CN107722765B - 一种水性无铬锌铝涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性无铬锌铝涂料及其制备方法和应用，属于涂料领域。按重量份计，所述涂料由以下组分组成：成膜物30～40份、金属粉30～40份、自润滑填料5～10份、润湿剂3～6份、分散剂0.2～0.8份、缓蚀剂1～3份、增稠剂0.2～0.6份，消泡剂0.2～0.6份，水10～20份；其中，所述成膜物为自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的混合物。该涂料用于紧固件防腐，可常温固化，对材料的力学性能无影响，且固化后形成的涂层具有自润滑功能，装配过程中涂层不会磨损破坏，具有优异的防腐蚀性能，满足环保要求。

Description

一种水性无铬锌铝涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及涂料领域，特别涉及一种水性无铬锌铝涂料及其制备方法和应用。
背景技术
出口铁路车辆紧固件防腐蚀性能较差，经海洋运输至外方交付场地时，普遍出现紧固件锈蚀现象，部分紧固件锈蚀严重，影响出口铁路车辆外观和防护能力，并影响出口产品质量兴誉。紧固件锈蚀问题目前已成为影响包括出口车辆在内的各型铁路车辆外观质量和整体防护性能的重要因素之一。
紧固件的防腐能力差，是国内、外各行业共同面对的问题。随着防腐技术的不断进步，达克罗(锌铬涂料)技术的应用可大幅提高紧固件的防腐综合性能。达克罗涂料(锌铬涂料)具有高耐蚀性、高附着性、耐高温性、无氢脆等优良特点，但是，根据国家环保法规相关规定，我国在2014年1月1日之后已逐渐禁止使用六价铬，而目前国内达可罗工艺主要采用的是六价铬钝化工艺。
为适应国家环保要求，国内外公司研制开发了多种无铬锌铝涂料产品，如GEOMET、DEITAMKS、MAGNi、ZiNTEK等，其中水性、无铬、环境友好型GEOMET为主流产品，应用较广泛。但这类无铬锌铝涂料产品均需200～300℃的高温烘烤固化20～40分钟，此过程会影响紧固件金属的热处理状态，使紧固件的力学性能有所下降。同时该类涂料较薄，螺纹类的紧固件在装配过程中，涂料极易磨损破坏，而导致涂料的防护效果降低或丧失。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异防腐蚀性能的水性无铬锌铝涂料及其制备方法和应用，该涂料可常温固化，且固化后形成的涂层具有自润滑功能，装配过程中涂层不会磨损破坏。
一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种水性无铬锌铝涂料，按重量份计，所述涂料由以下组分组成：成膜物30～40份、金属粉30～40份、自润滑填料5～10份、润湿剂3～6份、分散剂0.2～0.8份、缓蚀剂1～3份、增稠剂0.2～0.6份，消泡剂0.2～0.6份，水10～20份；
其中，所述成膜物为自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的混合物。
进一步地，所述自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的重量比为15～20:1，优选为19:1。
进一步地，所述自交联丙烯酸酯乳液为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯及丙烯酸四种单体的共聚物，所述自交联丙烯酸酯乳液采用双丙酮丙烯酰胺与己二酸己二酰肼自交联体系。
进一步地，所述金属粉由质量比为1～5:1的鳞片状锌粉和铝粉组成。
进一步地，所述自润滑填料为聚四氟乙烯粉末。
进一步地，所述润湿剂为聚乙二醇200；所述分散剂为非离子表面活性剂；所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
进一步地，所述缓蚀剂为钼酸钠；所述增稠剂为羟乙基纤维素。
另一方面，本发明提供了上述水性无铬锌铝涂料的制备方法，包括：
将金属粉与自润滑填料混合搅拌均匀，加入分散剂和润湿剂，搅拌均匀得到混合物A；其中，所述金属粉、自润滑填料、分散剂和润湿剂的重量份分别为30～40份、5～10份、0.2～0.8份、3～6份；
将缓蚀剂、消泡剂和增稠剂与水混合均匀得到溶液B；其中，所述缓蚀剂、消泡剂和增稠剂和水的重量份分别为1～3份、0.2～0.6份、0.2～0.6份、10～20份；
将成膜物与所述溶液B、所述混合物A混合，分散搅拌均匀，即得到所述水性无铬锌铝涂料；其中，所述成膜物的重量份为30～40份。
另一方面，本发明提供了一种上述水性无铬锌铝涂料在紧固件防腐蚀中的应用。
进一步地，在所述紧固件的基体表面涂覆所述水性无铬锌铝涂料，涂覆量为200mg/dm2～380mg/dm2，涂覆厚度为5μm～12μm。
本申请实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例提供的水性无铬锌铝涂料，可常温固化交联，避免了高温固化使材料力学性能下降的问题；固化后形成的涂层具有自润滑功能，有效避免了装配过程涂层磨损而降低或丧失防腐效果的问题；同时通过其它各组分间的协同作用，具有优异的防腐蚀性能，其耐盐雾性能达到750h，耐水试验达到240h，耐湿热性能达到360h，且该涂料不含Cr6+有害物，满足环保要求。
2、本申请实施例提供的水性无铬锌铝涂料的制备方法，工艺简单，无需特殊设备。
附图说明
图1是本申请实施例中水性无铬锌铝涂料的制备方法流程图。
具体实施方式
本申请实施例提供一种水性无铬锌铝涂料及其制备方法和应用，该涂料可常温固化，且固化后形成的涂层具有自润滑功能，装配过程中涂层不会磨损破坏，该涂料符合环保要求且防腐蚀性能优异。
为实现上述目的，本申请实施例总体思路如下：
本申请提供了一种水性无铬锌铝涂料，按重量份计，所述涂料由以下组分组成：成膜物30～40份、金属粉30～40份、自润滑填料5～10份、润湿剂3～6份、分散剂0.2～0.8份、缓蚀剂1～3份、增稠剂0.2～0.6份，消泡剂0.2～0.6份，水10～20份；
其中，所述成膜物为自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的混合物。
本申请通过使用自交联丙烯酸酯乳液和纳米硅溶胶的混合物为成膜物，实现常温固化交联，避免了高温固化使材料力学性能下降的问题；同时添加自润滑填料在涂料成膜过程中富积在涂层表面，使涂层摩擦系数降低，有效避免涂层磨损而降低或丧失防腐效果的问题；同时通过其它各组分间的协同作用，获得了优异的防腐蚀性能，且该涂料不含Cr6+有害物，满足环保要求。
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
一方面，为实现上述目的，本申请实施例提供了一种水性无铬锌铝涂料，按重量份计，所述涂料由以下组分组成：成膜物30～40份、金属粉30～40份、自润滑填料5～10份、润湿剂3～6份、分散剂0.2～0.8份、缓蚀剂1～3份、增稠剂0.2～0.6份，消泡剂0.2～0.6份，水10～20份；
其中，所述成膜物为自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的混合物。
本实施例中，所述自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的重量比为15～20:1。通过添加少量纳米硅溶胶可提高涂层的硬度和耐水性，但其用量过多会影响成膜性能，因此确定自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的重量比为15～20:1，优选为19:1。
优选的，所述自交联丙烯酸酯乳液的固含量为45％，所述纳米硅溶胶的固含量为40％，此固含量具有良好的分散稳定性。
本实施例中，所述自交联丙烯酸酯乳液为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯及丙烯酸四种单体的共聚物，所述自交联丙烯酸酯乳液采用双丙酮丙烯酰胺(DAAM)与己二酸己二酰肼(ADH)自交联体系。
具体而言，所述自交联丙烯酸酯乳液通过以下方法制备：将核层丙烯酸单体与乳化剂、去离子水在40℃下高速搅拌，制成核层预乳液(I)；将壳层单体(甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯及丙烯酸丁酯)和自交联功能单体DAAM与一定量的乳化剂和去离子水在40℃下高速搅拌，制成壳层预乳液(II)；取1/3预乳液(I)加入反应釜中，升温至80℃，同时滴加引发剂和剩余预乳液(I)，加完后保温1h，再升温至85℃保温1h；然后降温至80℃，同时滴加引发剂和预乳液(II)，加完后保温1h，再升温至85℃保温1h；反应结束后降至室温，用氨水调节pH值至8，加入交联剂ADH，充分搅拌均匀，即得到核壳型自交联丙烯酸酯乳液，pH值为6～8。其中，乳化剂、引发剂的种类及用量均为乳液聚合领域常规选择。各单体配比以乳液玻璃化转变温度(Tg)为-20℃～25℃进行设计，核壳乳液将亲水性的聚丙烯酸作为核层，其成膜物与普通乳液的成膜物相比具有更好的硬度和耐水性。
本实施例中，所述金属粉由质量比为1～5:1的鳞片状锌粉和铝粉组成，添加适量的铝粉有助于改善涂层的外观和耐蚀性。
本实施例中，所述自润滑填料为聚四氟乙烯粉末。优选的，所述聚四氟乙烯粉末的粒径≤2μm，该粒径下具有较大的比表面积，有助于增强涂层的力学性能。
本实施例中，所述润湿剂为聚乙二醇200。所述分散剂为非离子表面活性剂，优选OP-10。所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
本实施例中，所述缓蚀剂为钼酸钠。所述增稠剂为羟乙基纤维素。
下面对本申请实施例中各组分的作用及作用机理做详细说明：
本申请的水性无铬锌铝涂料以自交联丙烯酸乳液和纳米硅溶胶的混合物为成膜物，可常温固化交联，无须高温烘烤烧结固化，避免了高温影响紧固件的热处理状态而降低紧固件的力学性能，涂料中纳米硅溶胶固化后，可大幅提高涂层的硬度和耐水性；使用鳞片状的锌粉、铝粉为主要的填料，在成膜物的粘接作用下，与基体有效的粘结起来，鳞片状的锌粉、铝粉不仅作为牺牲阳极保护基材，缓解基材的腐蚀，同时具有有效的屏蔽作用，阻止水份的渗透，从而具有优异的防腐蚀效果；添加的缓蚀剂与锌粉、铝粉及金属基体发生化学反应，在其表面形成致密的钝化膜，提高基材耐蚀性能的同时，增加锌粉、铝粉的耐蚀性，延长其对基材的牺牲阳极保护作用，从而大幅增加涂层的耐蚀性；涂料中添加具有低摩擦系数的聚四氟乙烯粉末，在涂料成膜过程中，聚四氟乙烯粉末富积在涂层表面，可有效降低涂层的摩擦系数，使应用该涂层的螺纹类紧固件在装配过程中，涂层不易出现磨损破损，丧失防护作用。涂料制备中添加润湿剂，分散剂，降低金属粉体和聚四氟乙烯粉末的表面张力，吸附在粉体表面产生电荷斥力或空间位阻，防止粉体产生有害团聚，提高金属粉在水中的分散性；添加的增稠剂可改善涂料的流平及流挂性能。
另一方面，基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种上述水性无铬锌铝涂料的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S110：将金属粉与自润滑填料混合搅拌均匀，加入分散剂和润湿剂，搅拌均匀得到混合物A；其中，所述金属粉、自润滑填料、分散剂和润湿剂的重量份分别为30～40份、5～10份、0.2～0.8份、3～6份；
步骤S120：将缓蚀剂、消泡剂和增稠剂与水混合均匀得到溶液B；其中，所述缓蚀剂、消泡剂、增稠剂和水的重量份分别为1～3份、0.2～0.6份、0.2～0.6份、10～20份；
步骤S130：将成膜物与所述溶液B、所述混合物A混合，分散搅拌均匀，即得到所述水性无铬锌铝涂料；其中，所述成膜物的重量份为30～40份。
优选的，分散搅拌的时间为1～2h。
需要说明的是，步骤S110和步骤S120没有先后顺序，可同时进行，也可调换顺序先进行步骤S120，后进行步骤S110。
另一方面，基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种所述的水性无铬锌铝涂料在紧固件防腐蚀中的应用。
具体的，本申请的水性无铬锌铝涂料可用于对铁路车辆上使用的各类紧固件的防腐处理，包括但不限于螺栓、螺母、管卡。
具体应用的方法为：在所述紧固件的基体表面涂覆所述水性无铬锌铝涂料，涂覆量为200mg/dm2～380mg/dm2，涂覆厚度为5μm～12μm。涂覆量及涂覆厚度的选择需兼顾涂层的防腐性能和脆性，涂层过薄，防腐性能不足；涂层过厚，影响与基体的配合，也影响涂层的脆性。
为了使本领域所属技术人员能够进一步的了解本申请实施例的方案，下面将基于本申请实施例所介绍的方案对其进行详细介绍。
实施例1
将15kg鳞片状锌粉、15kg鳞片状铝粉、5kg自润滑填料(聚四氟乙烯粉末)混合搅拌均匀，依次加入0.2kg分散剂(OP-10)和3kg润湿剂(聚乙二醇200)，搅拌均匀得到混合物A；将1kg缓蚀剂钼酸钠、0.2kg消泡剂(BYK-22)和0.2kg增稠剂(羟乙基纤维素)与10kg水混合均匀得到溶液B；将28.13kg自交联丙烯酸酯乳液(H202)与1.87kg纳米硅溶胶混合，加入所述溶液B、所述混合物A，高速分散搅拌1h，即得到所述水性无铬锌铝涂料。
实施例2
将25kg鳞片状锌粉、5kg鳞片状铝粉、10kg自润滑填料(聚四氟乙烯粉末)混合搅拌均匀，依次加入0.8kg分散剂(OP-10)和6kg润湿剂(聚乙二醇200)，搅拌均匀得到混合物A；将3kg缓蚀剂钼酸钠、0.6kg消泡剂(BYK-22)和0.6kg增稠剂(羟乙基纤维素)与20kg水混合均匀得到溶液B；将38kg自交联丙烯酸酯乳液(H202)与2kg纳米硅溶胶混合，加入所述溶液B、所述混合物A，高速分散搅拌1.5h，即得到所述水性无铬锌铝涂料。
实施例3
将27kg鳞片状锌粉、13kg鳞片状铝粉、8kg自润滑填料(聚四氟乙烯粉末)混合搅拌均匀，依次加入0.6kg分散剂(OP-10)和4kg润湿剂(聚乙二醇200)，搅拌均匀得到混合物A；将2kg缓蚀剂钼酸钠、0.4kg消泡剂(BYK-22)和0.4kg增稠剂(羟乙基纤维素)与15kg水混合均匀得到溶液B；将33.33kg自交联丙烯酸酯乳液(H202)与1.67kg纳米硅溶胶混合，加入所述溶液B、所述混合物A，高速分散搅拌2h，即得到所述水性无铬锌铝涂料。
实施例4
将27kg鳞片状锌粉、9kg鳞片状铝粉、7kg自润滑填料(聚四氟乙烯粉末)混合搅拌均匀，依次加入0.4kg分散剂(OP-10)和5kg润湿剂(聚乙二醇200)，搅拌均匀得到混合物A；将2kg缓蚀剂钼酸钠、0.5kg消泡剂(BYK-22)和0.5kg增稠剂(羟乙基纤维素)与18kg水混合均匀得到溶液B；将36kg自交联丙烯酸酯乳液(H202)与2kg纳米硅溶胶混合，加入所述溶液B、所述混合物A，高速分散搅拌1.5h，即得到所述水性无铬锌铝涂料。
将本申请实施例1-4的水性无铬锌铝涂料喷涂在铁路车辆紧固件表面，常温固化后测试其耐盐雾性能、耐水性及耐湿热性。
耐盐雾性按GB/T 10125中规定的中性盐雾试验要求进行。耐水性测试方法为：将试样浸入40℃±1℃的去离子水中，连续浸泡360h，将试样取出后在室温下干燥，再按GB/T5270要求进行胶带试验，测试涂层与基体的附着强度。耐湿热性测试方法为：将湿热箱温度设定为40℃±2℃，相对湿度为95％±3％，条件达到后，将试样垂直挂于湿热箱中，间隔48小时，检测涂层是否出现红锈，360h时，检查最后一次。
经测试，涂覆本申请实施例水性无铬锌铝涂料的紧固件其耐盐雾性能达到750h，耐水试验达到240h，耐湿热性能达到360h。而镀锌紧固件耐盐雾性试验48h即出现红锈；镀镍紧固件耐盐雾性试验24h螺纹尖端出现红锈；涂覆达克罗涂料的紧固件耐盐雾性试验750h无红锈、但有白锈产生。
对比试验和实际应用表明，采用本申请的水性无铬锌铝涂料处理的紧固件，其性能远远优于其它镀锌、镀镍等电镀工艺产品的对应指标，综合性能达到或接近含铬“达可罗”的技术指标。代替目前在用的镀锌、镀镍紧固件，可大幅提高紧固件防腐能力，避免短期返锈现象的发生，并符合环保技术发展方向，具有广阔的应用前景。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种水性无铬锌铝涂料，其特征在于，按重量份计，所述涂料由以下组分组成：成膜物30～40份、金属粉30～40份、自润滑填料5～10份、润湿剂3～6份、分散剂0.2～0.8份、缓蚀剂1～3份、增稠剂0.2～0.6份，消泡剂0.2～0.6份，水10～20份；其中，所述成膜物为自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的混合物；
所述金属粉由质量比为1～5:1的鳞片状锌粉和铝粉组成；
所述自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的重量比为15～20:1；
所述自交联丙烯酸酯乳液为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯及丙烯酸四种单体的共聚物，所述自交联丙烯酸酯乳液采用双丙酮丙烯酰胺与己二酸己二酰肼自交联体系。
2.如权利要求1所述的水性无铬锌铝涂料，其特征在于，所述自交联丙烯酸酯乳液与纳米硅溶胶的重量比为19:1。
3.如权利要求1所述的水性无铬锌铝涂料，其特征在于，所述自润滑填料为聚四氟乙烯粉末。
4.如权利要求1所述的水性无铬锌铝涂料，其特征在于，所述润湿剂为聚乙二醇200；所述分散剂为非离子表面活性剂；所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
5.如权利要求1所述的水性无铬锌铝涂料，其特征在于，所述缓蚀剂为钼酸钠；所述增稠剂为羟乙基纤维素。
6.一种如权利要求1所述的水性无铬锌铝涂料的制备方法，其特征在于，包括：
将金属粉与自润滑填料混合搅拌均匀，加入分散剂和润湿剂，搅拌均匀得到混合物A；其中，所述金属粉、自润滑填料、分散剂和润湿剂的重量份分别为30～40份、5～10份、0.2～0.8份、3～6份；
将缓蚀剂、消泡剂和增稠剂与水混合均匀得到溶液B；其中，所述缓蚀剂、消泡剂、增稠剂和水的重量份分别为1～3份、0.2～0.6份、0.2～0.6份、10～20份；
将成膜物与所述溶液B、所述混合物A混合，分散搅拌均匀，即得到所述水性无铬锌铝涂料；其中，所述成膜物的重量份为30～40份。
7.一种如权利要求1所述的水性无铬锌铝涂料在紧固件防腐蚀中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，在所述紧固件的基体表面涂覆所述水性无铬锌铝涂料，涂覆量为200mg/dm2～380mg/dm2，涂覆厚度为5μm～12μm。
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