CN105001781A

CN105001781A - 一种涂层封闭材料、其制备方法及其应用

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Publication number: CN105001781A
Application number: CN201510419078.1A
Authority: CN
Inventors: 周泽华; 王泽华; 易于; 王国伟; 江少群; 王刚; 邵佳
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-07-16
Also published as: CN105001781B

Abstract

本发明公开了一种涂层封闭材料，包括有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C、助剂和无水乙醇溶剂，所述有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C的质量配比为100：40~60：60~120，所述助剂占总质量的5~7%，所述有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂的质量比为1:1~1.3，所述混合物C包括改性纳米级二氧化硅和微米级二氧化钛，其中改性纳米级二氧化硅含量占混合物C总质量的50~100%。本发明还公开了一种涂层封闭材料的制备方法，及所述涂层封闭材料用于等离子喷涂陶瓷涂层的封闭处理。经本材料封闭后的涂层，兼具优秀的耐腐蚀性能和抗水生物吸附性能。

Description

一种涂层封闭材料、其制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种涂层封闭材料、其制备方法及其应用，属于材料腐蚀与防护技术领域。

背景技术

在金属工件表面制备高硬度、耐磨性的等离子喷涂陶瓷涂层，已在冶金、矿山、航天等领域广泛应用。但陶瓷涂层存在相当数量的孔洞(5％～8％)，这是等离子喷涂工艺特点决定而难以避免的。在一般大气环境下，这些孔洞能起到储油效果，涂层具有良好的润滑减摩功能。但在水环境等复杂腐蚀环境下，孔隙作为腐蚀通道是金属基体产生腐蚀的根本原因。借助封孔剂对涂层封闭处理，可有效阻止腐蚀性介质通过孔隙侵蚀金属基体，是改善涂层工件在水环境下应用最常用的技术之一。但传统封闭材料不能阻止水生物在涂层表面的吸附，从而限制了涂层在水环境下的应用。如舰船用液压升降机长期工作在海水中，其核心部件活塞杆不仅要耐磨、耐海水腐蚀，还不能粘附水生物。因为水生物吸附不仅严重影响工件的使用和效率，还会加速工件的局部腐蚀甚至导致机件失效。

目前常用的涂层封闭材料主要包括有机、无机和有机-无机杂化封孔剂三大类。其中有机硅树脂因具有封闭效果好、韧性好、强度高、耐腐蚀性好等优点，是最常用的有机封闭组分。如文献(Jingjing Zhang,Zehua Wang,Pinghua Lin,etc.Effect of sealing treatment on corrosion resistance of plasma-sprayedNiCrAl/Cr₂O₃-8wt.％TiO₂Coating[J].Journal of Thermal Technology.2011.20(3):508-513)指出借助有机硅树脂对等离子喷涂Cr₂O₃-8wt.％TiO₂涂层进行封闭处理，盐雾腐蚀试验证明：未封孔涂层的腐蚀失重比有机硅树脂封孔涂层腐蚀失重高49倍。但迄今未发现相关封闭材料可兼具使涂层防水生物吸附性能的报道。

目前常用的防水生物吸附材料主要是涂料型材料，包括无锡自抛光化学型涂料、低表面能物理型涂料和自然界提取的生物型涂料等。如专利“一种防污涂料及其制备方法”(201410449421.2)中，涂料成分包括辣椒素、异噻唑啉酮、桉树提取物和海洋无脊椎动物提取物中的一种或几种，具有较低的表面能，使海洋生物在涂层表面不能附着。但等离子喷涂陶瓷涂层的作用不仅是提高工件的耐腐蚀、耐水生物吸附性能，还包括陶瓷涂层的主要作用，即提高工件的耐磨性能。而在磨损工况条件下，防生物吸附涂料极易迅速磨损脱落，因而无法对涂层表面起到防水生物吸附效果。

就等离子喷涂陶瓷涂层的封闭处理而言，如果封闭材料不仅具有优秀的封闭涂层孔隙效果，而且兼具提高涂层防水生物吸附功能，将大大减少工艺步骤，降低成本，且经封闭的涂层可对水环境下的使用工件起到长效防护效果，拓展涂层工件的所用范围。专利“无机-有机复合封孔涂层”(200910063902.9)涉及的封孔涂层，包括封孔层和防污层两部分，工艺上需先制备封孔层，再在封孔层上面通过浸渍-提拉法和热处理方法形成防污层。因此并未起到减少工艺步骤，降低成本的效果，且未指出表面防污层是否具有封闭效果及涂层是否耐磨。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种涂层封闭材料、其制备方法及其应用，封闭材料中既包括满足涂层封孔需要的有机硅组分，又包括与陶瓷涂层成分接近、相容性好、可有效调节涂层表面能和静态水接触角的无机组分。通过对封闭材料进行合理成分设计和工艺制备，构建微米-纳米结构提高封孔剂的疏水性，借助低表面能的结构配制成封闭材料，封闭涂层兼具防腐蚀和防水生物吸附功能，封孔效果与有机硅树脂的效果相当，封闭涂层的电化学腐蚀电位和腐蚀电流与有机硅树脂封孔同类涂层的性能相近，防水生物吸附性能明显优于有机硅树脂封孔同类涂层。封闭材料可对水环境下使用的等离子喷涂陶瓷涂层起到长效防护效果。此外，封闭后的涂层经表面打磨除去多余的表层封闭剂，涂层耐腐蚀及防水生物吸附效果借助微孔中的封闭剂实现，因此不影响陶瓷涂层的耐磨性能。

本发明的技术方案为：一种涂层封闭材料，其特征是，包括有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C、助剂和无水乙醇溶剂，所述有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C的质量配比为100：40～60：60～120，所述助剂占总质量的5～7％，所述有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂的质量比为1:1～1.3，所述混合物C包括改性纳米级二氧化硅和微米级二氧化钛，其中改性纳米级二氧化硅含量占混合物C总质量的50～100％。

前述的涂层封闭材料，其特征是，所述助剂包括表面助剂BYK-3700、分散剂BYK-161、消泡剂BYK-066N、流平剂BYK-306。

涂层封闭材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)按照上述配比将有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂混合，在精密增力搅拌机中搅拌均匀制得清漆；

(2)按照上述配比将清漆、微米级滑石粉B、混合物C及助剂混合，在分散乳化均质机中高速分散30min后获得胶态封闭材料，放置4h后于烘箱中烘干，获得封闭材料胶粘液。

前述的涂层封闭材料的制备方法，其特征是，上述步骤(2)中，所述封闭材料于烘箱中75℃恒温烘干1h。

涂层封闭材料的应用，其特征是，所述涂层封闭材料用于等离子喷涂陶瓷涂层的封闭处理，具体的封闭处理方法为：

(1)将喷涂层试件进行表面预处理；

(2)将试样置入上述制备的封闭材料胶粘液中浸泡20min后取出，用刷子刷破表面气泡，刷完后再重复上述浸泡、刷泡操作一次；

(3)再次浸泡20min后自然晾干15min，放入100℃的烘箱中固化30min；

(4)取出后再次放入封闭材料胶粘液中浸泡60min，再取出晾干15min后放入100℃的烘箱中固化30min，取出试件后自然冷却并打磨除去表层多余的封闭剂，完成封闭处理过程。

前述的涂层封闭材料的应用，其特征是，所述的表面预处理包括除锈、喷砂粗化、清洗脱脂和干燥。

本发明所达到的有益效果：本发明适用于含等离子喷涂陶瓷涂层的设备或零部件的涂层封闭处理。封闭材料中既包括满足涂层封孔需要的有机硅组分，又包括与陶瓷涂层成分接近、相容性好、可有效调节涂层表面能和静态水接触角的无机组分。经本材料封闭后的涂层，兼具优秀的耐腐蚀性能和抗水生物吸附性能：封孔效果与常用有机硅树脂的效果相当，封闭后涂层的电化学腐蚀电位和腐蚀电流与有机硅树脂封孔后的同类涂层相近；封闭后涂层的静态接触角为130～160°，防水生物吸附性能明显优于有机硅树脂封孔后的同类涂层。封闭材料可对水环境下使用的等离子喷涂陶瓷涂层起到长效防护效果，且不影响陶瓷涂层的耐磨性能。

附图说明

图1是本发明涂层封闭材料对等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭后的涂层表面形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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：

一种用于等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层的封闭材料，封闭材料的成分主要包括有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C、助剂和无水乙醇溶剂，所述有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C的质量配比为100：60：120，所述助剂包括表面助剂BYK-3700、分散剂BYK-161、消泡剂BYK-066N、流平剂BYK-306，所述助剂占总质量的6％，所述有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂的质量比为1:1.2，所述混合物C包括改性纳米级二氧化硅和微米级二氧化钛，其中纳米级二氧化硅通过酸洗、烘干改性，其中改性纳米级二氧化硅含量占混合物C总质量的75％。

所述涂层封闭材料的制备方法，包括以下步骤：

(2)按照上述配比将清漆、微米级滑石粉B、混合物C及助剂混合，在分散乳化均质机中高速分散30min后获得胶态封闭材料，放置4h后于烘箱中75℃恒温烘干1h，便于乙醇的挥发，获得封闭材料胶粘液。

所述涂层封闭材料用于等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层的封闭处理的方法为：

(1)将喷涂层试件进行表面预处理，包括除锈、喷砂粗化、清洗脱脂和干燥；

所述的封闭材料对等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭处理，封闭前后涂层的孔隙率借助TCI金相分析软件、采用显微分析法测试、计算，涂层的电化学腐蚀电位和腐蚀电流借助PARSTAT 2273 Advanced ElectrochemicalSystem型电化学仪器获得Tafel极化曲线测试，涂层的静态接触角借助CAM200光学接触角仪测试，人造模拟水生物环境为实验室自行设计的池塘，包含藻类、藤壶、螺丝等代表性水生物。作为对比的有机硅树脂封孔剂，对同类涂层的封闭处理采用常规方法处理。所有测试、计算结果均为三个以上结果的平均值。

结果表明：用所述的封闭材料对等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭处理后，封孔涂层的孔隙率为未封孔涂层的2.6％，电化学腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.45V和0.7×10^-6A·cm^-3，而采用常用有机硅树脂封孔剂对等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭后，封孔涂层的孔隙率为未封孔涂层的3.4％，腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.42V和1.3×10^-6A·cm^-3，即所述封闭材料对Al₂O₃-13wt.％TiO₂涂层的封孔效果与有机硅树脂封孔剂的效果相当，所述封闭材料封闭后的涂层腐蚀电位和腐蚀电流与有机硅树脂封孔后的涂层相近；所述封闭材料封闭后的Al₂O₃-13wt.％TiO₂涂层静态接触角为157°，在包含藻类、藤壶、螺丝等代表性水生物的人造模拟水生物环境下4个月浸泡试验后，涂层无明显水生物吸附，而相同条件下有机硅树脂封孔剂封闭后的涂层表面有明显藻类、螺丝等的吸附，即所述封闭材料封闭后的Al₂O₃-13wt.％TiO₂涂层防水生物吸附性能明显优于用常用有机硅树脂封孔后的同类涂层。所述封闭材料兼具封闭涂层孔隙和提高涂层防水生物吸附功能，可对水环境下使用的Al₂O₃-13wt.％TiO₂等离子喷涂陶瓷涂层起到长效防护效果，且不影响陶瓷涂层的耐磨性能。(本发明涂层封闭材料对等离子喷涂Al₂O₃-13wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭后的涂层表面形貌如图1所示。)

实施例2：

一种用于等离子喷涂Cr₂O₃-8wt.％TiO₂陶瓷涂层的封闭材料，封闭材料的成分主要包括有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C、助剂和无水乙醇溶剂，所述有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C的质量配比为100：50：100，所述助剂包括表面助剂BYK-3700、分散剂BYK-161、消泡剂BYK-066N、流平剂BYK-306，所述助剂占总质量的7％，所述有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂的质量比为1:1.3，所述混合物C包括改性纳米级二氧化硅和微米级二氧化钛，纳米级二氧化硅通过酸洗、烘干改性，其中改性纳米级二氧化硅含量占混合物C总质量的100％。

所述涂层封闭材料的制备方法，包括以下步骤：

所述涂层封闭材料用于等离子喷涂Cr₂O₃-8wt.％TiO₂陶瓷涂层的封闭处理的方法为：

所述的封闭材料对等离子喷涂Cr₂O₃-8wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭处理，封闭前后涂层的孔隙率借助TCI金相分析软件、采用显微分析法测试、计算，涂层的电化学腐蚀电位和腐蚀电流借助PARSTAT 2273Advanced ElectrochemicalSystem型电化学仪器获得Tafel极化曲线测试，涂层的静态接触角借助CAM200光学接触角仪测试，人造模拟水生物环境为实验室自行设计的池塘，包含藻类、藤壶、螺丝等代表性水生物。作为对比的有机硅树脂封孔剂，对同类涂层的封闭处理采用常规方法处理。所有测试、计算结果均为三个以上结果的平均值。

结果表明：用所述的封闭材料对等离子喷涂Cr₂O₃-8wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭处理后，封孔涂层的孔隙率为未封孔涂层的2.9％，电化学腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.37V和0.6×10^-6A·cm^-3，而采用常用有机硅树脂封孔剂对等离子喷涂Cr₂O₃-8wt.％TiO₂陶瓷涂层封闭后，封孔涂层的孔隙率为未封孔涂层的3.1％，腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.40V和0.7×10^-6A·cm^-3，即所述封闭材料对Cr₂O₃-8wt.％TiO₂涂层的封孔效果与有机硅树脂封孔剂的效果相当，所述封闭材料封闭后的涂层腐蚀电位和腐蚀电流与有机硅树脂封孔后的涂层相近；所述封闭材料封闭后的Cr₂O₃-8wt.％TiO₂涂层静态接触角为150°，在包含藻类、藤壶、螺丝等代表性水生物的人造模拟水生物环境下4个月浸泡试验后，涂层无明显水生物吸附，而相同条件下有机硅树脂封孔剂封闭后的涂层表面有明显藻类、螺丝等的吸附，即所述封闭材料封闭后的Cr₂O₃-8wt.％TiO₂涂层防水生物吸附性能明显优于用常用有机硅树脂封孔后的同类涂层。所述封闭材料兼具封闭涂层孔隙和提高涂层防水生物吸附功能，可对水环境下使用的Cr₂O₃-8wt.％TiO₂等离子喷涂陶瓷涂层起到长效防护效果，且不影响陶瓷涂层的耐磨性能。

实施例3：

一种用于等离子喷涂ZrO₂陶瓷涂层的封闭材料，封闭材料的成分主要包括有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C、助剂和无水乙醇溶剂，所述有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C的质量配比为100：40：60，所述助剂包括表面助剂BYK-3700、分散剂BYK-161、消泡剂BYK-066N、流平剂BYK-306，所述助剂占总质量的5％，所述有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂的质量比为1:1.1，所述混合物C包括改性纳米级二氧化硅和微米级二氧化钛，纳米级二氧化硅通过酸洗、烘干改性，其中改性纳米级二氧化硅含量占混合物C总质量的50％。

所述涂层封闭材料的制备方法，包括以下步骤：

所述涂层封闭材料用于等离子喷涂ZrO₂陶瓷涂层的封闭处理的方法为：

所述的封闭材料对等离子喷涂ZrO₂陶瓷涂层封闭处理，封闭前后涂层的孔隙率借助TCI金相分析软件、采用显微分析法测试、计算，涂层的电化学腐蚀电位和腐蚀电流借助PARSTAT 2273Advanced Electrochemical System型电化学仪器获得Tafel极化曲线测试，涂层的静态接触角借助CAM200光学接触角仪测试，人造模拟水生物环境为实验室自行设计的池塘，包含藻类、藤壶、螺丝等代表性水生物。作为对比的有机硅树脂封孔剂，对同类涂层的封闭处理采用常规方法处理。所有测试、计算结果均为三个以上结果的平均值。

结果表明：用所述的封闭材料对等离子喷涂ZrO₂陶瓷涂层封闭处理后，封孔涂层的孔隙率为未封孔涂层的4.1％，电化学腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.55V和0.9×10^-6A·cm^-3，而采用常用有机硅树脂封孔剂对等离子喷涂ZrO₂陶瓷涂层封闭后，封孔涂层的孔隙率为未封孔涂层的3.9％，腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.52V和1.0×10^-6A·cm^-3，即所述封闭材料对ZrO₂涂层的封孔效果与有机硅树脂封孔剂的效果相当，所述封闭材料封闭后的涂层腐蚀电位和腐蚀电流与有机硅树脂封孔后的涂层相近；所述封闭材料封闭后的ZrO₂涂层静态接触角为136°，在包含藻类、藤壶、螺丝等代表性水生物的人造模拟水生物环境下4个月浸泡试验后，涂层无明显水生物吸附，而相同条件下有机硅树脂封孔剂封闭后的涂层表面有明显藻类、螺丝等的吸附，即所述封闭材料封闭后的ZrO₂涂层防水生物吸附性能明显优于用常用有机硅树脂封孔后的同类涂层。所述封闭材料兼具封闭涂层孔隙和提高涂层防水生物吸附功能，可对水环境下使用的ZrO₂等离子喷涂陶瓷涂层起到长效防护效果，且不影响陶瓷涂层的耐磨性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 一种涂层封闭材料，其特征是，包括有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C、助剂和无水乙醇溶剂，所述有机硅树脂封孔剂A、微米级滑石粉B、混合物C的质量配比为100：40~60：60~120，所述助剂占总质量的5~7%，所述有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂的质量比为1:1~1.3，所述混合物C包括改性纳米级二氧化硅和微米级二氧化钛，其中改性纳米级二氧化硅含量占混合物C总质量的50~100%。

2.根据权利要求1所述的涂层封闭材料，其特征是，所述助剂包括表面助剂BYK-3700、分散剂BYK-161、消泡剂BYK-066N、流平剂BYK-306。

3.根据权利要求1或2所述的涂层封闭材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）按照上述配比将有机硅树脂封孔剂A和无水乙醇溶剂混合，在精密增力搅拌机中搅拌均匀制得清漆；

（2）按照上述配比将清漆、微米级滑石粉B、混合物C及助剂混合，在分散乳化均质机中高速分散30min后获得胶态封闭材料，放置4h后于烘箱中烘干，获得封闭材料胶粘液。

4.根据权利要求3所述的涂层封闭材料的制备方法，其特征是，上述步骤（2）中，所述封闭材料于烘箱中75℃恒温烘干1h。

5.根据权利要求1或2所述的涂层封闭材料的应用，其特征是，所述涂层封闭材料用于等离子喷涂陶瓷涂层的封闭处理，具体的封闭处理方法为：

（1）将喷涂层试件进行表面预处理；

（2）将试样置入上述制备的封闭材料胶粘液中浸泡20min后取出，用刷子刷破表面气泡，刷完后再重复上述浸泡、刷泡操作一次；

（3）再次浸泡20min后自然晾干15min，放入100℃的烘箱中固化30min；

（4）取出后再次放入封闭材料胶粘液中浸泡60min，再取出晾干15min后放入100℃的烘箱中固化30min，取出试件后自然冷却并打磨除去表层多余的封闭剂，完成封闭处理过程。

6.根据权利要求5所述的涂层封闭材料的应用，其特征是，所述的表面预处理包括除锈、喷砂粗化、清洗脱脂和干燥。