CN109021625A - 一种长效型耐蚀自清洁涂层及其制备方法 - Google Patents

一种长效型耐蚀自清洁涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长效型耐蚀自清洁涂层及其制备方法，该耐蚀自清洁涂层，按重量百分比计，原料组成包括：无机粘结材料10～30％；钝化剂1～10％；无机耐蚀材料25～40％；纳米光催化材料25～40％；低表面能材料1～10％；所述无机粘结材料选自磷酸二氢铝水溶液；所述钝化剂选自氧化铬、钨酸钠、硅酸钠中的至少一种；所述无机耐蚀材料选自铝粉和/或锌粉；所述纳米光催化材料选自纳米TiO2、纳米ZnO、纳米MoS2中的至少一种；所述低表面能材料选自水性PU和/或PFA。本发明公开了一种耐蚀自清洁涂层，以无机成分为主，具备优异的耐蚀功能的同时，该涂层的整体均具备了低表面能特性，实现了优异的长效自清洁性能。

Description

一种长效型耐蚀自清洁涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能涂层防护技术领域，具体涉及一种长效型耐蚀自清洁涂层及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，在生产和生活中，各种材料广泛的应用于各个领域，但是单一材料在正常使用过程中往往不可避免的会遭受腐蚀、污染等问题，从而影响材料的使用寿命。其中，污染往往会加速腐蚀进展。因此，高性能的耐蚀涂层和自清洁涂层越来越受到人们的关注。
目前，耐蚀涂层的研究较多，尤其是针对金属材料的表面防护涂层。而自清洁涂层近年来一直为表面功能材料研究领域的热点，包括光催化涂层、低表面能涂层等。这类涂层可通过自然界的光、雨水、风力、重力等条件，实现涂层表面自身的再清洁功能。对于自清洁涂层而言，实际过程中涂层的耐蚀性能也是重要因素，往往在腐蚀性环境中，涂层的自清洁功能很容易受到破坏，导致其性能降低。为了解决这一难题，人们开始致力于材料的表面防护及自清洁表面一体化的涂层体系研究。至今也取得了不少成果，获得了很多比较有效的方法。
如公开号为CN 101492829A的中国专利文献中公开了一种用于金属防腐和自清洁功效的超双疏表面的制备方法，其是将金属基体和金属铜基体分别作为阴极和阳极置于全氟脂肪酸电解质溶液中，在一定电压下进行电化学反应，在作为阴极的金属基体上沉积一层用于金属防腐和自清洁功效的全氟脂肪酸铜表面。
又如公开号为CN 201141502Y的中国专利文献中公开了一种自清洁防腐管道，该管道是由低表面能涂层和合金层复合而成，具有良好的防污性和极强的耐腐蚀性能。
然而，往往单一依靠低表面能材料较难实现涂层自清洁功能的长效性，因为，上述具有自清洁功能的涂层工艺往往只有最外层表面具备自清洁功能，随着服役时间的延长，当表面自清洁层失效后，则整体涂层体系失去了自清洁功能。
公开号为CN 101962514 A的中国专利文献中公开了一种长耐久性的超疏水自清洁涂层材料及其制备方法，该涂层材料由具有光催化活性的纳米粒子、低表面自由能聚合物和交联剂经室温固化干燥而成，其中低表面自由能聚合物由含羟烷氧基、碳碳双键、硅羟基或硅烷氧基等活性基团的氟化聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷中的一种或多种组成，光催化活性的纳米粒子构成为二氧化钛、二氧化铌、三氧化钽、二氧化铬、二氧化镍、二氧化锆等。该涂层同时具有超疏水性和光催化活性，可通过水滴的流动带走亲水性污染物，还可以通过光催化降解油性有机污染物，实现涂层的长效自清洁功能。
上述技术方案中以有机体系实现自清洁功能较为容易，但其存在有机体系老化、硬度低等问题，当服役工况苛刻时(如高温500℃，高氯环境，颗粒冲刷等)，也不能实现优异的长效服役。
因此，开发一种具备长效型耐蚀自清洁功能，且具备良好硬度的无机为主的涂层体系具有十分重要的价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种耐蚀自清洁涂层，以无机成分为主，具备优异的耐蚀功能的同时，该涂层的整体均具备了低表面能特性，实现了优异的长效服役。
具体技术方案如下：
一种耐蚀自清洁涂层，按重量百分比计，原料组成包括：
所述无机粘结材料选自磷酸二氢铝水溶液；
所述钝化剂选自氧化铬、钨酸钠、硅酸钠中的至少一种；
所述无机耐蚀材料选自铝粉和/或锌粉；
所述纳米光催化材料选自纳米TiO2、纳米ZnO、纳米MoS2中的至少一种；
所述低表面能材料选自水性PU(聚氨酯)和/或PFA(全氟丙基全氟乙烯基醚-聚四氟乙烯共聚物)。
本发明的涂层体系主要以无机成分为主，具备优异的耐蚀功能；同时，在无机体系中添加合适的功能材料，包括纳米光催化材料和低表面能材料，尤其是选择特殊种类的低表面能材料水性PU(聚氨酯)和/或PFA，实现了低表面能材料在无机体系中的均匀分布，使涂层整体具备了一定的低表面能特性，即使涂层最外层被磨损或去除，涂层内部仍具备低表面能特性；而纳米光催化材料与特定种类的低表面能材料在无机体系中的均匀分布和相互作用，实现了类似“荷叶效应”，即无机纳米颗粒表面结合低表面能材料，从而实现自清洁功能。
优选地：
所述磷酸二氢铝水溶液的浓度为30～50wt％；
所述耐蚀功能填料的尺寸为500nm～5μm；
所述纳米光催化材料的粒径为5～100nm。
无机体系中功能材料粒径的大小，极大的影响无机体系成膜后的耐蚀性能；此外，纳米光催化材料相比于微米光催化材料，其比表面积更大，光催化功能更佳。
进一步优选，所述纳米光催化材料选自纳米TiO2，粒径为5～25nm。所述纳米TiO2包括锐钛矿相纳米TiO2，如纯锐钛矿相纳米TiO2，或者是锐钛矿相纳米TiO2与金红石相纳米TiO2的混合物。
在上述优选的原料品种及参数的基础上，再进一步优选，所述的耐蚀自清洁涂层，按重量百分比计，原料组成包括：
所述无机耐蚀材料、纳米光催化材料与低表面能材料的质量比为4～8：4～8：1。
经试验发现，采用上述原料品种、参数及用量制备的涂层的综合性能最佳。
本发明还公开了所述的耐蚀自清洁涂层的制备方法，具体步骤包括：
(1)按质量配比称取无机粘结材料、钝化剂、无机耐蚀材料、纳米光催化材料和低表面能材料，再与去离子水共混，混合均匀后得到原料液；
(2)将所述原料液涂覆在预处理的基体表面，再经加热固化得到所述耐蚀自清洁涂层。
步骤(1)中，优选的，所述原料液中，无机粘结材料去离子水的质量比为150～100:100；
所述混合的方式为高速搅拌，转速为800～1000r/min，时间为0.5～2h。
步骤(2)中：
优选地，所述基体选自低碳钢、不锈钢、45号钢或铸铁；
所述预处理，包括除油、除锈和粗化处理，粗化方法包括喷砂、车螺纹、滚花或电拉毛。
优选地，涂覆方式包括气雾喷涂或刷涂。
所述气雾喷涂，工艺参数为：气压0.4～0.8Mpa，喷涂距离为100～300mm，喷枪速度为10～300mm/s，涂层喷涂遍数为5～20遍。进一步优选，气压0.6～0.8Mpa，喷涂距离为200～300mm，喷枪速度为100～200mm/s，涂层喷涂遍数为10～20遍。
优选地，所述加热固化，温度为200～300℃，时间为0.5～3h。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明选择合适的纳米光催化材料及低表面能材料作为涂层中的功能组分，不影响涂层耐腐蚀性能的情况下，进一步获得了长效的自清洁性能，扩宽了该耐蚀涂层体系的应用领域。
(2)本发明公开的耐蚀自清洁涂层制备方法，操作简单、生产效率高、安全性好、成本低。
附图说明
图1为本发明长效型耐蚀自清洁涂层的制备流程图；
图2为实施例1制备的耐蚀自清洁涂层的表面(a)及断面(b)的场发射扫描电子显微镜图；
图3为实施例1制备的耐蚀自清洁涂层的接触角数码照片(a)，并以对比例1制备的耐蚀自清洁涂层的接触角数码照片(b)作为对比；
图4为实施例1制备的耐蚀自清洁涂层的耐盐雾试验2000h后的数码照片(a)，并与对照组低碳钢盐雾试验2000h后的数码照片作为对比(b)。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
(1)配制涂层原料：
向50ml去离子水中依次添加100g铝粉为无机耐蚀材料(球形颗粒，尺寸500nm)，80g P25粉末为纳米光催化材料，12.5g PFA为低表面能材料，12g氧化铬为钝化剂，80g30wt％磷酸二氢铝水溶液为粘结剂，并进行高速搅拌混合处理(1000r/min，搅拌1h)，使各组分均匀分散复合。
(2)基体预处理：对基体材料(低碳钢)表面进行除油、除锈处理，并对其表面进行喷砂处理。
(3)涂层制备：利用气雾喷涂方式，在预处理的基体表面制备一层100μm的耐蚀自清洁涂层，再加热固化。其中，气雾喷涂参数为气压为0.6Mpa，喷涂距离200mm，喷枪速度200mm/s，喷涂遍数10遍；加热固化参数为250℃保温1h。
性能测试与表征：
1、涂层微结构观察
利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测涂层表面形貌，图2为本实施例中制得的涂层表面及截面SEM照片，由图2中(a)图可见，涂层表面均匀致密；断面照片(b)图显示涂层与基体结合状态良好，涂层厚度约为100μm左右。
2、涂层接触角检测：利用表面接触仪测试涂层亲疏水性能，结果表明本实施例中涂层的接触角约128°，具备一定的疏水功能(图3(a))。
3、涂层耐蚀性能检测：利用中性盐雾试验检测涂层的耐蚀性能，结果表明，本实施例中涂层可耐盐雾试验2000h以上，耐蚀性能优异(图4(a))，对照组低碳钢腐蚀严重(图4(b))。
4、涂层长效自清洁功能检测：利用800目砂纸将涂层表面进行磨损，之后用接触角检测涂层自清洁功能的长效性，结果表明，本实施例中磨损后其表面对水的接触角仍为127°，疏水功能并未发生显著破坏。
对比例1
制备工艺与实施例1中基本相同，区别仅在于原料制备时未加入PFA。
涂层接触角检测：利用表面接触仪测试涂层亲疏水性能，本对比例制备的涂层对水的接触角约96°(图3(b))。
涂层耐蚀性能检测：利用中性盐雾试验检测涂层的耐蚀性能，结果表明，本实施例中涂层耐蚀性能良好，中性盐雾试验2000h后，未发生明显的腐蚀现象。
对比例2
制备工艺与实施例1中基本相同，区别仅在于原料制备时加入微米尺寸的锐钛矿相TiO2，颗粒尺寸40～60μm。
涂层接触角检测：利用表面接触仪测试涂层亲疏水性能，结果表明本实施例中涂层的接触角约100°，疏水功能一般。
涂层耐蚀性能检测：利用中性盐雾试验检测涂层的耐蚀性能，结果表明，本实施例中涂层耐蚀性能一般，中性盐雾试验300h后，即发生明显的腐蚀现象。
对比例3
制备工艺与公开号为CN 201141502Y的中国专利文献中实施例1的相同。
涂层长效自清洁功能检测：利用800目砂纸将涂层表面进行磨损，之后用接触角检测涂层自清洁功能的长效性，结果表明，对比例进行磨损后其表面对水的接触角大幅改变，由原来的超疏水变成了亲水(接触角由142°变成80°)，磨损彻底破坏了涂层疏水功能。
实施例2
(1)配制涂层原料：
向50ml去离子水中依次添加80g铝粉为无机耐蚀材料(球形颗粒，尺寸1μm)，80gP25粉末为纳米光催化材料，20g PFA为低表面能材料，15g硅酸钠为钝化剂，55g 30％水性磷酸二氢铝溶液为粘结剂，并进行高速搅拌混合处理(800r/min，搅拌1h)，使各组分均匀分散复合。
(2)基体预处理：对基体材料表面进行除油、除锈处理，并对其表面进行喷砂处理。
(3)涂层制备：利用涂刷辊涂刷，在预处理的基体表面制备一层60μm的无机耐蚀光催化涂层，并加热固化。其中，涂刷辊单次涂刷厚度为20μm，涂刷3次；固化参数为250℃保温2h。
对上述制备的微球进行如下性能检测：
1、涂层微结构观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测涂层表面形貌，结果表明，涂层表面均匀致密；断面照片显示，涂层与基体结合状态良好，涂层厚度约为60μm左右。
2、涂层接触角检测：利用表面接触仪测试涂层亲疏水性能，结果表明本实施例中涂层的接触角约130°。
3、涂层耐蚀性能检测：利用中性盐雾试验检测涂层的耐蚀性能，结果表明，本实施例中涂层可耐盐雾试验2000h以上，耐蚀性能优异。
4、涂层长效自清洁功能检测：利用800目砂纸将涂层表面进行磨损，之后用接触角检测涂层自清洁功能的长效性，结果表明，本实施例中磨损后其表面对水的接触角仍为125°，疏水功能并未发生显著破坏。
实施例3
(1)配制涂层原料：
向50ml去离子水中依次添加80g锌粉为无机耐蚀材料(球形颗粒，尺寸1μm)，80gP25粉末为纳米光催化材料，20g水性PU为低表面能材料，12g硅酸钠为钝化剂，60g 30％水性磷酸二氢铝溶液为粘结剂，并进行高速搅拌混合处理(1000r/min，搅拌1h)，使各组分均匀分散复合。
(2)基体预处理：对基体材料表面进行除油、除锈处理，并对其表面进行喷砂处理。
(3)涂层制备：利用涂刷辊涂刷，在预处理的基体表面制备一层60μm的无机耐蚀光催化涂层，并加热固化。其中，涂刷辊单次涂刷厚度为20μm，涂刷3次；固化参数为250℃保温2h。
对上述制备的微球进行如下性能检测：
1、涂层微结构观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测涂层表面形貌，结果表明，涂层表面均匀致密；断面照片显示，涂层与基体结合状态良好，涂层厚度约为60μm左右。
2、涂层接触角检测：利用表面接触仪测试涂层亲疏水性能，结果表明本实施例中涂层的接触角约120°。
3、涂层耐蚀性能检测：利用中性盐雾试验检测涂层的耐蚀性能，结果表明，本实施例中涂层可耐盐雾试验2000h以上。
4、涂层长效自清洁功能检测：利用800目砂纸将涂层表面进行磨损，之后用接触角检测涂层自清洁功能的长效性，结果表明，本实施例中磨损后其表面对水的接触角仍为115°，疏水功能并未发生显著破坏。
实施例4
(1)配制涂层原料：
向50ml去离子水中依次添加80g铝粉为无机耐蚀材料(球形颗粒，尺寸1μm)，80g纯锐钛矿相TiO2(球形颗粒，尺寸为5～10nm)粉末为纳米光催化材料，10g PFA、10g水性PU为低表面能材料，10g钨酸钠为钝化剂，60g 30％水性磷酸二氢铝溶液为粘结剂，并进行高速搅拌混合处理(800r/min，搅拌1h)，使各组分均匀分散复合。
(2)基体预处理：对基体材料表面进行除油、除锈处理，并对其表面进行喷砂处理。
(3)涂层制备：利用涂刷辊涂刷，在预处理的基体表面制备一层60μm的无机耐蚀光催化涂层，并加热固化。其中，涂刷辊单次涂刷厚度为20μm，涂刷3次；固化参数为250℃保温2h。
对上述制备的微球进行如下性能检测：
1、涂层微结构观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测涂层表面形貌，结果表明，涂层表面均匀致密；断面照片显示，涂层与基体结合状态良好，涂层厚度约为60μm左右。
2、涂层接触角检测：利用表面接触仪测试涂层亲疏水性能，结果表明本实施例中涂层的疏水角约126°。
3、涂层耐蚀性能检测：利用中性盐雾试验检测涂层的耐蚀性能，结果表明，本实施例中涂层可耐盐雾试验2000h以上。
4、涂层长效自清洁功能检测：利用800目砂纸将涂层表面进行磨损，之后用接触角检测涂层自清洁功能的长效性，结果表明，本实施例中磨损后其表面对水的接触角仍为122°，疏水功能并未发生显著破坏。

Claims (10)

1.一种长效型耐蚀自清洁涂层，其特征在于，按重量百分比计，原料组成包括：
所述无机粘结材料选自磷酸二氢铝水溶液；
所述钝化剂选自氧化铬、钨酸钠、硅酸钠中的至少一种；
所述无机耐蚀材料选自铝粉和/或锌粉；
所述纳米光催化材料选自纳米TiO2、纳米ZnO、纳米MoS2中的至少一种；
所述低表面能材料选自水性PU和/或PFA。
2.根据权利要求1所述的长效型耐蚀自清洁涂层，其特征在于：
所述磷酸二氢铝水溶液的浓度为30～50wt％；
所述耐蚀功能填料的尺寸为500nm～5μm；
所述纳米光催化材料的粒径为5～100nm。
3.根据权利要求1所述的长效型耐蚀自清洁涂层，其特征在于，所述纳米光催化材料选自纳米TiO2，所述纳米TiO2包括锐钛矿相纳米TiO2。
4.根据权利要求1～3任一所述的长效型耐蚀自清洁涂层，其特征在于，按重量百分比计，原料组成包括：
所述无机耐蚀材料、纳米光催化材料与低表面能材料的质量比为4～8：4～8：1。
5.一种根据权利要求1～4任一所述的长效型耐蚀自清洁涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)按质量配比称取无机粘结材料、钝化剂、无机耐蚀材料、纳米光催化材料和低表面能材料，再与去离子水共混，混合均匀后得到原料液；
(2)将所述原料液涂覆在预处理的基体表面，再经加热固化得到所述耐蚀自清洁涂层。
6.根据权利要求5所述的长效型耐蚀自清洁涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述原料液中，无机粘结材料去离子水的质量比为150～200:100；
所述混合的方式为高速搅拌，转速为800～1000r/min，时间为0.5～2h。
7.根据权利要求5所述的长效型耐蚀自清洁涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述基体选自低碳钢、不锈钢、45号钢或铸铁；
所述预处理，包括除油、除锈和粗化处理。
8.根据权利要求5所述的长效型耐蚀自清洁涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，涂覆方式包括气雾喷涂或刷涂。
9.根据权利要求8所述的长效型耐蚀自清洁涂层的制备方法，其特征在于，所述气雾喷涂，工艺参数为：气压0.4～0.8Mpa，喷涂距离为100～300mm，喷枪速度为10～300mm/s，涂层喷涂遍数为5～20遍。
10.根据权利要求5所述的长效型耐蚀自清洁涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热固化，温度为200～300℃，时间为0.5～3h。
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