性内锈层；

2、在加速金属材料结构稳定性锈层形成的基础上形成耐环境腐蚀的、具有稳定的内锈层，该锈层是通过改性涂料与金属材料基体发生电化学所得到，如果人为划伤破坏内锈层后，涂层内又会通过化学、电化学反应生成新的非晶、纳米晶致密内锈层，具有自修复功能。由于基体和内锈层是电化学反应产物，因此它们融为一体，结合力远大于范德华分子结合力，同时具有非常高的耐腐蚀的能力而且不需要重复维护。

3、以硫酸铬为主的改性剂，能使改性涂料内锈层生成具有非晶、纳米晶的铬代羟基铁铬α-(Fe_1-xCr_x)OOH长久性耐蚀层，实现内锈层的自修复功能。

要说明的是，以上所述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其他修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明要求的权利范围之内。

Claims (3)

1.一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料，其特征在于：按质量百分比组成如下：

A组分：硫酸铬2～10％、硫酸钡2～8％、磷酸锌0.1～2％、四氧化三铁0.5～5％、三氧化二铁0.1～2％、阿尔法羧基氧化铁0.5～4％、纳米碳酸钙3～7％、磷酸5～10％、蒙脱土0.5～3％、纳米有机钛基体聚脲树脂60～80％；

B组分：拜耳N3390三聚体固化剂(NCO含量＝19.6±0.3％；固含量＝90±1％)；

A、B组分的使用配比按以下数学公式计算：

式中：

OH值—PU含羟基树脂羟值，mgKOH/g

561—常数

42—NCO当量

100—PU含羟基树脂设定固体量。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料，其特征在于：所述涂料与钢铁底材反应后的改性涂料内锈层生成具有非晶、纳米晶的铬代羟基铁铬α-(Fe_1-xCr_x)OOH长久性耐蚀层。

3.一种钢结构用非晶、纳米晶自修复涂层及材料的制备方法，其特征在于：

S1、根据产品的使用要求计算出的各主料成分质量分数进行配制；

S2、将配制好的混合物进行分散、球磨、过滤；

S3、将过滤后的产品检测后分装，最后添加固化剂即可使用。