CN107088512B - 一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺 - Google Patents

一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺 Download PDF

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Abstract

一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，包括以下步骤：A、涂料的制备：涂料的原料配方包括硅溶胶和含羟基的有机改性剂，具体的制备为：首先将硅溶胶和有机改性剂按配比进行混合，熟化后获得基料，向基料内加入防裂粉，搅拌均匀后获得底漆，备用；B、涂料喷涂：将底漆喷涂于基材的表面；C、分段热处理：将步骤B喷涂后的基材进行烘干，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段。本发明提出一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，通过涂料的制备和分段热处理工艺，解决了现有无机涂层过厚时干燥时容易有裂纹或后期使用时容易出现龟裂现象的技术问题，打破了现有无机涂层厚度仅能在10‑50μm的技术局限。

Description

一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺
技术领域
本发明涉及无机涂层的技术领域，尤其涉及一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺。
背景技术
无机涂层，主要应用于五金件上如铜、铝、不锈钢或铝合金等，现有的纳米硅无机涂层，其在成膜中由纳米硅溶胶进行缩聚反应形成硅氧烷键链接而成的立体多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构，硅氧烷键键能高、极其稳定，耐老化性能、耐温性高，已经较广的应用，但现有的纳米硅无机涂层存在两个问题：
1、光泽度较低：光泽度在10-30°之间，属于哑光面，涂覆后会使基材失去原有的金属光泽；
2、涂层厚度薄；涂层厚度在10～50μm之间，像具有类似无机硅酸盐材料一样致命的弱点——脆性大，涂层过厚(厚度超过约50μm)，在后期应用过程中由于热胀冷缩极易出现龟裂现象；或者在喷涂之后的热处理过程就会出现龟裂现象。
发明内容
本发明的目的在于提出一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，通过涂料的制备和分段热处理工艺，解决了现有无机涂层过厚时干燥时容易有裂纹或后期使用时容易出现龟裂现象的技术问题，打破了现有无机涂层厚度仅能在10-50μm的技术局限。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，包括以下步骤：
A、涂料的制备：
涂料的原料配方包括硅溶胶和含羟基的有机改性剂，具体的制备为：首先将硅溶胶和有机改性剂按配比进行混合，熟化后获得基料，向基料内加入防裂粉，搅拌均匀后获得底漆，备用；
B、涂料喷涂：
将底漆喷涂于基材的表面；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，所述预反应成膜阶段为采用50℃-100℃烘烤2-30min；所述低温烧结反应阶段为采用100℃-150℃烘烤30-90min。
更一步的说明，底漆中硅溶胶和有机改性剂的质量之比为：1.0：1～2.0：1，防裂粉的添加量为硅溶胶和有机改性剂总质量的2％-15％。
更进一步的说明，所述步骤A中涂料的制备还包括面漆的制备，所述面漆的制备为按配比将硅溶胶和有机改性剂进行混合，熟化后获得面料，备用；
步骤B中涂料喷涂为分层喷涂方式，所述分层喷涂方式为先将底漆均匀的喷涂于基材表面，干燥后再喷涂面漆。
更进一步的说明，步骤B中底漆干燥后还包括喷砂或打磨工序。
更进一步的说明，步骤B中底漆喷涂之后还包括中漆喷涂，中漆干燥后再喷涂面漆，其中中漆的配方包括基料和防裂粉。
更进一步的说明，步骤B中底漆干燥或/和中漆干燥后还包括喷砂或打磨工序。
更进一步的说明，步骤B中采用热处理或自然表干的方式进行干燥，其中热处理方式为40℃-100℃烘烤1-30min。
更进一步的说明，所述底漆和面漆的配方中包括色浆，其中底漆中的色浆添加量大于面漆中的色浆添加量。
更一步的说明，底漆或中漆中的色浆的添加量为硅溶胶和有机改性剂总质量的20％-60％。
更进一步的说明，步骤A中硅溶胶和有机改性剂的搅拌采用球磨、超声波、搅拌或超声波和搅拌结合的方式进行熟化。
更进一步的说明，涂层喷涂的总厚度为10-120μm。
更进一步的说明，步骤C中预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段的温度差范围为40℃-80℃。
本发明的有益效果：
1、通过涂料的制备、分层涂覆以及分段热处理工艺，由多孔网络来使防裂粉和色浆均匀的分布于涂料中，可确保底层各性能的均一性，并由防裂粉来改善涂层的韧性，使本申请的涂层厚喷后不易出现龟裂，涂层厚度可提升至120μm，解决了现有无机涂层过厚时干燥时容易有裂纹或后期使用时容易出现龟裂现象的技术问题，打破了现有无机涂层厚度仅能在10-50μm的技术局限；
2、通过底漆和面漆的结合，涂层的光泽度高，光泽度高达60-85°，与现有技术的无机涂层仅达10-30°的光泽度(即为哑光面)相比，本申请的涂层为亮光面，且涂层表面饱满、美观。
附图说明
图1是硅溶胶的粒子结构示意图；
图2是硅溶胶的粒子结构表面状态的示意图；
图3是本发明的喷涂工艺的一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，包括以下步骤：
A、涂料的制备：
涂料的原料配方包括硅溶胶和含羟基的有机改性剂，具体的制备为：首先将硅溶胶和有机改性剂按配比进行混合，熟化后获得基料，向基料内加入防裂粉，搅拌均匀后获得底漆，备用；
B、涂料喷涂：
将底漆喷涂于基材的表面；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，所述预反应成膜阶段为采用50℃-100℃烘烤2-30min；所述低温烧结反应阶段为采用100℃-150℃烘烤30-90min。
本申请的喷涂工艺，在基材表面喷涂底漆，其中，涂料制备中，涂料的原料配方包括硅溶胶和有机改性剂。
硅溶胶是二氧化硅胶体微粒在水中均匀扩散形成的胶体溶液，又名硅酸溶液，为碱性溶液，pH值为10。硅溶胶属于胶体溶液，无臭、无毒，分子式可表示为mSiO2·H2O，外观为乳白色半透明液体。
硅溶胶的粒子结构和表面状态如下图1、2所示。硅溶胶粒子的内部结构为硅氧烷键(-Si-O-Si-)，表面层由许多硅氧醇基(-SiOH)和羟基(-OH)所覆盖，它们同胶体溶液中存在的碱金属离子一起形成扩散双电层，粒子间的静电作用对胶体溶液的稳定起重要作用。
优选的，有机改性剂为含有羟基的有机改性剂，其可以为含有羧基的改性聚硅氧烷或含有酰胺基的改性聚硅氧烷或草酸或柠檬酸等，其中的一种或者复合。
本申请先将硅溶胶和有机改性剂混合，进行熟化预反应，通过脱水缩合、放热反应，并释放出游离水分子，反应为：
R—COOH(有机改性剂)+—SiOH/—OH(硅溶胶)
由硅溶胶进行缩聚反应形成硅氧烷键链接而成的立体多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构，获得基料，其硅氧烷键键能高、极其稳定，耐老化性能、耐温性高，另外，在底漆含有防裂粉，由于底漆也是先将硅溶胶和有机改性剂先进行熟化预反应，之后再加入防裂粉，其通过搅拌，防裂粉或其他填料分散进入[—Si—O—Si—]n结构的多孔网络中，由多孔网络来使防裂粉均匀的分布于涂料中，可确保底层各性能的均一性，并由防裂粉来改善涂层的韧性，此外，通过后期热处理与前期熟化预反应阶段的互穿反应，有机改性剂与硅溶胶进行脱水缩合反应，在硅溶胶部分硅氧醇基(-SiOH)或羟基(-OH)上接枝形成带“尾巴”的有机物，该反应产物穿插在主要结构多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构的网格中；该反应产物既能提高聚硅氧烷网络结构的柔韧性(不易脆裂)，又能改善硅溶胶的成膜性能。本申请的热处理还分为了两个阶段，分别是预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，预反应成膜阶段，40-100℃热处理2-50min，主要为有机溶剂(丙醇、乙醇)及水分的排出，成膜反应逐步进行，并形成具有一定强度的膜结构；低温烧结反应阶段，100℃-150℃热处理30-90min，此阶段为高沸点有机溶剂及水分的进一步排出，即充分进行上述成膜反应，直至完全反应(完全干燥)，固结反应使强度、致密度接近峰值，本申请通过分段热处理，防止初期温度过高，成膜反应过于剧烈，避免出现涂膜裂纹，使本申请的涂层厚喷后不易出现龟裂，涂层厚度可提升至120μm，解决了现有无机涂层过厚时干燥时容易有裂纹或后期使用时容易出现龟裂现象的技术问题，解决了现有无机涂层厚度仅能在10-50μm的技术局限，现有技术中涂层涂覆超过50μm时，成品涂膜上就容易出现裂纹，后期应用时有龟裂现象。
更一步的说明，底漆中硅溶胶和有机改性剂的质量之比为：1.0：1～2.0：1，防裂粉的添加量为硅溶胶和有机改性剂总质量的2％-15％。
需要说明的是，防裂粉为纳米纤维料，可以为纳米级玻璃纤维或纳米级尼龙纤维等，选用纳米级别，使其更容易分散于涂料中，在干燥、热处理后均匀的分布在涂膜上。
更进一步的说明，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，所述预反应成膜阶段与所述低温烧结反应阶段之间的转化可以逐步升温或直接调温。
更一步的说明，所述步骤A中涂料的制备还包括面漆的制备，所述面漆的制备为按配比将硅溶胶和有机改性剂进行混合，熟化后获得面料，备用；
步骤B中涂料喷涂为分层喷涂方式，所述分层喷涂方式为先将底漆均匀的喷涂于基材表面，干燥后再喷涂面漆。
本申请的喷涂工艺，如图3所示，至少分为了底漆和面漆的喷涂，在基材表面喷涂底漆，在底层涂膜表干后加喷一层涂膜(面漆)。底漆一般是含有色浆或其他填料来用于覆盖原基材表面的颜色，本申请用底漆的颜色来覆盖基材原有的颜色，面漆则采用透明涂层或者少填料的配方来提高涂层的光泽度，通过底漆和面漆的结合，涂层的光泽度高，光泽度高达60-85°，与现有技术的无机涂层仅达10-30°的光泽度(即为哑光面)相比，本申请的涂层为亮光面，且涂层表面饱满、美观。
更一步的说明，步骤B中底漆干燥后还包括喷砂或打磨工序。
通过喷砂或打磨，在各层的表面产生均匀细微的凹凸面，在凹凸面上再喷涂中漆或面漆，使层间的粘接更牢固，不会出现脱层现象，尤其是在底漆和面漆的衔接之间，通过细微凹凸面的设置，面漆喷涂时会自然流入凹孔内，成品后，如对其进行刮划或撞击等，即便是划出痕迹，其痕迹处的光泽度基本没有变化，痕迹的可观察性大大的降低，如果不仔细观察，也不会发现痕迹。需要说明的是，打磨使用砂纸打磨即可，喷砂使用现有技术即可，在此不再赘述。
更一步的说明，步骤B中底漆喷涂之后还包括中漆喷涂，中漆干燥后再喷涂面漆，其中中漆的配方包括基料和防裂粉。
还包括中漆喷涂，中漆也含有防裂粉，进一步的提高涂膜的性能。通过中漆的加强层，使本申请喷涂工艺中喷涂厚度可进一步的增大，且成品后期应用不会出现龟裂现象。
更一步的说明，步骤B中底漆干燥或/和中漆干燥后还包括喷砂或打磨工序。通过喷砂或打磨，在各层的表面产生均匀细微的凹凸面，在凹凸面上再喷涂中漆或面漆，使层间的粘接更牢固，不会出现脱层现象，尤其是在中漆和面漆的衔接之间，通过细微凹凸面的设置，面漆喷涂时会自然流入凹孔内，成品后，如对其进行刮划或撞击等，即便是划出痕迹，其痕迹处的光泽度基本没有变化，痕迹的可观察性大大的降低，如果不仔细观察，也不会发现痕迹。需要说明的是，打磨使用砂纸打磨即可，喷砂使用现有技术即可，在此不再赘述。
更进一步的说明，如图3所示，基材在喷涂之前，经过除尘处理和预热处理，其中预热处理为80℃5min，使底漆更快的流平和干燥，提高底漆与基材的粘接性。
更一步的说明，步骤B中采用热处理或自然表干的方式进行干燥，其中热处理方式为40℃-100℃烘烤1-30min。
通过热处理方式可更快的完成涂层的干燥，节省时间。
更一步的说明，所述底漆和面漆的配方中包括色浆，其中底漆中的色浆添加量大于面漆中的色浆添加量。
涂膜的颜色主要由底漆来决定，中漆起到润色加强作用，而面漆主要是提高涂膜的光泽度，因此面浆不适合添加过多的色浆。其中对于有颜色要求的涂料，如果还设置有中漆，其底漆、中漆和面漆中色浆的添加量的大小为底漆＞中漆＞面漆，增设中漆喷涂，可确保完全覆盖基材的原表色，可确保基材表面颜色的统一性。更一步的说明，底漆或中漆中的色浆的添加量为硅溶胶和有机改性剂总质量的20％-60％。
更一步的说明，步骤A中硅溶胶和有机改性剂的搅拌采用球磨、超声波、搅拌或超声波和搅拌结合的方式进行熟化。
其中，采用球磨方式时，需5-7h，采用超声波方式时，需2h，采用搅拌方式时，需3-4h，采用超声波和搅拌方式结合时，需0.5-2h，其中超声波方式中反应的效果最佳，成膜性能比搅拌方式好。本申请通过长时间的搅拌、球磨或超声波方式，让硅溶胶和有机改性剂进行熟化预反应，通过充分反应来达到最佳的复合强度，提高涂膜的成膜性能。
更一步的说明，涂层喷涂的总厚度为10-120μm。
进一步的说明，步骤B中面漆的喷涂为2-3次。可通过重复多次喷涂中漆或面漆或分别喷涂厚的底漆、中漆和面漆来提高涂膜总的喷涂厚度，进一步的提高涂膜表面饱满质感。另外，通过面漆的增涂，来提高涂膜的光泽度。
更一步的说明，步骤C中预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段的温度差范围为40℃-80℃。优选的，温度差为50℃-60℃，避免层与层之间未进行边界相容时就自固化，避免后期使用时容易出现脱层现象。
优选的，有机改性剂中还可以添加一些防污剂、促进剂、流平润湿剂或分散剂等。
实施例1
A、涂料的制备：
称料：300g硅溶胶、200g有机改性剂、100g色浆(此处选用白色色浆，主要为超细钛白粉)、25g防裂粉
基料的配置：将有机改性剂搅拌，并在搅拌的过程中添加硅溶胶，控制搅拌转速约在400-800r/min，搅拌熟化反应时间为3h(其中为了防止搅拌过程中水分的散失，将料桶加盖或者使用其他密封措施)，熟化后得到基料，并将该基料作为面漆；
底漆的配置：将上述制备的基料取250g搅拌，并在搅拌过程中依次加入色浆和防裂粉，充分搅拌20min，后静置15min，备用。
B、涂料喷涂：
先喷底漆，厚度约为45μm，干燥热处理为：烘烤温度：50℃，烘烤时间：3.5min；
干燥后再喷面漆，厚度约为8～20μm；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，所述预反应成膜阶段为采用80℃烘烤45min；所述低温烧结反应阶段为采用150℃烘烤55min。
对比实施例1
A、涂料的制备：
称料：300g硅溶胶、200g有机改性剂、100g色浆(此处选用白色色浆，主要为超细钛白粉)、25g防裂粉
基料的配置：将有机改性剂搅拌，并在搅拌的过程中添加硅溶胶，控制搅拌转速约在400-800r/min，搅拌熟化反应时间为3h(其中为了防止搅拌过程中水分的散失，将料桶加盖或者使用其他密封措施)，熟化后得到基料，并将该基料作为面漆；
底漆的配置：将上述制备的基料取250g搅拌，并在搅拌过程中依次加入色浆和防裂粉，充分搅拌20min，后静置15min，备用。
B、涂料喷涂：
先喷底漆，厚度约为45μm，自然晾干干燥后再喷面漆，厚度约为8～20μm；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，采用120℃空烘烤80min。
对比实施例2
A、涂料的制备：
称料：300g硅溶胶、200g有机改性剂、100g色浆(此处选用白色色浆，主要为超细钛白粉)、25g防裂粉
基料的配置：将有机改性剂搅拌，并在搅拌的过程中添加硅溶胶，控制搅拌转速约在400-800r/min，搅拌熟化反应时间为3h(其中为了防止搅拌过程中水分的散失，将料桶加盖或者使用其他密封措施)，熟化后得到基料；
底漆的配置：将上述制备的基料取250g搅拌，并在搅拌过程中依次加入色浆和防裂粉，充分搅拌20min，后静置15min，备用。
B、涂料喷涂：
喷底漆，厚度约为50μm；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，所述预反应成膜阶段为采用80℃烘烤45min；所述低温烧结反应阶段为采用150℃烘烤55min。
对比实施例3
A、涂料的制备：
称料：300g硅溶胶、200g有机改性剂、100g色浆(此处选用白色色浆，主要为超细钛白粉)、25g防裂粉
基料的配置：将有机改性剂搅拌，并在搅拌的过程中添加硅溶胶，控制搅拌转速约在400-800r/min，搅拌熟化反应时间为3h(其中为了防止搅拌过程中水分的散失，将料桶加盖或者使用其他密封措施)，熟化后得到基料，并将该基料作为面漆；
B、涂料喷涂：
喷面漆，厚度约为45μm；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，采用120℃空烘烤80min。
对比实施例3只喷涂面漆且只进行了单一阶段的干燥，经多次试验证明，其最大限度仅可涂覆50微米的厚度，且当涂覆厚度为50μm时，后期干燥过程中涂膜容易出现裂纹，不进行分漆分层涂覆和分阶段热处理的喷涂不能实现厚涂效果。
对上述实施例1和对比实施例1、2进行性能检测，具体测试方法和依据标准如下表1：
Figure BDA0001309404350000111
Figure BDA0001309404350000121
表1
测试数据如下表2：
Figure BDA0001309404350000122
Figure BDA0001309404350000131
表2
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：包括以下步骤：
A、涂料的制备：
涂料的原料配方包括硅溶胶和有机改性剂，所述有机改性剂为含有羧基的改性聚硅氧烷、含有酰胺基的改性聚硅氧烷、草酸或柠檬酸中的一种或复合；
面漆的制备为：按配比将硅溶胶和有机改性剂进行混合，熟化后获得面漆，备用；
底漆的制备为：将硅溶胶和有机改性剂按配比进行混合，熟化后获得基料，向基料内加入防裂粉，搅拌均匀后获得底漆，备用；底漆中硅溶胶和有机改性剂的质量之比为：1.0：1～2.0：1，防裂粉的添加量为硅溶胶和有机改性剂总质量的2％-15％；
B、涂料喷涂：
分层喷涂方式，所述分层喷涂方式为先将底漆均匀的喷涂于基材表面，干燥后再喷涂面漆；
C、分段热处理：
将步骤B喷涂后的基材进行烘干，其中烘干依次包括预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段，所述预反应成膜阶段为采用50℃-100℃烘烤2-30min；所述低温烧结反应阶段为采用100℃-150℃烘烤30-90min；其中，预反应成膜阶段和低温烧结反应阶段的温度差范围为40℃-80℃。
2.根据权利要求1所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：步骤B中底漆干燥后还包括喷砂或打磨工序。
3.根据权利要求1所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：步骤B中底漆喷涂之后还包括中漆喷涂，中漆干燥后再喷涂面漆，其中中漆的配方包括基料和防裂粉。
4.根据权利要求3所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：步骤B中底漆干燥或/和中漆干燥后还包括喷砂或打磨工序。
5.根据权利要求1所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：步骤B中采用热处理或自然表干的方式进行干燥，其中热处理方式为40℃-100℃烘烤1-30min。
6.根据权利要求1所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：所述底漆和面漆的配方中包括色浆，其中底漆中的色浆添加量大于面漆中的色浆添加量。
7.根据权利要求1所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：步骤A中硅溶胶和有机改性剂的混合采用球磨、超声波、搅拌或超声波和搅拌结合的方式进行熟化。
8.根据权利要求1所述的一种纳米硅无机涂层的喷涂工艺，其特征在于：涂层喷涂的总厚度为10-120μm。
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