CN105860833B - 一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法 - Google Patents

一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及表面涂层技术，旨在提供一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法。该方法包括：先制备复合颜料，然后将复合颜料、无机填料、醇溶剂混合研磨制得复合色浆。最后将预先制备的硅钛复合溶胶和复合色浆加入到反应釜，搅拌混合，制得铝合金轮毂醇基防护涂料。本发明通过控制钛酸酯水解聚合反应，实现对最终涂层材料的增强、增韧，降低涂层的收缩应力和膨胀系数，全面提升涂层的抗渗透性和耐腐蚀性能。解决了颜料的着色均匀性、长效性以及与体系的相容性等关键问题。不含酯类、二甲苯等毒性较大的溶剂，将防腐和装饰功能一体化集成，简化了涂装工艺，避免了传统轮毂涂装所必需的铬化工艺，解决了铬离子污染及VOC排放等环保问题。

Description

一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法
技术领域
本发明属于表面涂层技术，具体涉及一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法。
背景技术
目前，铝合金轮毂已广泛应用于小型汽车、摩托车及电动自行车上，现在铝合金轮毂的生产方法是先采用模具铸造成型，再进行机加工，然后进行电镀处理，由于电镀处理工艺复杂、能耗大，而且需要消耗大量的镍、铜、铬等贵重金属，所以现有技术生产的铝合金轮毂具有对环境污染大、耗能耗水量大、制造成本高等缺点。为了取代电镀处理，技术人员采用各类涂料通过喷涂等手段在铝合金轮毂表面制备涂层起到防腐和美化的效果。目前，轮毂涂料主要包括以下几类：含氟涂料、粉末涂料、以及其它烤漆涂料。
在含氟涂料方面，发明专利CN105153834A公开了一种轮毂用防腐涂料，包括如下质量百分比的组成成分：氟树脂23-29％、环氧树脂14-31％、分散剂0.3-0.6％、溶剂20-30％、铝3-9％、氢氧化铝1-9％、氧化锌5-15％、耐磨粉15-25％、氟表面活性剂0.1-1.3％。发明专利CN1478832涉及车辆轮毂用氟碳漆及其制备方法，该发明包含氟树脂、羟基丙烯酸树脂、防流挂树脂、交联剂、助剂和混合溶液。发明专利CN103952042A公开了一种用于汽车轮毂涂装的特氟龙涂料，包括聚四氟乙烯树脂、环氧树脂、流平剂、消泡剂、颜料以及溶剂；目前，含氟涂料防腐性能优异，但是存在价格昂贵且常含有毒性较大的溶剂(比如：二甲苯)，而且涂层硬度一般不高(≤2H)。
在粉末涂料方面，发明专利CN103394454A公开了一种铝合金车轮套色涂装工艺，工艺流程包括前处理、喷底粉、色漆、电泳、喷涂罩光漆、烘烤。发明专利CN102911585A公开了一种中高档汽车铝轮毂专用底粉涂料，包括以下重量份的组分：聚酯树脂30～60份、环氧树脂40～100份、消光固化剂0～8份、助剂0～10份、填料0～160份、颜料0～3份。发明专利CN102259557A公开了一种双面带涂层的铝合金轮毂，设有铝合金轮毂基体，其特征在于轮毂基体两侧依次分别设有耐高温绝缘底涂层和耐磨饰面层，耐高温绝缘底涂层一般由环氧聚酯粉末涂层、甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯共聚涂层和聚丁二烯组成，耐磨饰面层为聚氨酯丙烯酸光固化层。发明专利CN104449268A公开了一种适合于低温固化的汽车铝轮毂专用底粉粉末涂料，主要由低温固化聚酯树脂、环氧树脂和潜伏性促进剂组成。粉末涂料具有无溶剂排放优点，然而，粉末涂层防腐和耐候性相对含氟涂料较差；之外，粉末涂料的厚涂比较容易，但很难薄涂到15～30μm的厚度，造成功能过剩，浪费物料。
其它烤漆类涂料方面，发明专利CN104395416A提供了用于铝轮毂的底漆涂料组合物，其包含共聚物树脂和相对于100质量份的共聚物树脂的总固体含量，1质量份至30质量份的煅制二氧化硅和0.1质量份至10质量份的含镁的磷酸类化合物以及0.1质量份至10质量份的金属离子交换的二氧化硅。发明专利CN105153935A公开了一种微型汽车的轮毂内侧的耐磨涂料，其特征在于：由以下重量份的材料制成，丙二醇甲醚醋酸酯12份、乙二醇双缩水甘油醚3份、环氧大豆油7份、三丁基三氯化锡3份、硬酯酸锌5份、2-乙基己基磷酸酯7份、羧甲基纤维素钠3份、轻质碳酸钙粉10份、正辛醇2份、羟乙基纤维素2份。目前，烤漆类涂料一般含有二甲苯或者酯类溶剂，溶剂气味较重、毒性较大，会带来较大的环保问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的缺陷，提供一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在500r/min的搅拌条件下，向质量分数为1％～3％的粒子型硅溶胶中加入与硅溶胶质量比为1∶3的钛酸酯；然后加入酸性催化剂水醇溶液，控制体系pH值为1.5～5.5，水与钛元素的摩尔比为1∶1～3∶1；30℃下反应1h～3h后，在200r/min的搅拌条件下加入与钛酸酯质量比为4∶1～10∶1的复合有机硅烷，并添加与体系中所含硅元素摩尔比为2∶1～8∶1的水，在30℃～60℃下继续反应4h～24h，获得硅钛复合溶胶；
(2)在500r/min的搅拌条件下，将四乙氧基硅烷按质量比为1∶9与混合用的溶剂混合，然后加入与四乙氧基硅烷质量比为2∶1～1∶5的颜料；搅拌均匀后添加质量分数为25％的氨水，使水与硅元素的摩尔比为3∶1～6∶1；在25℃～60℃下反应6h～12h后，加入占反应体系质量百分比10％～15％的稳定剂，并升温至92℃回流除氨4h；然后95℃蒸馏出部分溶剂，制得固含量为50％的复合颜料；将复合颜料、无机填料、醇溶剂加入砂磨机研磨1h～4h，制得复合色浆；在复合色浆中，复合颜料质量百分比为20％～50％，无机填料质量百分比为20％～40％，其余为醇溶剂；
(3)室温条件下，按质量比5∶1～1∶1将硅钛复合溶胶和复合色浆加入到反应釜，600r/min搅拌混合1h～4h，制得铝合金轮毂醇基防护涂料。
本发明中，所述粒子型硅溶胶是由平均粒径为20nm～50nm的二氧化硅在乙醇、2-甲氧基乙醇或二丙酮醇中的一种或多种分散溶剂中形成的稳定分散体系。
本发明中，所述钛酸酯为钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或两者的混合物。
本发明中，所述酸性催化剂水醇溶液是指将HCl、HNO3、乙酸中的一种或多种溶于水与乙醇的混合溶剂。
本发明中，所述复合有机硅烷是指：四烷氧类有机硅烷、三烷氧类有机硅烷或二烷氧类有机硅烷中的至少两种；其分子通式为RnSi(OR’)4-n；式中，R为不含有氧原子直接与硅原子相连的有机官能团，是烷基、芳基、γ-缩水甘油醚氧丙基或γ-甲基丙烯酰氧基丙基中的一种；R’为C1～C5的烷基，n＝0、1、2；n＝0为四烷氧类有机硅烷，n＝1为三烷氧类有机硅烷，n＝2为二烷氧类有机硅烷。
本发明中，所述四烷氧类有机硅烷是四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷；所述三烷氧类有机硅烷是甲基三乙氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷；所述二烷氧类有机硅烷是二甲基二甲氧基硅烷或二苯基二乙氧基硅烷。
本发明中，所述混合用的溶剂是乙醇、异丙醇、2-甲氧基乙醇中的一种或多种。
本发明中，所述颜料是金红石、钛黄、氧化铁黑、氧化铁红、钴黑、钴蓝、钴绿或铝银粉中的一种，粒径控制在10μm以内。
本发明中，所述稳定剂为KH560、KH570、二甲基二乙氧基硅烷的一种或多种。
本发明中，所述无机填料是石英粉、氧化铝、氧化钛中的一种或多种，粒径控制在30μm以内。
本发明中，在制备复合色浆时所用醇溶剂为乙醇、异丙醇、二丙酮醇的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过控制钛酸酯水解聚合反应，实现钛酸酯不完全水解产物在二氧化硅纳米粒子表面原位生长，然后通过引入不同结构有机硅烷，控制有机硅烷与钛酸酯不完全水解产物进一步共水解聚合，使O-Si-O与O-Ti-O化学键达到分子水平复合，并将二氧化硅纳米粒子均匀嵌入有机硅聚合物中，构造出有机-无机网络互穿结构，并通过颗粒纳米化效应提高涂层材料的机械力学性能，实现对最终涂层材料的增强、增韧，降低涂层的收缩应力和膨胀系数，全面提升涂层的抗渗透性和耐腐蚀性能。
(2)本发明控制有机硅在颜料颗粒表面原位水解聚合，构造核壳型包覆结构，解决了颜料的着色均匀性、长效性以及与体系的相容性等关键问题，通过机械化学反应进一步使有机硅聚合物与无机颜、填料实现分子级复合，制备出分散性、流动性较好，固含量较高的复合色浆，并提高了涂料的综合性能。
(3)本发明制备的醇基铝合金轮毂涂料，不含酯类、二甲苯等毒性较大的溶剂，将防腐和装饰功能一体化集成，简化了涂装工艺，避免了传统轮毂涂装所必需的铬化工艺，解决了铬离子污染及VOC排放等环保问题。在性能指标方面，由本发明涂料制备的涂层在与当前市售产品类似的柔韧性条件下，具有更高的硬度，最高可达到6H，而当前市售产品硬度一般不超过3H；同时，产品耐腐蚀性能最高可达到480h，远高于144h的行业标准。
具体实施方式
以下通过实例进一步对本发明进行描述。
本发明中醇基铝合金轮毂涂料制备方法，包括如下步骤：
(1)在500r/min的搅拌条件下，向质量分数为1％～3％的粒子型硅溶胶中加入与硅溶胶质量比为1∶3的钛酸酯；然后加入酸性催化剂水醇溶液，控制体系pH值为1.5～5.5，水与钛元素的摩尔比为1∶1～3∶1；30℃下反应1h～3h后，在200r/min的搅拌条件下加入与钛酸酯质量比为4∶1～10∶1的复合有机硅烷，并添加与体系中所含硅元素摩尔比为2∶1～8∶1的水，在30℃～60℃下继续反应4h～24h，获得硅钛复合溶胶；
(2)在500r/min的搅拌条件下，将四乙氧基硅烷按质量比为1∶9与混合用的溶剂混合，然后加入与四乙氧基硅烷质量比为2∶1～1∶5的颜料；搅拌均匀后添加质量分数为25％的氨水，使水与硅元素的摩尔比为3∶1～6∶1；在25℃～60℃下反应6h～12h后，加入占反应体系质量百分比10％～15％的稳定剂，并升温至92℃回流除氨4h；然后95℃蒸馏出部分溶剂，制得固含量为50％的复合颜料；将复合颜料、无机填料、醇溶剂加入砂磨机研磨1h～4h，制得复合色浆；在复合色浆中，复合颜料质量百分比为20％～50％，无机填料质量百分比为20％～40％，其余为醇溶剂；
(3)室温条件下，按质量比5∶1～1∶1将硅钛复合溶胶和复合色浆加入到反应釜，600r/min搅拌混合1h～4h，制得铝合金轮毂醇基防护涂料。
各实施例中的试验数据见表1。
表1：
以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种醇基铝合金轮毂涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在500r/min的搅拌条件下，向质量分数为1％～3％的粒子型硅溶胶中加入与硅溶胶质量比为1∶3的钛酸酯；然后加入酸性催化剂水醇溶液，控制体系pH值为1.5～5.5，水与钛元素的摩尔比为1∶1～3∶1；30℃下反应1h～3h后，在200r/min的搅拌条件下加入与钛酸酯质量比为4∶1～10∶1的复合有机硅烷，并添加与体系中所含硅元素摩尔比为2∶1～8∶1的水，在30℃～60℃下继续反应4h～24h，获得硅钛复合溶胶；
所述复合有机硅烷是指：四烷氧类有机硅烷、三烷氧类有机硅烷或二烷氧类有机硅烷中的至少两种；其分子通式为RnSi(OR’)4-n；式中，R为不含有氧原子直接与硅原子相连的有机官能团，是烷基、芳基、γ-缩水甘油醚氧丙基或γ-甲基丙烯酰氧基丙基中的一种；R’为C1～C5的烷基，n＝0、1、2；n＝0为四烷氧类有机硅烷，n＝1为三烷氧类有机硅烷，n＝2为二烷氧类有机硅烷；
(2)在500r/min的搅拌条件下，将四乙氧基硅烷按质量比为1∶9与混合用的溶剂混合，然后加入与四乙氧基硅烷质量比为2∶1～1∶5的颜料；搅拌均匀后添加质量分数为25％的氨水，使水与硅元素的摩尔比为3∶1～6∶1；在25℃～60℃下反应6h～12h后，加入占反应体系质量百分比10％～15％的稳定剂，并升温至92℃回流除氨4h；然后95℃蒸馏出部分溶剂，制得固含量为50％的复合颜料；将复合颜料、无机填料、醇溶剂加入砂磨机研磨1h～4h，制得复合色浆；在复合色浆中，复合颜料质量百分比为20％～50％，无机填料质量百分比为20％～40％，其余为醇溶剂；
(3)室温条件下，按质量比5∶1～1∶1将硅钛复合溶胶和复合色浆加入到反应釜，600r/min搅拌混合1h～4h，制得铝合金轮毂醇基防护涂料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子型硅溶胶是由平均粒径为20nm～50nm的二氧化硅在乙醇、2-甲氧基乙醇或二丙酮醇中的一种或多种分散溶剂中形成的稳定分散体系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛酸酯为钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或两者的混合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸性催化剂水醇溶液是指将HCl、HNO3、乙酸中的一种或多种溶于水与乙醇的混合溶剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合用的溶剂是乙醇、异丙醇、2-甲氧基乙醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颜料是金红石、钛黄、氧化铁黑、氧化铁红、钴黑、钴蓝、钴绿或铝银粉中的一种，粒径控制在10μm以内。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳定剂为KH560、KH570、二甲基二乙氧基硅烷的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机填料是石英粉、氧化铝、氧化钛中的一种或多种，粒径控制在30μm以内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制备复合色浆时所用醇溶剂为乙醇、异丙醇、二丙酮醇的一种或多种。
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