CN105969156A - 一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，由A组份和B组份组成。A组分为：小分子醇类化合物60～120份，催化剂1～20份，扩链剂60～120份；B组份为：聚醚多元醇100份，异氰酸酯按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶1.8～2.5计量，膨胀型阻燃剂30～60份。A、B组份料按10～30∶100的质量比混合均匀。本发明利用聚氨酯树脂基体与金属材料表面有优良的粘接性，可满足不同工艺条件下坯锭的存放要求。聚氨酯树脂在0℃也能固化，可满足极端气候条件下喷涂坯锭的需求，同时具有良好的韧性，可有效避免坯锭堆放过程中碰撞、摩擦造成的涂层脱落。在较低温度段，聚氨酯树脂形成连续涂层，保护金属表面；在高温度段，膨胀型阻燃剂分解，形成致密的炭层，保护金属表面。

Description

一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于涂料领域，涉及一种金属用涂料，更具体是涉及一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料。
背景技术
金属材料热加工通常需要在空气介质中加热与保温。伴随着温度的升高，金属将发生氧化脱碳。在金属氧化的过程中，通常形成氧化皮。分析氧化皮的结构可以发现，其结构疏松有裂纹，且厚度很厚，造成金属材料损耗，力学性能降低；同时为去除氧化脱碳层还要耗费人力、物力、财力。
减少高温氧化脱碳的措施有真空保护加热、盐浴加热、可控气氛保护、零件外包覆不锈钢材料加热、快速加热、涂料保护加热等。其中涂料保护加热具有投资少、操作方法简单、成本低，适应性强等特点。
金属热加工过程需要800℃以上的高温，因此目前普遍采用耐高温的无机非金属材料作为金属材料热加工保护涂料的基体。无机非金属类涂料的保护机理为：(1)溶膜屏蔽型保护机理。该机理利用涂层在加热过程中形成致密而牢固的玻璃状物或玻璃陶瓷状物，粘附在工件表面上，隔绝气氛和基体的接触，达到保护目的。(2)反应型保护机理。它利用硼化物加热熔融与钢表面的微量氧化物发生化学反应，形成薄的粘态溶膜，覆盖在钢铁的表面上，隔绝气氛和基体的接触，达到保护目的。(3)氧化还原型保护机理。主要特点是涂料中某些物质，加热到一定温度，首先和炉内气氛发生反应，造成靠近金属基体的活性介质贫乏，不能和基体发生反应，起到保护作用。其中溶膜屏蔽型保护机理被认为是热处理涂料能起保护作用的最主要原因。
但是在实际应用中，无机非金属类的金属热加工保护涂料表现出种种不足，主要有：(1)无机非金属材料和金属的粘接力低，无法满足实际生产工艺需求。工业生产中，坯锭喷涂热加工保护涂料后还需堆放再安排上线。如堆放时间超过24h，无机非金属类的金属热加工保护涂料会自行脱落。堆放过程中，坯锭间的相互摩擦和碰撞，也会造成无机非金属类的金属热加工保护涂料的脱落。(2)在相对较低的温度段，无机非金属类的金属热加工保护涂料保护能力有限。无机非金属类的金属热加工保护涂料的保护机理主要为无机非金属材料在800℃以上的高温下熔融，形成液态粘膜。加入碱金属氧化物可以降低保护涂料的熔融温度至600℃左右，但碱金属氧化物会引起对金属基体的高温腐蚀。因此，在坯锭表面温度达到保护涂料的熔融温度之前，颗粒状无机非金属类的金属热加工保护涂料无法有效保护金属表面。
发明内容
本发明的目的是为了针对金属热加工过程中产生氧化与脱碳的问题，以及现有无机非金属类金属热加工保护涂料的不足，提供一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料。
为了实现上述目的，本发明提出了一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其包括由A组份和B组份，其中，A组分和B组分分别包含如下重量份数的组分：
A组分：小分子醇类化合物60～120份、催化剂1～20份、扩链剂60～120份；
B组份：聚醚多元醇100份、膨胀型阻燃剂30～60份和异氰酸酯，其中异氰酸酯的量按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶1.8～2.5计量；
A组分和B组份的质量比为10～30∶100。
具体地，所述的聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇，聚四氢呋喃二醇，四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇，聚氧化丙烯三醇，聚四氢呋喃三醇中的任意一种或多种的混合物。其中优选聚氧化丙烯二醇和聚四氢呋喃二醇。
具体地，所述的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯(TDI)，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)，甲基环已烷二异氰酸酯(HTDI)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，降冰片烷二异氰酸酯(NBDI)中的任意一种。其中优选TDI和NBDI。
具体地，所述的膨胀型阻燃剂为微胶囊化的磷-氮系膨胀型阻燃剂中的任意一种。如三聚氰胺包覆聚磷酸铵微胶囊、三聚氰胺甲醛包覆聚磷酸铵微胶囊、脲醛包覆聚磷酸铵微胶囊、环氧橡胶包覆聚磷酸铵微胶囊、异氰酸酯包覆聚磷酸铵微胶囊、硅系囊材包覆聚磷酸铵微胶囊、富羟基囊材包覆聚磷酸铵微胶囊等。其中优选富羟基囊材包覆聚磷酸铵微胶囊，如环糊精包覆聚磷酸铵微胶囊。上述微胶囊化的磷-氮系膨胀型阻燃剂均购自镇江森华阻燃工程科技有限公司。
具体地，所述的小分子醇类化合物为乙二醇(EG)、丙二醇(PG)、1，4-丁二醇(BDO)、1，6-已二醇(HG)、一缩二乙二醇(DEG)、新戊二醇(NPG)中的任意一种。其中优选EG和BDO。
具体地，所述的催化剂为DY-1(双二甲氨基乙基醚)、DY-5(五甲基二乙烯三胺)、DY-8(二甲基环已胺)、DY-12(二月桂酸二丁基锡)、DY-20(有机铋)中的任意一种。其中优选DY-12。
具体地，所述的扩链剂为3，3′-二氯-4，4-二氨基二苯基甲烷(MOCA)、二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)、二乙基甲苯二胺(DETDA)中的任意一种。其中优选DMTDA。
本发明进一步提出了上述聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料的制备方法：
包括如下步骤：
将配方量的小分子醇类化合物、催化剂、扩链剂投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料；
将聚醚多元醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa，再将配方量的脱水后的聚醚多元醇、异氰酸酯、膨胀型阻燃剂投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料；
使用时，将A、B组份料按A∶B＝10～30∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
本发明的优点和有益效果主要是：
(1)聚氨酯树脂基体与金属材料表面有优良的粘接性，可以满足不同工艺条件下坯锭的存放要求。聚氨酯树脂在0℃也可以固化，能够满足极端气候条件下喷涂坯锭的需求。聚氨酯树脂具有良好的韧性，可有效避免坯锭堆放过程中碰撞、摩擦造成的涂层脱落。
(2)在较低温度段，聚氨酯树脂形成连续涂层，保护金属表面；在高温度段，膨胀型阻燃剂分解，形成致密的炭层，保护金属表面。
具体实施方式
下面通过具体的实施例详细说明本发明。
实施例1
A组份料：将EG 60份，DY-121份，DMTDA 120份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将聚氧化丙烯二醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的聚氧化丙烯二醇100份，TDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶1.8计量)，环糊精包覆聚磷酸铵微胶囊30份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝10∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在800℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为8.1MPa。
实施例2
A组份料：将EG 100份，DY-1210份，DMTDA 100份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将聚氧化丙烯二醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的聚氧化丙烯二醇100份，TDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶2计量)，三聚氰胺甲醛包覆聚磷酸铵微胶囊50份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝20∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在850℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为7.5MPa。
实施例3
A组份料：将BDO 120份，DY-1215份，DMTDA 60份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将聚四氢呋喃二醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的聚四氢呋喃二醇100份，NBDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶2计量)，环氧橡胶包覆聚磷酸铵微胶囊30份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝30∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在900℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为7.3MPa。
实施例4
A组份料：将BDO 80份，DY-1220份，DMTDA 120份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将聚四氢呋喃二醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的聚四氢呋喃二醇100份，NBDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶2.5计量)，异氰酸酯包覆聚磷酸铵微胶囊60份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝20∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在950℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为6.8MPa。
实施例5
A组份料：将HG 60份，DY-51份，MOCA 120份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇100份，XDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶1.8计量)，三聚氰胺包覆聚磷酸铵微胶囊30份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝10∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在800℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为7.1MPa。
实施例6
A组份料：将DEG 120份，DY-8 15份，DETDA 60份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将聚四氢呋喃三醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的聚四氢呋喃三醇100份，IPDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶2计量)，脲醛包覆聚磷酸铵微胶囊30份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝30∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在900℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为7.2MPa。
实施例7
A组份料：将NPG 100份，DY-20 10份，DMTDA 100份投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料。
B组份料：首先将聚氧化丙烯二醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa。再将脱水后的聚氧化丙烯二醇100份，NBDI(按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶2计量)，环糊精包覆聚磷酸铵微胶囊50份投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料。
使用时，将A、B组份料按A∶B＝20∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
经检测，制备的有机硅树脂基金属热加工保护涂料在850℃，6h后无氧化皮、腐蚀现象，金属热处理后涂层自动脱落，涂层无开裂，涂层附着力为7.2MPa。

Claims (8)

1.一种聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，其包括由A组份和B组份，其中，A组分和B组分分别包含如下重量份数的组分：
A组分：小分子醇类化合物60～120份、催化剂1～20份、扩链剂60～120份；
B组份：聚醚多元醇100份、膨胀型阻燃剂30～60份和异氰酸酯，其中异氰酸酯的量按聚醚多元醇中羟基与异氰酸酯中异氰酸基团摩尔比1∶1.8～2.5计量；
A组分和B组份的质量比为10～30∶100。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，所述的聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇、聚四氢呋喃二醇、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇、聚氧化丙烯三醇和聚四氢呋喃三醇中的任意一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，所述的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、甲基环己烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和降冰片烷二异氰酸酯中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，所述的膨胀型阻燃剂为微胶囊化的磷-氮系膨胀型阻燃剂中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，所述的小分子醇类化合物为乙二醇、丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、一缩二乙二醇、新戊二醇中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，所述的催化剂为双二甲氨基乙基醚、五甲基二乙烯三胺、二甲基环己胺、二月桂酸二丁基锡和有机铋中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料，其特征在于，所述的扩链剂为3，3′-二氯-4，4-二氨基二苯基甲烷、二甲硫基甲苯二胺、二乙基甲苯二胺中的任意一种。
8.权利要求1所述的聚氨酯树脂基金属热加工保护涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将配方量的小分子醇类化合物、催化剂、扩链剂投入反应釜中搅拌，转速为60-80转/分钟，搅拌0.5～1小时，制得A组份料；
将聚醚多元醇在110℃下抽真空脱水1～2小时，真空度小于1kPa，再将配方量的脱水后的聚醚多元醇、异氰酸酯、膨胀型阻燃剂投入反应釜中，开启搅拌，在80℃条件下，反应1～2小时，检测异氰酸基团含量基本不变时，降温至室温制得B组份料；
使用时，将A、B组份料按A∶B＝10～30∶100的质量比混合均匀，喷涂或手糊在金属表面即可。
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