CN107815196A - 一种微弧氧化复合水性防火涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微弧氧化复合水性防火涂层及其制备方法,在阀金属基体表面采用碱性电解液以微弧氧化法形成微弧氧化膜层,然后再在微弧氧化膜层表面复合水性防火涂层,该涂层采用聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺作为阻燃体系,钛白粉作为颜填料,水作为溶剂。遇火时,外层的水性防火涂层的阻燃体系协同反应形成致密海绵状的膨胀炭质层,氧化石墨烯的二维片层结构在炭质层内多层叠加形成致密的物理阻隔层,隔绝外界热量向内层传递,而内层的微弧氧化膜层热导率低,进一步隔绝热量向基体传递;该微弧氧化复合水性防火涂层具有优异的防火隔热性能,适用于铝、镁、钛等阀金属,结合力强,加工工艺简单环保,成本低廉。

Description

一种微弧氧化复合水性防火涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及防火涂层技术领域,特别涉及一种微弧氧化复合水性防火涂层及其制备方法。
背景技术
铝、钛、镁及其合金等阀金属具有密度小、比强度和比刚度高、塑性良好等优点,在机械、航空航天、舰船等领域得到广泛应用。为了提高铝、钛、镁等金属的综合性能,满足在高温、高压、高速和腐蚀介质等环境下的严苛的服役要求,必须经过表面处理的强化。微弧氧化作为阀金属最有发展前景的表面技术之一,制备的氧化陶瓷层与基体结合力强、硬度高、耐磨性好。但微弧氧化膜表面孔隙多且存在裂纹,严重影响其耐磨、耐蚀及防火隔热性能,在火灾下容易发生坍塌造成失效。在基材表面涂覆防火涂料是目前较为有效又经济的一种防火保护手段。防火涂料是用于可燃基材表面,能有效降低被涂材料表面的可燃性、阻滞火灾迅速蔓延,或用于非可燃基材表面用以提高被涂材料耐火极限的一种特殊涂料。现有防火涂料主要适用于钢结构、木材、塑料等的防火保护,基于铝、镁、钛及其合金等阀金属防火保护的研究极少。且在阀金属表面直接涂覆水性防火涂层,结合力不强,通过在中间形成微弧氧化层可增强与防火涂料的界面结合。在此背景下,本发明提出结合微弧氧化与防火涂料进行铝、镁、钛等阀金属的防火保护,既进一步提高材料的耐磨、耐蚀性,防火隔热性能,还提高与防火涂层的界面结合强度,是克服阀金属结构重大火灾安全隐患的既理想又经济实用的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微弧氧化复合水性防火涂层及其制备方法,该复合涂层防火性能优异、结合力强、无毒环保、加工工艺简单、施工方便、生产成本低廉。
本发明所采用的技术方案如下:一种微弧氧化复合水性防火涂层,所述微弧氧化复合水性防火涂层以阀金属为基体,先在基体表面采用微弧氧化技术制备微弧氧化膜层,然后再在微弧氧化膜层表面涂覆水性防火涂料,制得水性防火涂层;所述的阀金属包括铝、镁和钛;所述的微弧氧化法所用电解液组成为:8~12g/L Na2SiO3、8~12g/L Na3PO4、3~7g/L (NaPO3)6、2~3.5g/L NaF,溶剂为去离子水;所述复合水性防火涂层的组分按重量份计包括:水20~35份,基料15~30份,脱水成炭催化剂15~30份,成炭剂5~15份,发泡剂5~15份,颜填料2~10份,助剂0.5~1份,氧化石墨烯0.001~0.01份。
进一步地,所述的基料为有机硅改性丙烯酸酯乳液;所述的脱水成炭催化剂为聚磷酸铵;所述的成炭剂为季戊四醇;所述的发泡剂为三聚氰胺;所述的颜填料为金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉的一种或两种;所述的助剂包括成膜助剂十二碳醇酯,分散剂六偏磷酸钠,增稠剂羧甲基纤维素钠和消泡剂二甲基硅油。
进一步地,所述的微弧氧化膜层包括以下方法步骤制备:将阀金属基体打磨光滑后用丙酮超声清洗5min后放入电解液中,以阀金属基体为阳极,不锈钢为阴极;微弧氧化参数设置:频率为450~550Hz,微弧时间为15~90min,占空比为5~15%,电压为400V~560V,电解液温度为20~50℃,操作温度为室温的条件下进行微弧氧化反应,反应结束后取出阀金属基体,水洗干燥,获得表面形成微弧氧化膜层的阀金属基体。
一种微弧氧化复合水性防火涂层的制备方法,所述的水性防火涂料按如下方法制备:
(a)按所述组分配比,将氧化石墨烯加入基料中,二者混合后超声搅拌15~50min;
(b)按所述组分配比,将脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂、颜填料和分散剂放入行星球磨机进行混合球磨1~5h,转速100~800r/min;
(c)将步骤(b)所得的粉料进行100目过筛后,加入水、一半重量份的消泡剂和一半重量份的成膜助剂,以2000~3500r/min的转速高速分散0.5~2h,得到分散液;
(d)将剩余的一半重量份消泡剂、一半重量份成膜助剂和步骤(a)所得的混合物质加入步骤(c)所得的分散液中,以500~1000r/min的转速低速分散5~30min,制得水性防火涂料。
进一步地,将复合水性防火涂料以刷涂、滚涂或喷涂方式涂覆于表面形成微弧氧化膜层的阀金属基体上,干燥后制得微弧氧化复合水性防火涂层。
本发明技术方案的有益效果:
(1)本发明利用微弧氧化技术和水性防火涂料对铝、镁、钛等阀金属的起到综合防火保护,方法新颖、效果显著;
(2)本发明制备的微弧氧化复合水性防火涂层与材料结合良好,防火隔热性能优异,无毒环保,加工工艺简单,施工方便,生产成本低廉;
(3)本发明制备的水性防火涂料膨胀倍率高,采用的氧化石墨烯二维片层结构在炭质层内多层叠加,形成良好致密的物理阻隔层,有效阻碍热量向阀金属的传递。
附图说明
图1为6063铝合金的背火面升温曲线。
具体实施方式
下面选用6063铝合金为基体,结合实施例及附图对本发明具体实施方式作进一步详细的说明,但本发明所述微弧氧化复合水性防火涂层所应用对象并不限于6063铝合金,包括6063铝合金在内的铝、镁、钛等阀金属。
实施例1
基体材料为6063铝合金;微弧氧化法所用电解液组成为:10g/L Na2SiO3、10g/LNa3PO4、5g/L (NaPO3)6、2g/L NaF,溶剂为去离子水;水性防火涂料组分含量(按重量份数计):水35份;基料20份,脱水成炭催化剂25份,成炭剂15份,发泡剂15份,颜填料8份,助剂1份,氧化石墨烯0.01份。
微弧氧化膜层的制备:将6063铝合金板打磨至表面平整光滑后用丙酮超声清洗5min后放入电解液中,以铝合金为阳极,不锈钢为阴极;微弧氧化参数设置:频率为500Hz,微弧时间为30min,占空比为10%,电压为480V,电解液温度为20~50℃,操作温度为室温的条件下进行微弧氧化反应,反应结束后取出基体,水洗干燥,获得表面形成微弧氧化膜层的铝合金基体。
水性防火涂料的制备方法,其步骤如下:
(a)按所述组分配比,将氧化石墨烯加入基料中,二者混合后超声搅拌30min;
(b)按所述组分配比,将脱水成炭催化剂,成炭剂,发泡剂,颜填料和分散剂放入行星球磨机进行混合球磨3h,转速300r/min;
(c)将步骤(b)所得的粉料进行100目过筛后,加入水、一半重量份的消泡剂和一半重量份的成膜助剂,以2500r/min的转速高速分散1h;
(d)将剩余的一半重量份消泡剂、一半重量份成膜助剂和步骤(a)所得的混合物质加入步骤(c)所得的分散液中,以800r/min的转速低速分散20min,制得水性防火涂料。
将水性防火涂料以刷涂方式涂覆于表面形成微弧氧化膜层的铝合金上,干燥后制备完成微弧氧化复合水性防火涂层。
实施例2
基体材料为6063铝合金;微弧氧化法所用电解液组成为:10g/L Na2SiO3、10g/LNa3PO4、5g/L (NaPO3)6、2g/L NaF,溶剂为去离子水。水性防火涂料组分含量(按重量份数计):水25份;基料30份,脱水成炭催化剂25份,成炭剂11份,发泡剂12份,颜填料5份,助剂0.8份,氧化石墨烯0.001份。
微弧氧化膜层的制备:将6063铝合金板打磨至表面平整光滑后用丙酮超声清洗5min后放入电解液中,以铝合金为阳极,不锈钢为阴极;微弧氧化参数设置:频率为500Hz,微弧时间为30min,占空比为10%,电压为480V,电解液温度为20~50℃,操作温度为室温条件下进行微弧氧化反应,反应结束后取出基体,水洗干燥,获得表面形成微弧氧化膜层的铝合金基体。
水性防火涂料的制备方法,其步骤如下:
(a)按所述组分配比,将氧化石墨烯加入基料中,二者混合后超声搅拌30min;
(b)按所述组分配比,将脱水成炭催化剂,成炭剂,发泡剂,颜填料和分散剂放入行星球磨机进行混合球磨4h,转速250r/min;
(c)将步骤(b)所得的粉料进行100目过筛后,加入水、一半重量份的消泡剂和一半重量份的成膜助剂,以2300r/min的转速高速分散1h;
(d)将剩余的一半重量份消泡剂、一半重量份成膜助剂和步骤(a)所得的混合物质加入步骤(c)所得的分散液中,以600r/min的转速低速分散15min,制得水性防火涂料。
将水性防火涂料以刷涂方式涂覆于表面形成微弧氧化膜层的铝合金上,干燥后制备完成微弧氧化复合水性防火涂层。
实施例3
为了比较本发明制备的微弧氧化复合水性防火涂层与单一的水性防火涂层的防火隔热性能,本实施例3没有预先在铝合金进行微弧氧化,而是直接将水性防火涂料以刷涂方式涂覆于铝合金基体上,干燥后制备完成单一的水性防火涂层;所述水性防火涂料组分与制备方法和实施例2相同,以此作为对比。
参考国家标准GB/T15442.2-1995《饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法 大板燃料法》的要求,模拟大板燃烧法,将制备的试样进行燃烧测试,记录测试时铝合金基体背火面温度变化曲线,表征其防火隔热性能。由图1测试结果可知,本发明提供的微弧氧化复合水性防火涂层有效阻碍了热量向基体的传递,具有优异的防火隔热性能,比单一的水性防火涂层防火隔热性能更好。
本发明实施例1和实施例2制备的微弧氧化复合水性防火涂层表干、实干时间按国家标准GB/T1728–1979(1989)《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》的要求进行测定,硬度按照国家标准GB/T6739-1996《涂膜硬度铅笔测试法》的要求进行测试,附着力按照国家标准GB/T9286-1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》的要求进行涂覆,基板采用经微弧氧化后的铝合金板,测试结果如表1所示。
表1 实施例1和实施例2制备的微弧氧化复合水性防火涂层部分性能测试结果。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何不经过创造性劳动想到的变化或简单替换,都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微弧氧化复合水性防火涂层,其特征在于:所述微弧氧化复合水性防火涂层以阀金属为基体,先在基体表面采用微弧氧化技术制备微弧氧化膜层,然后再在微弧氧化膜层表面涂覆水性防火涂料,制得水性防火涂层;所述的阀金属包括铝、镁和钛;所述的微弧氧化法所用电解液组成为:8~12g/L Na2SiO3、8~12g/L Na3PO4、3~7g/L (NaPO3)6、2~3.5g/L NaF,溶剂为去离子水;所述复合水性防火涂层的组分按重量份计包括:水20~35份,基料15~30份,脱水成炭催化剂15~30份,成炭剂5~15份,发泡剂5~15份,颜填料2~10份,助剂0.5~1份,氧化石墨烯0.001~0.01份。
2.根据权利要求1所述的微弧氧化复合水性防火涂层,其特征在于:所述的基料为有机硅改性丙烯酸酯乳液;所述的脱水成炭催化剂为聚磷酸铵;所述的成炭剂为季戊四醇;所述的发泡剂为三聚氰胺;所述的颜填料为金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉的一种或两种;所述的助剂包括成膜助剂十二碳醇酯,分散剂六偏磷酸钠,增稠剂羧甲基纤维素钠和消泡剂二甲基硅油。
3.根据权利要求1所述微弧氧化复合水性防火涂层,其特征在于,所述的微弧氧化膜层包括以下方法步骤制备:将阀金属基体打磨光滑后用丙酮超声清洗5min后放入电解液中,以阀金属基体为阳极,不锈钢为阴极;微弧氧化参数设置:频率为450~550Hz,微弧时间为15~90min,占空比为5~15%,电压为400~560V,电解液温度为20~50℃,操作温度为室温的条件下进行微弧氧化反应,反应结束后取出阀金属基体,水洗干燥,获得表面形成微弧氧化膜层的阀金属基体。
4.一种根据权利要求1~3任一所述微弧氧化复合水性防火涂层的制备方法,其特征在于,所述的水性防火涂料按如下方法制备:
(a)按所述组分配比,将氧化石墨烯加入基料中,二者混合后超声搅拌15~50min;
(b)按所述组分配比,将脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂、颜填料和分散剂放入行星球磨机进行混合球磨1~5h,转速100~800r/min;
(c)将步骤(b)所得的粉料进行100目过筛后,加入水、一半重量份的消泡剂和一半重量份的成膜助剂,以2000~3500r/min的转速高速分散0.5~2h,得到分散液;
(d)将剩余的一半重量份消泡剂、一半重量份成膜助剂和步骤(a)所得的混合物质加入步骤(c)所得的分散液中,以500~1000r/min的转速低速分散5~30min,制得水性防火涂料。
5.根据权利要求4所述微弧氧化复合水性防火涂层的制备方法,其特征在于:将水性防火涂料以刷涂、滚涂或喷涂方式涂覆于表面形成微弧氧化膜层的阀金属基体上,干燥后制得微弧氧化复合水性防火涂层。
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