CN109663727B - 金属表面涂布方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属表面涂布方法，其包含以下步骤：将含离子涂料施加于金属表面，其中，所述含离子涂料的离子浓度为0.000001～10mol/L。该金属表面涂布方法，有效抑制了金属表面咖啡环效应，涂层均匀，金属与涂层之间的附着力强，并且该方法操作简单，适用于大面积金属表面涂布。

Description

金属表面涂布方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面涂布方法。
背景技术
金属的腐蚀遍及各个行业领域，给国民经济带来了巨大的损失。涂层是利用物理的、化学的、物理化学的以及机械的等工艺方法，使工件表面获得所要求的成分、组织和性能，以提高产品质量的工程。它是20世纪80年代世界十项关键技术之一，是近一二十年发展最迅速的科学技术。汽车、船舶、飞机、家电、机器没备、容器、钢结构等金属，用于防腐、表面装饰的涂料市场都有很好的前景和市场。
涂层在金属表面的主要作用有：表面防腐、表面防污、改善摩擦性能、装饰美化表面等。表面涂层的均匀性不但直观地影响涂料的装饰美好效果，还对其防腐防污和摩擦性能带来极大的影响。太厚、太薄或厚薄不均匀都会对附着力、抗冲击性和涂层表面硬度产生不利影响，从而制约整个涂层的使用寿命。因而，改善涂层的均匀性至关重要。
但涂料的涂布过程是一个典型的蒸发干燥过程，而且涂料中含有大量的非挥发性组份(固含量)，因此常常产生“咖啡环”效应，导致涂料往边界聚集，形成边缘厚、中间薄的不均匀分布，影响涂层的厚度和质量。目前用于抑制咖啡环效应的方法主要有：①改变涂料中颗粒的形状或添加纤维状颗粒(Science and Technology of AdvancedMaterials.2017,18(1):316)。这些非球形颗粒会明显改变涂料蒸发时颗粒的运动轨迹，从而抑制咖啡环效应。②调节涂料中低沸点溶剂和高沸点溶剂的比例(Langmuir,2004,20(18):7789)。高沸点溶剂在接触线附近的缓慢挥发会减小颗粒向边缘的运动，从而抑制咖啡环效应。此时，溶剂的选择和比例非常关键。③降低基底的温度(Langmuir,2008,24(5):2224)。该方法可以降低接触线附近涂料的蒸发速度，抑制咖啡环效应，但不适用于大面积基底或户外使用。④使用电浸润方法，给基底加上一定的电压，通过电场的作用抑制咖啡环效应(Soft Matter.2011,7(10):7090)。但这些方法的操作过程繁杂、使用条件苛刻，不适用于大面积的金属表面涂料涂布；更无法增强基底与涂层之间的附着力。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于为了克服现有技术中在金属表面涂布涂料时产生咖啡效应而导致涂料在金属表面分布不均匀、涂层质量差等缺陷，从而提供一种金属表面涂布方法，有效抑制了咖啡环效应，涂层均匀，金属与涂层之间的附着力强，并且该方法操作简单，适用于大面积金属表面涂布。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
本发明提供了一种金属表面涂布方法，其包含以下步骤：将含离子涂料施加于金属表面，其中，所述含离子涂料的离子浓度为0.000001～10mol/L。
本发明中，所述离子浓度较佳地为0.00001～8mol/L，更佳地为0.0001～5mol/L，进一步更佳地为0.001～3mol/L，尤其更佳地为0.005～0.5mol/L，特别更佳地为0.01～0.5mol/L，例如0.008mol/L，或0.016mol/L，或0.25mol/L，或0.32mol/L，或2.5mol/L。
本发明中，所述离子可为无机阳离子、无机阴离子、有机阳离子和有机阴离子中的一种或多种。
本发明中，所述无机阳离子可为本领域常规的无机阳离子，本领域技术人员在看到“无机阳离子”这一概念时，能够知晓其所涵盖的无机阳离子的范围，例如，所述无机阳离子可为Mg2+、Zn2+、Ca2+、Li+、K+、Na+、NH4 +中的一种或多种。
本发明中，所述无机阴离子可为本领域常规的无机阴离子，本领域技术人员在看到“无机阴离子”这一概念时，能够知晓其所涵盖的无机阴离子的范围，例如，所述无机阴离子可为F-、Cl-、Br-、I-、PO4 3-、SO4 2-、CO3 2-、NO3 -中的一种或多种。
本发明中，所述有机阳离子可为本领域常规的有机阳离子，本领域技术人员在看到“有机阳离子”这一概念时，能够知晓其所涵盖的有机阳离子的范围，例如，所述有机阳离子可为季铵盐、季磷盐或阳离子聚丙烯酰胺。
本发明中，所述有机阴离子可为本领域常规的有机阴离子，本领域技术人员在看到“有机阴离子”这一概念时，能够知晓其所涵盖的有机阴离子的范围，例如，所述有机阴离子可为有机酸的酸根或阴离子聚丙烯酰胺，所述有机酸可为醋酸、苯磺酸或抗坏血酸。
本发明中，所述涂料可为本领域技术人员常规使用的涂料，较佳地为水性涂料，更佳地为水性聚氨酯涂料、水性醇酸树脂、水性环氧树脂、聚苯乙烯小球水溶液和硅球水溶液中的一种或多种。
本发明中，所述水性聚氨酯涂料的浓度可为本领域常规，较佳地为30％，所述百分比为聚氨酯占水性聚氨酯涂料的质量百分比。
本发明中，所述聚苯乙烯小球水溶液的浓度较佳地为0.1～5mg/mL，更佳地为1mg/mL。
本发明中，所述硅球水溶液的浓度较佳地为0.1～5mg/mL，更佳地为1mg/mL。
本发明中，所述含离子涂料较佳地由所述涂料与含有离子的溶液混合而得。
本发明中，所述含有离子的溶液较佳地为含有离子的水溶液，较佳地为NaCl水溶液、KCl水溶液、Zn(NH3)4SO4溶液中的一种或多种。
本发明中，所述金属可为本领域常规使用的金属，例如钢、铁、铝、锌、铜和锡中的一种或多种。
本发明中，所述施加可采用本领域常规的施加方式，较佳地为滴加、涂布或浸泡。
本发明中，本领域技术人员知晓，所述方法在将所述离子溶液施加于所述金属表面后进一步包括干燥步骤。其中，所述干燥的操作和条件可为本领域常规，对所述干燥的操作和条件不做特殊限定，只要能确保所述涂料中的非挥发性组份附着到所述金属表面上即可，例如，所述干燥为自然干燥。
本发明所述的金属表面涂布方法的一较佳实施方案为：
将含离子的聚苯乙烯小球水溶液、硅球水溶液和水性聚氨酯涂料中的一种或多种施加于金属表面，其中，所述离子为Mg2+、Zn2+、Ca2+、Li+、K+、Na+、NH4 +、F-、Cl-、Br-、I-、PO4 3-、SO4 2-、CO3 2-和NO3 -中的一种或多种，所述离子的浓度为0.000001～3mol/L，所述金属为钢、铁、铝、锌、铜和锡中的一种或多种。
本发明所述的金属表面涂布方法的一较佳实施方案为：
将含离子的聚苯乙烯小球水溶液施加于金属表面，其中，所述离子为Na+和Cl-，所述离子的浓度为0.000001～2.5mol/L，所述金属为铝。
本发明所述的金属表面涂布方法的一较佳实施方案为：
将含离子的聚苯乙烯小球水溶液施加于金属表面，其中，所述离子为K+和Cl-，所述离子的浓度为0.25mol/L，所述金属为铜。
本发明所述的金属表面涂布方法的一较佳实施方案为：
将含离子的水性聚氨酯涂料和聚苯乙烯小球水溶液混合涂料施加于金属表面，其中，所述离子为Zn+和SO4 2-，所述离子的浓度为0.25mol/L，所述金属为铝。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的金属表面涂布方法及金属表面涂料可有效抑制咖啡环效应，使得涂层均匀，金属与涂层之间的附着力强，极其微量的离子即可达到显著的效果，并且可用的离子(包括无机阴阳离子和有机阴阳离子)范围极其广泛。本发明的方法不需改变涂料本身的性质和流变行为，也无需施加电场，操作简单，可以与广泛种类的涂料及其使用工艺兼容，适用于大面积金属表面涂布。
附图说明
图1为本发明实施例1中使用浓度2.5mol/L的NaCl溶液控制金属铝表面上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图2为本发明实施例2中使用浓度0.32mol/L的NaCl溶液控制金属铝表面上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图3为本发明实施例3中使用浓度0.016mol/L的NaCl溶液控制金属铝表面上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图4为本发明实施例4中使用浓度0.008mol/L的NaCl溶液控制金属铝表面上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图5为本发明实施例5中使用浓度0.000001mol/L的NaCl溶液控制金属铝表面上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图6为本发明实施例6中使用0.25mol/L的KCl溶液控制金属铜基底上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图7为本发明实施例7中使用0.25mol/L的Zn(NH3)4SO4溶液控制金属铝基底上水性聚氨酯涂料和聚苯乙烯小球水溶液混合涂料的咖啡环效应的照片。
图8为本发明对比例1中金属铝基底上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
图9为本发明对比例2中金属铜基底上水性聚氨酯涂料和聚苯乙烯小球水溶液混合涂料的咖啡环效应的照片。
图10为本发明对比例3中金属铜基底上聚苯乙烯小球水溶液的咖啡环效应的照片。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
以下实施例中，所用的聚苯乙烯小球购自上海羧菲生物医药科技有限公司，粒径为1微米。水性聚氨酯涂料由上海维凯光电新材料有限公司提供，浓度为30％，所述百分比为聚氨酯占水性聚氨酯涂料的质量百分比。采用光学显微镜(型号Zeiss，Axio ImagerM2m)观察金属表面，并拍照记录。
实施例1
取2.5mol/L的NaCl溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图1可以看出，干燥后金属铝表面的涂布图案较为均匀。
注意：NaCl溶液中包含Na+和Cl-，2.5mol/L是指NaCl的浓度，故NaCl溶液中的离子浓度为Na+和Cl-的浓度之和，为5mol/L，1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，用于涂布的涂料中离子浓度为2.5mol/L。以下实施例中包含离子的溶液中的离子浓度均按照此方法计算。
实施例2
取0.32mol/L的NaCl溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图2可以看出，干燥后金属铝表面的涂布图案较为均匀。
实施例3
取0.016mol/L的NaCl溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图3可以看出，干燥后金属铝表面的涂布图案较为均匀。
实施例4
取0.008mol/L的NaCl溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图4可以看出，干燥后金属铝表面的涂布图案较为均匀。
实施例5
取0.000001mol/L的NaCl溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图5可以看出，干燥后金属铝表面的涂布图案较为均匀。
实施例6
取0.25mol/L的KCl溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铜表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图6可以看出，干燥后金属铜表面的涂布图案较为均匀。
实施例7
取0.25mol/L的Zn(NH3)4SO4溶液，与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液和水性聚氨酯涂料按10：9：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图7可以看出，干燥后金属铝表面的涂布图案较为均匀。
对比例1
取水与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图8可以看出，干燥后金属铝表面出现了明显的咖啡环现象。
对比例2
取水与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液和水性聚氨酯涂料按10：9：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铝表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图9可以看出，干燥后金属铝表面出现了明显的咖啡环现象。
对比例3
取水与1mg/mL的聚苯乙烯小球水溶液按1：1(体积比)混合均匀后，滴于金属铜表面，自然干燥，观察干燥后的图案。由图10可以看出，干燥后金属铜表面涂层中间区域比周边更薄，无法盖住金属铜表面的毛糙。

Claims (15)

1.一种金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，其包含以下步骤：将含离子涂料施加于金属表面，其中，所述含离子涂料的离子浓度为0.000001~0.008mol/L；
所述含离子涂料中的涂料为水性涂料，所述水性涂料为聚苯乙烯小球水溶液，以及任选的 水性聚氨酯涂料、水性醇酸树脂涂料和水性环氧树脂涂料中的一种或多种；
所述含离子涂料中的离子为无机阳离子和无机阴离子；所述无机阳离子为Mg2+、Zn2+、Ca2+、Li+、K+、Na+、NH4 +中的一种或多种；所述无机阴离子为F-、Cl-、Br-、I-、PO4 3-、SO4 2-、CO3 2-、NO3 -中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述离子浓度为0.00001~0.008mol/L。
3.如权利要求2所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述离子浓度为0.0001~0.008mol/L。
4.如权利要求3所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述离子浓度为0.001~0.008mol/L。
5.如权利要求4所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述离子浓度为0.005~0.008mol/L。
6.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述离子浓度为0.008mol/L。
7.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述金属为钢、铁、铝、锌、铜和锡中的一种或多种；
和/或，所述施加为滴加、涂布或浸泡。
8.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述聚苯乙烯小球水溶液的浓度为0.1~5mg/mL；
和/或，所述水性聚氨酯涂料的浓度为30%，百分比为聚氨酯占水性聚氨酯涂料的质量百分比。
9.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述聚苯乙烯小球水溶液的浓度为1mg/mL。
10.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述水性涂料为聚苯乙烯小球水溶液，以及任选的 水性聚氨酯涂料，所述离子为Mg2+、Zn2+、Ca2+、Li+、K+、Na+、NH4 +、F-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、CO3 2-和NO3 -中的一种或多种，
所述的离子浓度为0.000001~0.008mol/L，所述金属为钢、铁、铝、锌、铜和锡中的一种或多种。
11.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述水性涂料为聚苯乙烯小球水溶液，所述离子为Na+和Cl-，所述的离子浓度为0.000001~0.008mol/L，所述金属为铝。
12.如权利要求1所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述含离子涂料由所述水性涂料与含有离子的溶液混合而得。
13.如权利要求12所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述含有离子的溶液为NaCl水溶液、KCl水溶液、Zn(NH3)4SO4溶液中的一种或多种。
14.如权利要求1-13中任一项所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，在将所述含离子涂料施加于所述金属表面后进一步包括干燥步骤。
15.如权利要求14所述的金属表面涂布方法在抑制咖啡环效应的应用，其特征在于，所述干燥为自然干燥。
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