CN106232738A - 用于施涂到片材上的底漆组合物及其施涂方法 - Google Patents

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Abstract

将水性底漆涂料组合物施涂到片材金属基底上并且快速固化。该底漆涂料组合物包含水、胶乳树脂和腐蚀抑制性颗粒。该底漆涂料组合物可以在轧制机上施涂到金属片材上并且快速固化，随后卷绕该经涂覆的片材。

Description

用于施涂到片材上的底漆组合物及其施涂方法
相关申请的交叉引用
本申请是2013年3月6日提交的美国专利申请系列No.13/786516的部分继续，该美国专利申请系列No.13/786516要求2012年6月19日提交的美国临时申请系列No.61/661532的权益，其二者通过引用并入本文。
发明领域
本发明涉及用于施涂到片材上的底漆组合物，将底漆组合物施涂到片材的方法。
发明背景
用于建筑和其他应用中的片材经常需要耐腐蚀性能。例如钢和其他类型的金属屋面片材必须以延长的时间段经受曝露于环境条件。镀锌钢屋面薄片通常用含铬组合物预处理来增加耐腐蚀性。这样的预处理可以在长条钢上进行，其然后卷绕成卷(roll)，用于随后使用。
发明内容
本发明的一方面提供了一种可快速固化水性底漆涂料组合物，其包含水、胶乳树脂(latex resin)和腐蚀抑制性颗粒。
本发明的另一方面提供了一种经涂覆的金属片材，其包含金属基底和覆盖了该金属基底的至少一部分的固化的底漆涂层，其中该固化的底漆涂层包含胶乳树脂和腐蚀抑制性颗粒，并且在小于350°F的温度固化小于10秒。
本发明的另一方面提供了一种涂覆片材金属基底的方法，其包括将包含水，胶乳树脂和腐蚀抑制性颗粒的底漆涂料组合物施涂到片材上，和将该底漆涂料组合物在小于350°F的温度固化小于10秒的时间。
附图简述
图1是部分的示意性侧视图，其阐明了一种在轧制机中将底漆涂料施涂到金属片材上的方法，包括使用辊涂机来将底漆涂料组合物施涂到片材和根据本发明的一种实施方案来使用。
具体实施方式
图1示意性地阐明了根据本发明一种实施方案的将底漆涂料组合物施涂到片材上的辊涂方法。在所示的实施方案中，该涂覆作业可以在常规轧制机中进行。金属片材例如镀锌钢，铝等是以长条5来提供的，其在反向旋转的涂覆辊20和22(其供给有一定量的(asupply of)底漆涂料组合物24)下送过。该基底片材可以是任何期望的厚度，例如0.5-3mm。例如在某些实施方案中镀锌钢屋面片材的厚度可以是0.5-2mm。将未涂覆的条5在涂覆辊20和22下送过，这里底漆涂料组合物24的层沉积到该片材的上表面上。在底漆涂料组合物24沉积到条5上之后，将该涂覆的条10送过炉子30或者任何其他已知类型的加热装置例如IR热源来快速固化该底漆涂料组合物。该涂覆的片材10可以形成卷材26用于储存和运输从而用于不同的应用中。
在该辊涂方法过程中，该底漆涂料组合物典型地以湿膜厚度至少1微米，典型地至少1或者5微米施涂到片材5上。在某些实施方案中，该涂料材料的湿膜厚度是5至15或者20微米。在某些实施方案中，该涂料组合物的沉积速率可以是至少200ft/min，典型地至少300ft/min或者350ft/min。
在施涂后，该底漆涂料组合物典型地干燥和快速固化(伴随着最小的VOC排放)。作为此处使用的，术语“快速固化”和“可快速固化”表示当经历升高的温度时，与所属领域的常规的底漆组合物(其典型地施涂到金属基底)相比，该底漆涂料组合物在减少的时间量内完全固化。固化时间典型地小于20秒，例如小于10或者5秒。典型的固化温度低于350°F，例如低于300°F或者250°F。在某些实施方案中，在220°F或者200°F的温度固化时间可以小于3或2秒，或者更低。
该底漆涂层的干膜厚度典型地可以大于1微米，例如大于2或3微米。在某些实施方案中，该底漆涂层的干膜厚度可以是3至10或者20微米。
本发明的底漆涂料组合物可以是水性的。在某些实施方案中，水可以占该底漆涂料组合物的20-80重量％，例如50-65重量％。在某些实施方案中，该底漆涂料组合物包含小于10重量％的有机溶剂，例如小于7或4重量％，基于该组合物的总重量。该底漆涂料组合物的树脂固体含量可以是相对高的，例如大于35或者40重量％，基于该组合物的总重量。
该底漆涂料组合物可以具有极少或者没有挥发性有机物含量(VOC)。例如该底漆涂料组合物可以包含小于1.5重量％的VOC，例如小于1或者0.5重量％的VOC，基于该组合物的总重量。在某些实施方案中，该底漆涂料组合物基本上没有VOC。
根据本发明的实施方案，该底漆涂料组合物包含胶乳树脂。该胶乳树脂可以是或者可以不是自交联的。该胶乳树脂典型地占该底漆涂料组合物的20-60重量％，例如大约30-大约50重量％。在某些实施方案中，用于制备该胶乳树脂的合适的单体可以包括乙烯基芳族单体例如苯乙烯，脂环族单体例如甲基丙烯酸环己基酯，和长链脂肪族单体例如丙烯酸2-乙基己基酯，MMA和/或甲基丙烯酸2-乙基己基酯。其他类型的单体包括环己烯，2-乙基-1-己烯，环己醇，α-甲基苯乙烯，2-乙基己醇，乙酸2-乙基己基酯，丁酸甲基-4-苯基酯，肉豆蔻酸甲酯和/或棕榈酸甲酯。
在某些实施方案中，用于该胶乳树脂的单体包括乙烯基芳族化合物，例如乙烯基芳族单体，其在某些实施方案中包含所计算的Tg是至少100℃的化合物。乙烯基芳族化合物的具体例子是苯乙烯(其所计算的Tg是100℃)，α-甲基苯乙烯(其所计算的Tg是168℃)，乙烯基甲苯，对甲基苯乙烯，乙基乙烯基苯，乙烯基萘，乙烯基二甲苯，α-甲基苯乙烯二聚体(甲基)丙烯酸酯，五氟苯乙烯等。在某些实施方案中，苯乙烯或者另一种乙烯基芳族单体可以是树脂的最主要的单体，基于重量％。
在某些实施方案中，该胶乳树脂的单体包括脂环族(甲基)丙烯酸酯单体，例如丙烯酸三甲基环己基酯，丙烯酸叔丁基环己基酯，二环戊二烯(甲基)丙烯酸酯，甲基丙烯酸三甲基环己基酯(计算的Tg是98℃)，甲基丙烯酸环己基酯(计算的Tg是83℃)，甲基丙烯酸异冰片基酯(计算的Tg是110℃)，甲基丙烯酸2-乙基己基酯，甲基丙烯酸四氢糠基酯，甲基丙烯酸3，3，5-三甲基环己基酯(计算的Tg是125℃)，和/或甲基丙烯酸4-叔丁基环己基酯等。
在某些实施方案中，该胶乳树脂的单体包括(甲基)丙烯酸烷基酯，其在某些实施方案中包含计算的Tg是至少100℃的化合物。(甲基)丙烯酸烷基酯具体的例子是(甲基)丙烯酸C1-C24烷基酯，例如(甲基)丙烯酸甲基酯(其的计算的Tg是105℃)，(甲基)丙烯酸丙基酯，(甲基)丙烯酸丁基酯，(甲基)丙烯酸异丁基酯，(甲基)丙烯酸己基酯，(甲基)丙烯酸2-乙基己基酯，(甲基)丙烯酸辛基酯，(甲基)丙烯酸癸基酯，(甲基)丙烯酸十二烷基酯，(甲基)丙烯酸十五烷基酯，(甲基)丙烯酸十六烷基酯，(甲基)丙烯酸十八烷基酯和(甲基)丙烯酸十九烷基酯及其混合物。其他单体包括例如腈类例如丙烯腈和/或甲基丙烯腈。
可以用于本发明的底漆涂料组合物的胶乳树脂的一些非限定性例子市售自Nuplex，Lubrizol，Rohm and Haas，Alberdingk Boley Company，Omnova和DSM Neoresins，例如Joncryl 1982，Caroboset CR-781，Alberdingk AC 2403，Alberdingk 2360，NeocrylXK-98等。
该胶乳树脂的平均粒度可以是50nm-300nm，例如60nm至100或者150nm；玻璃化转变温度(TG)是-20至100℃，典型地0至20或者50℃；和酸值是0-20，典型地2-10。
该底漆涂料组合物还包括至少一种腐蚀抑制性材料例如含铬或者不含铬的颗粒。作为此处使用的，术语“腐蚀抑制性”颗粒表示这样的颗粒，其当并入本发明的底漆涂料组合物中时，提供了至少1000小时的耐盐雾腐蚀性，并且在表面上没有可见的腐蚀点，其是通过ASTM B117标准测试来测量的。在某些实施方案中，该腐蚀抑制性颗粒可以以颜料或者调色剂的形式来提供，其典型的平均粒度是0.1-5微米，例如0.2-3微米或者0.5-1.5微米。该腐蚀抑制性颗粒典型地存在量是1-30重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量，例如2或3-25重量％。在某些实施方案中，该腐蚀抑制性颗粒占该底漆涂料组合物的至少5或8重量％，或者至少10或12重量％。
根据本发明的某些实施方案，所述涂料基本上没有铬。在这样的实施方案中，铬并非有意加入该涂料组合物中的，并且仅仅以痕量水平或者作为杂质存在。在这种实施方案中，不含铬的腐蚀抑制性颗粒的例子包括硅酸盐例如硅酸钙，氧化物，磷硅酸盐(phosphorsilicate)，磷酸盐，二氧化硅等。在某些实施方案中，二氧化硅可以以15-30重量％，例如20-25重量％的量加入该底漆涂料组合物中。二氧化硅的一些例子包括来自于PPG Industries的Lo-Vel 275二氧化硅和来自于Air Products的Aerosil 200二氧化硅。
在某些实施方案中，含铬酸盐的材料可以加入该底漆涂料组合物中。含铬的腐蚀抑制性颗粒的例子包括铬酸盐例如铬酸锶等。该含铬颗粒可以以上述量加入。在某些实施方案中，该含铬的腐蚀抑制性颗粒占至少3重量％，例如5-20重量％，或者8-18重量％，或者10-15重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量。
除了胶乳树脂和腐蚀抑制性颗粒之外，该底漆涂料组合物可以进一步包含至多10重量％的量，例如2-3重量％的量的至少一种聚结剂，基于该底漆涂料组合物的总重量。合适的聚结剂的例子包括丁基卡必醇，其市售自Dow Chemical Company，Dowanol DPM，Dowanol DPnB，Dowanol PPh，丁基溶纤剂或者Dowanol DPnP。根据本发明的实施方案，该聚结剂在胶乳树脂颗粒周围形成薄膜，其有助于它们聚结。该胶乳树脂颗粒改进的聚结可以产生非常细的粒度和均匀的微结构，其可以提供与其他类型的具有较大树脂粒度的涂料相比改进的腐蚀防护。例如根据本发明的某些实施方案，该平均树脂粒度可以小于150nm，例如小于100或者80nm。
在某些实施方案中，蜡可以以至多10重量％，例如0.5-3重量％的量加入该底漆涂料组合物中，基于该涂料组合物的总重量。合适类型的蜡包括Ceraflour 913，Worleeadd352，Aquamat 272，Aquamat 270，Aquacer 539及其组合。例如可以使用在名称Aquamat 272下由BYK Chemie销售的蜡。可以控制蜡的类型和量来改进涂覆的片材的耐刮擦性。例如当该涂覆的薄片形成卷材时，使用蜡添加剂可以降低或者防止卷绕开卷(coiling anuncoiling)方法过程中，以及随后的面漆施涂和/或涂覆的片材的安装和使用过程中的刮擦。在某些实施方案中，限制加入该底漆涂料组合物中的蜡的量来避免当涂覆的薄片卷绕时不想要的滑移，例如来防止由于相邻卷材层之间的低摩擦力导致的卷材不想要的“套叠(telescoping)”。
根据本发明的某些实施方案，不同的其他添加剂可以任选地加入该底漆涂料组合物中。例如合适的添加剂包括增稠剂，消泡剂，表面活性剂，防锈剂，pH控制剂和调色剂例如二氧化钛等(其通常用于底漆中)。
合适的增稠剂包括Acrysol ASE-60，Aquatix 8421，DSX-1550和Laponite RD。当使用时，这样的增稠剂的存在量可以是至多7重量％，例如0.5-4重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量。
合适的消泡剂包括BYK-011，BYK-20，BYK-32，BYK34和Drewplus L-419，获自Ashland，其量为至多2重量％，例如0.1-0.5重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量。
合适的表面活性剂包括获自DuPont的Zonyl FSP，获自Air Products的Surfynol104E，BYK 346和BYK 348，其量为至多2重量％，例如0.1-0.5重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量。
合适的防锈剂包括Halox 550，Halox Flash X-150，330，Halox SZP-391，苯甲酸铵和亚硝酸钠，其典型的量为至多1重量％，例如0.4-0.6重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量。
在某些实施方案中，该底漆涂料组合物基本上没有某些金属盐例如金属磷酸盐，磷碳酸盐和磷硅酸盐。例如该组合物可以基本上没有磷酸锌，磷酸钙，磷硅酸钙和/或富含钙的二氧化硅。
合适的pH控制剂包括任何水溶性胺例如二甲基乙醇胺(DMEA)，获自Avecia，其典型的量为至多1重量％，例如0.01-0.2重量％，基于该底漆涂料组合物的总重量。
在某些实施方案中，至少一种着色颜料或者调色剂可以加入该底漆涂料组合物中。着色颜料和调色剂不同于反射性干涉颜料，并且包括常规的无机和有机颜料，例如见于常规油漆和底漆中的那些。例如不同的着色颜料列于Dry Color ManufacturersAssociation(DCMA)分类中。与具有相对高的长径比的板状和片状反射性干涉颜料对比，这样的着色颜料和调色剂典型地包含具有基本上等轴形态的颗粒，例如长径比是大约1：1。一种合适类型的着色颜料包括至多35重量％，例如1-25重量％的量的TiO2，基于该底漆涂料组合物的总重量。市售自PPG Industries的Aquext白色调色剂和市售自Wayne Pigments的Corrosperse 176E铬调色剂是合适的调色剂的例子。
在某些实施方案中，导电性颗粒例如石墨烯碳颗粒可以以至多5重量％或更大，例如1-2重量％的量加入该底漆涂料组合物中，基于该底漆涂料组合物的总重量。这样的石墨烯碳颗粒可以提供改进的热发射率性能。石墨烯碳颗粒可以获自商业来源，或者可以根据美国申请系列No.13/249315和13/309894所述的方法和设备来制造，其通过引用并入本文。
下面的实施例说明了本发明不同的方面，但不旨在限制本发明的范围。
实施例
包含铬或者非铬腐蚀抑制性颗粒的底漆涂料组合物是如下表1所述来制备的。样品No.1包含铬调色剂，而样品No.2是无铬的。
表1
底漆涂料组合物
将表1所列的组分以所述次序，在温和搅拌下一起加入。在面板制备之前使得该底漆涂料组合物平衡过夜。第二天检查粘度和pH。将该底漆涂料组合物使用线(wire)刮涂棒施涂到三种不同类型的基底上。该三种类型的基底是热浸镀锌钢，铝和钢，并且涂覆有锌和铝，其是在名称Galvalume下市售的。将该经涂覆的面板置于链条式平炉中，其设定在260℃的温度和足以在两秒的驻留时间内获得190°F的峰值金属温度的线速度。经底漆涂覆的面板中的一些随后用三种不同类型的面漆来涂覆：高焙烤水性面漆，在名称Environ下市售自PPG；溶剂性聚酯基面漆，在名称Truform下市售自PPG；和水性面漆，在名称Environ MCL下市售自PPG。还通过将来自于PPG的铬聚氨酯底漆，或者来自于PPG的非铬聚氨酯底漆来制造包含常规的含铬和不含铬的底漆的对照面板。该常规聚氨酯底漆是通过与上述类似的方法来施涂，除了需要在450°F的更高峰值金属温度的至少30秒的更长的固化时间来完全固化该聚氨酯底漆之外。测试了经涂覆的面板，并且结果显示在下表中。
表2
仅仅底漆
表3
底漆和水基高焙烤体系Environ面漆
表4
底漆和Truform溶剂性聚酯面漆
表5
底漆和低焙烤水性Solar White面漆
在前述表中，T-弯曲测试是根据标准ASTM D4145测试来进行的；反向(Rev)冲击测试是根据ASTM D2794来进行的，X划线附着性测试是根据ASTM D3359来进行的，和MEK损坏(Mar)测试是根据ASTM D5402来进行的。铅笔硬度测试是根据ASTM D3363来进行的，其中铅笔以45度角牢固地靠着底漆涂层保持，并且以0.25英寸冲程(stroke)推离操作者。足够的压力是向下和向前施加的，来切割或者刮擦膜。沿着硬度标度重复该过程，直到发现铅笔将不切透所述膜到基底为止。硬度标度是：6B(非常软)至6H(非常硬)。
表6
腐蚀测试结果
表7
表8
根据前表中所列的ASTM B117盐雾测试，将面板与经胶带粘贴的(taped)切边置于95F/5％NaCl溶液室(cabinet)中1216小时。然后将该面板从所述室中除去，并且目视评价面板的面上的任何红色或者白色锈，黑点和气泡缺陷。
出于该详细说明的目的，应理解本发明可采用各种替代变化和步骤顺序，除了其中明确有相反的规定之外。另外，除了在任何操作实施例中，或其中另外说明，所有表达，例如说明书和权利要求中使用的成分的量的数字，应被理解为在所有情况下由术语“约”来修饰。因此，除非有相反指示，下述说明书和附加的权利要求中陈述的数字参数是近似值，其可根据本发明获得的期望性能而变化。最起码，并且不试图限制将等同原则应用到权利要求范围，每个数字参数应至少按照所报告的有效数字的位数并通过应用普通的四舍五入方法来解释。
虽然陈述本发明宽广范围的数字范围和参数是近似值，但在具体实施例中称述的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值必然固有地包含在它们各自测试方法中发现的标准偏差必然造成的一定误差。
同样，应当理解的是，本文中引用的任何数值范围旨在包括全部包括在其中的子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括所述的最小值1和所述的最大值10之间(并且包括端值)的全部子范围，也就是说，具有最小值等于或大于1，和最大值等于或小于10。
在本申请中，单数的使用包括复数和复数包括单数，除非另有明确规定。另外，在本申请中，使用“或者”表示“和/或”，除非另有明确规定，即使在某些情况中可以明确使用“和/或”。
本领域技术人员将容易理解可以对本发明作出改变，而不脱离前面的说明书所公开的理念。这样的改变被认为包括在下面的权利要求中，除非该权利要求通过它们的语言另有明确表示。因此，此处详细描述的具体实施方案仅仅是示例性的，并非限制本发明的范围，对本发明的范围给予附加的权利要求及其任何和全部等价物的全部宽度。

Claims (22)

1.一种可快速固化水性底漆涂料组合物，其包含：
水；
胶乳树脂；和
腐蚀抑制性颗粒。
2.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该组合物能够在小于350°F的温度以小于10秒固化。
3.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该腐蚀抑制性颗粒包含铬，并且该腐蚀抑制性颗粒的存在量是至少3重量％，基于该涂料组合物的总重量。
4.权利要求3的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该腐蚀抑制性颗粒包括铬酸锶。
5.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该腐蚀抑制性颗粒基本上没有铬，并且该腐蚀抑制性颗粒的存在量是至少5重量％，基于该涂料组合物的总重量。
6.权利要求5的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该腐蚀抑制性颗粒包括硅酸盐、氧化物、磷酸盐、磷硅酸盐或者二氧化硅。
7.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该腐蚀抑制性颗粒包括二氧化硅，并且该腐蚀抑制性颗粒的存在量是至少10重量％，基于该涂料组合物的总重量。
8.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该胶乳树脂是自交联的，并且由至少一种乙烯基芳族单体来制备。
9.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其中该底漆涂料组合物的挥发性有机物含量小于1.5重量％，基于该组合物的总重量。
10.权利要求1的可快速固化水性底漆涂料组合物，其进一步包含聚结剂、蜡、粘度增强剂、增稠剂、着色颜料和/或着色调色剂。
11.一种经涂覆的金属片材，其包含：
金属基底；和
固化的底漆涂层，其覆盖了该金属基底的至少一部分，其中该固化的底漆涂层包含胶乳树脂和腐蚀抑制性颗粒，并且在小于350°F的温度固化小于10秒。
12.权利要求11的经涂覆的金属片材，其中该腐蚀抑制性颗粒包括铬酸锶和/或二氧化硅。
13.权利要求11的经涂覆的金属片材，其中该固化的底漆涂层的干膜厚度是至少1微米。
14.权利要求11的经涂覆的金属片材，其中该金属处于卷材的形式。
15.一种涂覆片材金属基底的方法，其包括：
将包含水、胶乳树脂和腐蚀抑制性颗粒的底漆涂料组合物施涂到该片材上；和
将该底漆涂料组合物在小于350°F的温度固化小于10秒的时间。
16.权利要求15的方法，其中将该底漆涂料组合物以至少1微米的湿膜厚度来施涂。
17.权利要求15的方法，其中该底漆涂料组合物的挥发性有机物含量小于1.5重量％。
18.权利要求15的方法，其中该底漆涂料组合物是通过辊涂来施涂的。
19.权利要求18的方法，其中该底漆涂料组合物是以至少200ft/min的速率来施涂的。
20.权利要求15的方法，其中该底漆是通过将该片材和所施涂的底漆涂料组合物送过温度小于250°F的炉子小于5秒的时间来固化的。
21.权利要求15的方法，其进一步包括将面漆施涂到该底漆涂层的至少一部分上。
22.权利要求15的方法，其进一步包括使该经涂覆的金属片材形成卷材。
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