CN104177877B - 一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，该涂料使用电纺纳米二氧化硅纤维代替传统涂料中的球状二氧化硅填料，加入纳米二氧化硅纤维解决了传统无机涂料中柔韧性与耐高温性能不能兼具的问题，使得涂料在保持无机涂料耐高温性能的同时具备了柔韧性，提高了无机涂料的使用寿命。具体实施方案为：用静电纺丝装备制备纳米二氧化硅纤维作为涂料的填料，加入到以硅酸盐和硅溶胶作为粘结剂的混合溶液中，同时加入硅烷偶联剂和润湿分散剂等助剂改善涂料的性能，最后在此溶液中加入根据不同颜色需要配制的水分散好的颜料分散液即可值得所需的兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料。
Description
技术领域
本发明属于金属防腐蚀领域，适用于金属件需要弯折的领域，涉及保护金属的高性能涂料的制备方法，具体涉及一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料的制备方法。
背景技术
在工业生产领域，金属材料在使用过程中比较容易发生腐蚀，金属的腐蚀是非常严重的问题，给世界经济造成巨大损失。因此，制备高性能的防腐蚀涂料成为各国科学家们研究的重点问题。然而，经过长期的研究发现，涂料的柔韧性与耐高温性难以兼具，主要是因为无机涂料耐高温性强但却柔韧性差，有机涂料柔韧性强但却耐高温性差。专利号为CN200910134951.7的专利中提到了高性能无机涂料的制备方法，然而，其涂料虽然具备了耐高温性能，但是涂料的柔韧性较差。申请号为201110180301.3的专利中提到了制备物理强度高的有机涂料，但主要问题体现在它的耐热性能不高。因此，如何制备兼具耐高温性与柔韧性的涂料成为涂料工艺发展过程中的一大难题。本发明通过添加无机材料电纺纳米二氧化硅纤维使得涂料兼具柔韧性与耐高温性。由于电纺纳米二氧化硅纤维属于无机材料，因此其本身具有优良的耐高温性能。按断裂力学观点,加入纳米二氧化硅纤维即从材料的微观结构上设置裂纹扩展的障碍，因此涂料的柔韧性能够得到很大改善。
发明内容
本发明的目的在于克服无机涂料柔韧性差的问题，提供了一种添加电纺纳米二氧化硅纤维的制备方法，该方法提高了无机涂料的柔韧性，改善了涂料的性能。
其技术方案为：
一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，将5～25g硅溶胶加入到10～30g水中，搅拌5～25分钟，之后在搅拌的条件下加入30～50g硅酸钾搅拌5～25分钟，搅拌均匀即制得A液;取2～10g的电纺纳米二氧化硅纤维加入到10～30g水中，放在搅拌机上搅拌1～2h，然后加入3～5g的颜料粉和0.5～1.5g的润湿分散剂搅拌2～3h制得B液；将A、B液混合在一起，同时加入3～5ml硅烷偶联剂，放在搅拌机上搅拌3～5h即制得均匀的无机硅酸盐涂料。
进一步优选，所述硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、巯基硅烷偶联剂和甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂中的某一种或几种组合。
进一步优选，所述颜料粉为珠光颜料粉、珍珠颜料粉和滑石粉中的一种或几种组合。
进一步优选，所述硅酸钾模数为2.35～3.30。
进一步优选，所述硅溶胶粒径为5.0～22.5nm。
进一步优选，所用的电纺纳米二氧化硅纤维的长径比为15～45。
进一步优选，一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料进行金属件的涂覆工艺，其特征在于该工艺按以下步骤进行：
一、将金属件进行除油处理；具体是将金属件基体表面浸在60~80℃的化学除油液中浸泡3~5min；其中化学除油液是将30-~60g/L氢氧化钠、15~30g/L碳酸钠和20~35g/L磷酸三钠中的一种或几种加入水中得到的溶液；
二、将取代金属表面防护装饰性铜层的仿铜无机涂料涂在经步骤一处理的金属件表面，然后在温度为50～150℃的条件下烘干5～10min，在金属件表面得到干膜厚度为8～20微米的涂层。
进一步优选，所述的一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料进行金属件的涂覆工艺，其特征在于所述的金属件基体为铁、铝、锌或者镁合金中的某一种。
进一步优选，电纺二氧化硅纤维的制备工艺如下：分别称取2～5g正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇0.5～1.5g与冰醋酸0.5～1.5g混合，加入到0.5～1.5g胶状模板剂中，然后在常温下磁力搅拌5～15h，让TEOS充分水解成二氧化硅水溶液备用；将5～10gPVP溶解在DMSO与DMF的混合溶剂中，在磁力搅拌器上充分搅拌8～12h至形成均匀透明的白色液体；1～5g纳米二氧化硅粒子分散在2～5gDMF溶剂中磁力搅拌均匀；最后将这三种溶液混合搅拌2～5小时至成均匀液体，即为静电纺丝所用的纺丝液。然后用单轴静电纺丝装置制备电纺纳米二氧化硅纤维待用。
进一步优选，所述润湿分散剂为线型烷基酰胺类润湿分散剂、聚氨酯类润湿分散剂和接枝丙烯酸共聚物中的一种或几种组合。
与现有无机涂料相比，本制备方法制备的无机涂料的有益效果为：
本发明制备的无机涂料在相同条件下，保持了耐高温性能的同时柔韧性有了质的飞跃，提高了无机涂料的使用寿命。
附图说明
图1为传统的以球形二氧化硅为填料的无机硅酸盐涂料效果图（20倍）
图2为新型的以电纺纳米二氧化硅纤维为填料的无机硅酸盐涂料效果图（20倍）
图3为耐热性实验效果图（20倍）。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明的制备方法做进一步详细的说明。
实施例1
一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，分别称取2g正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇0.5g与冰醋酸0.5g混合，加入到0.5g胶状模板剂中，然后在常温下磁力搅拌5h，让TEOS充分水解成二氧化硅水溶液备用；将5gPVP溶解在DMSO与DMF的混合溶剂中，在磁力搅拌器上充分搅拌8h至形成均匀透明的白色液体；2g纳米二氧化硅粒子分散在2gDMF溶剂中磁力搅拌均匀；最后将这三种溶液混合搅拌2小时至成均匀液体，即为静电纺丝所用的纺丝液。然后用单轴静电纺丝装置制备长径比为15的电纺纳米二氧化硅纤维待用。将5g粒径为5nm的硅溶胶加入到10g水中，搅拌5分钟，之后在搅拌的条件下加入30g模数为2.35的硅酸钾搅拌5分钟，搅拌均匀即制得A液;取2g的电纺纳米二氧化硅纤维加入到10g水中，放在搅拌机上搅拌1h，然后加入3g的珠光颜料粉和0.5g的线型烷基酰胺类润湿分散剂，搅拌2h制得B液；将A、B液混合在一起，同时加入3ml氨基硅烷偶联剂，放在搅拌机上搅拌3h即制得均匀的无机硅酸盐涂料。将金属件进行化学除油处理，具体是将金属件基体表面浸在60℃的化学除油液中浸泡3min，其中金属件取铁片，化学除油液是将30g/L氢氧化钠、15g/L碳酸钠和20g/L磷酸三钠加入水中得到的溶液；将取代金属表面防护装饰性铜层的仿铜无机涂料涂在经步骤一处理的金属件表面，然后在温度为50℃的条件下烘干5min，在金属件表面得到干膜厚度为8微米的涂层。
实施例2
一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，分别称取3g正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇1g与冰醋酸1g混合，加入到1g胶状模板剂中，然后在常温下磁力搅拌10h，让TEOS充分水解成二氧化硅水溶液备用；将7gPVP溶解在DMSO与DMF的混合溶剂中，在磁力搅拌器上充分搅拌10h至形成均匀透明的白色液体；3g纳米二氧化硅粒子分散在4gDMF溶剂中磁力搅拌均匀；最后将这三种溶液混合搅拌3小时至成均匀液体，即为静电纺丝所用的纺丝液。然后用单轴静电纺丝装置制备长径比为20的电纺纳米二氧化硅纤维待用。将10g粒径为7nm的硅溶胶加入到15g水中，搅拌10分钟，之后在搅拌的条件下加入35g模数为2.5的硅酸钾搅拌10分钟，搅拌均匀即制得A液;取4g的电纺纳米二氧化硅纤维加入到15g水中，放在搅拌机上搅拌1h，然后加入4g的珍珠颜料粉和1.0g聚氨酯类润湿分散剂，搅拌2h制得B液；将A、B液混合在一起，同时加入4ml环氧基硅烷偶联剂，放在搅拌机上搅拌3h即制得均匀的无机硅酸盐涂料。将金属件进行化学除油处理，具体是将金属件基体表面浸在70℃的化学除油液中浸泡4min，其中金属件取铁片，化学除油液是将40g/L氢氧化钠、20g/L碳酸钠和25g/L磷酸三钠加入水中得到的溶液；将取代金属表面防护装饰性铜层的仿铜无机涂料涂在经步骤一处理的金属件表面，然后在温度为70℃的条件下烘干8min，在金属件表面得到干膜厚度为10微米的涂层。
实施例3
一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，分别称取4g正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇1.2g与冰醋酸1.5g混合，加入到1.5g胶状模板剂中，然后在常温下磁力搅拌12h，让TEOS充分水解成二氧化硅水溶液备用；将8gPVP溶解在DMSO与DMF的混合溶剂中，在磁力搅拌器上充分搅拌12h至形成均匀透明的白色液体；3g纳米二氧化硅粒子分散在5gDMF溶剂中磁力搅拌均匀；最后将这三种溶液混合搅拌4小时至成均匀液体，即为静电纺丝所用的纺丝液。然后用单轴静电纺丝装置制备长径比为30的电纺纳米二氧化硅纤维待用。将15g粒径为10nm的硅溶胶加入到20g水中，搅拌15分钟，之后在搅拌的条件下加入40g模数为2.8的硅酸钾搅拌15分钟，搅拌均匀即制得A液;取6g的电纺纳米二氧化硅纤维加入到18g水中，放在搅拌机上搅拌1h，然后加入5g的滑石粉和1.5g的接枝丙烯酸共聚物，搅拌2h制得B液；将A、B液混合在一起，同时加入4ml巯基硅烷偶联剂，放在搅拌机上搅拌3h即制得均匀的无机硅酸盐涂料。将金属件进行化学除油处理，具体是将金属件基体表面浸在65℃的化学除油液中浸泡4min，其中金属件取铁片，化学除油液是将35g/L氢氧化钠、20g/L碳酸钠和25g/L磷酸三钠加入水中得到的溶液；将取代金属表面防护装饰性铜层的仿铜无机涂料涂在经步骤一处理的金属件表面，然后在温度为100℃的条件下烘干8min，在金属件表面得到干膜厚度为15微米的涂层。
实施例4
一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，分别称取5g正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇1.5g 6与冰醋酸1.5g混合，加入到0.5g胶状模板剂中，然后在常温下磁力搅拌15h，让TEOS充分水解成二氧化硅水溶液备用；将10gPVP溶解在DMSO与DMF的混合溶剂中，在磁力搅拌器上充分搅拌12h至形成均匀透明的白色液体；5g纳米二氧化硅粒子分散在5gDMF溶剂中磁力搅拌均匀；最后将这三种溶液混合搅拌5小时至成均匀液体，即为静电纺丝所用的纺丝液。然后用单轴静电纺丝装置制备长径比为40的电纺纳米二氧化硅纤维待用。将20g粒径为15nm的硅溶胶加入到15g水中，搅拌20分钟，之后在搅拌的条件下加入35g模数为3.3的硅酸钾搅拌20分钟，搅拌均匀即制得A液;取5g的电纺纳米二氧化硅纤维加入到25g水中，放在搅拌机上搅拌1h，然后加入4g的珍珠颜料粉和1.0g的聚氨酯类润湿分散剂，搅拌2h制得B液；将A、B液混合在一起，同时加入5ml甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂，放在搅拌机上搅拌3h即制得均匀的无机硅酸盐涂料。将金属件进行化学除油处理，具体是将金属件基体表面浸在80℃的化学除油液中浸泡5min，其中金属件取铁片，化学除油液是将60g/L氢氧化钠、30g/L碳酸钠和35g/L磷酸三钠加入水中得到的溶液；将取代金属表面防护装饰性铜层的仿铜无机涂料涂在经步骤一处理的金属件表面，然后在温度为150℃的条件下烘干5min，在金属件表面得到干膜厚度为15微米的涂层。
为了进一步说明本发明制备方法的有益效果，做了以下实验：
涂料柔韧性测试：按GBl727—79规定，在马口铁板上制备涂层。待涂层实干后，在恒温恒湿条件下，涂层朝上，用双手将涂料样板紧压在截面2﹡10毫米，曲率半径为1毫米的轴棒上，绕棒弯曲，弯曲后双手拇指应对称于轴棒中心线，弯曲动作必须在2～3秒内完成。涂层在弯曲后用4倍放大镜观察并照相。观察到无网纹、裂纹及剥落等破坏现象，说明涂层的柔韧性良好。在此试验中，分别取传统涂料和本发明涂料涂覆金属件上作对比，实验效果图如图1、图2所示。有裂纹的为传统的以球形二氧化硅为填料的无机硅酸盐涂料，无裂纹的是本发明涂料。由此说明本发明涂料柔韧性良好。
涂料耐热性能测试
将上述实施例1～4制备的涂层金属件置入高温马福炉中，以10℃/min的速率升温至650℃，在该温度下恒温10h。涂料相应的质量损失数据如下表1。
表1 本发明涂料耐热性能测试结果
| 测试温度/℃ | 100 | 200 | 300 | 350 | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 |
| 实施例1质量损失率/％ | 0.01 | 0.03 | 0.11 | 0.80 | 1.21 | 2.12 | 2.89 | 3.56 | 4.99 |
| 实施例2质量损失率/％ | 0.02 | 0.03 | 0.15 | 0.88 | 1.45 | 2.55 | 3.02 | 3.98 | 5.12 |
| 实施例3质量损失率/％ | 0.01 | 0.04 | 0.14 | 0.78 | 1.55 | 2.43 | 2.99 | 3.89 | 4.98 |
| 实施例4质量损失率/％ | 0.02 | 0.04 | 0.31 | 0.98 | 1.67 | 2.89 | 3.46 | 4.58 | 5.24 |
Claims (10)
1.一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，将5~25g硅溶胶加入到10~30g水中，搅拌5~25分钟，之后在搅拌的条件下加入30~50g硅酸钾搅拌5~25分钟，搅拌均匀即制得A液;取2～10g的电纺纳米二氧化硅纤维加入到10～30g水中，放在搅拌机上搅拌1～2h，然后加入3～5g的颜料粉和0.5～1.0g的润湿分散剂，搅拌2～3h制得B液；将A、B液混合在一起，同时加入3～5ml硅烷偶联剂，放在搅拌机上搅拌3～5h即制得均匀的无机硅酸盐涂料。
2.根据权利要求1所述一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，所述硅烧偶联剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、巯基硅烷偶联剂和甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂中的一种或几种组合。
3.根据权利要求1所述 一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，所述颜料粉为珠光颜料粉、珍珠颜料粉和滑石粉中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，所述硅酸钾模数为2.35～3.30。
5.根据权利要求1所述一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，所述硅溶胶粒径为5.0～22.5nm。
6.根据权利要求1所述一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，所用的电纺纳米二氧化硅纤维的长径比为15～45。
7.利用权利要求1中制备的一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料进行金属件的涂覆工艺，其特征在于该工艺按以下步骤进行：将金属件进行除油处理；将权利要求1所述的一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料涂覆在经过除油处理的金属件表面，然后在温度为50~150℃的条件下烘干5~10min，在金属件表面得到的干膜厚度为8~20微米的涂层。
8.根据权利要求7所述的一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料进行金属件的涂覆工艺，其特征在于所述的金属件基体为铁、铝、锌或者镁合金的一种。
9.根据权利要求1所述一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，电纺二氧化硅纤维的制备工艺如下：
分别称取2～5g正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇0.5～1.5g与冰醋酸0.5～1.5g混合，加入到0.5～1.5g胶状模板剂中，然后在常温下磁力搅拌5～15h，让TEOS充分水解成二氧化硅水溶液备用；将5～10gPVP溶解在DMSO与DMF的混合溶剂中，在磁力搅拌器上充分搅拌8～12h至形成均匀透明的白色液体；1～5g纳米二氧化硅粒子分散在2～5gDMF溶剂中磁力搅拌均匀；最后将这三种溶液混合搅拌2～5小时至成均匀液体，即为静电纺丝所用的纺丝液，然后用单轴静电纺丝装置制备电纺纳米二氧化硅纤维待用。
10.根据权利要求1所述一种兼具柔韧性和耐热性的无机硅酸盐涂料，其特征在于，所述润湿分散剂为线型烷基酰胺类润湿分散剂、聚氨酯类润湿分散剂和接枝丙烯酸共聚物中的一种或几种组合。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160824 Termination date: 20200620 |