CN110028816A - 一种水性环保型防腐蚀复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水性环保型防腐蚀复合材料及其制备方法。按质量百分比计，所述材料包括固化剂5～20％、防腐蚀填料10～40％、液体硅酸盐20～70％、水性乳液0～15％、材料助剂0.1～2％。制备方法包括：首先由固化剂和防腐蚀填料制备复合填料，得到固态组合物A，然后由液体硅酸盐、水性乳液和材料助剂制备液态组合物B，按比例将固态组合物A和液态组合物B混合均匀，制得材料。采用喷涂、刷涂、浸涂或辊涂的方式制备涂层，在常温下固化24小时以上，即可获得长效防腐蚀涂层。本发明材料减少了锌粉含量，防腐蚀性能优良，可有效解决金属构件在腐蚀环境中的腐蚀问题。

Description

一种水性环保型防腐蚀复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料的防腐蚀技术，具体为一种水性环保型防腐蚀复合材料及其制备方法。
背景技术
据统计，由于各种腐蚀给人类造成的损失约占世界各国GDP的1～5％，其中全球每90秒钟就有约1吨钢铁被腐蚀成锈。另一方面，制造1吨钢铁所需的能量大约等于中国一个普通家庭三个月的消耗。钢铁材料具有优良的韧性、强度、刚度、可加工性和低成本等优点，是重要的结构材料，被广泛应用于电力、汽车、船舶、建筑、家用等各行业。但普通钢材的耐腐蚀性能很差，在海水、潮湿的大气和土壤、酸性溶液中都会遭受到严重的腐蚀。
防腐蚀材料由于其适用范围广、施工方便等优点已经成为解决钢铁类结构材料防腐蚀时使用的重要材料，其中常用的有机材料如环氧树脂材料、聚氨酯树脂材料、丙烯酸树脂材料、醇酸树脂材料等可在一定程度上满足金属防腐蚀的要求，但面对日益增强的环保压力，这些高污染、高VOC含量、危害操作人员健康的传统溶剂型材料不能满足日益增强的环保要求。
20世纪40年代和50年代澳大利亚和美国的技术人员先后研制成功了富锌材料，锌粉开始成为材料中的重要的防锈颜料，经过半个多世纪的研究和开发，富锌材料技术益发成熟，形成开发了诸多很多的产品，但是，其中最主要的产品还是环氧富锌底漆和无机富锌底漆。
研究表明常规的富锌材料含有70％以上的锌粉，大量锌粉的使用造成以下弊病：(1)需要采用特殊的雾喷技术，并且需要持续搅拌。(2)当温度高于500℃以上不能长期使用，否则涂层极易起泡、剥落。(3)涂层中的大量Zn粉容易遭受Cl-离子的腐蚀，造成涂层泛白或与其配套的涂层体系鼓泡。
基于此，本公司对传统的无机富锌材料进行了改造，降低锌粉的用量或不使用锌粉，材料具有环保、施工方便、防腐蚀性能优良等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水性环保型防腐蚀复合材料及其制备方法，降低锌粉的用量或不使用锌粉，施工方便、防腐蚀性能优良。
本发明的技术方案是：
一种水性环保型防腐蚀复合材料，其特征在于，按质量百分比计，包含：
包括固化剂5～20％、防腐蚀填料10～40％、液体硅酸盐20～70％、水性乳液0～15％、材料助剂0.1～2％。
所述材料助剂包含通用型水性润湿分散剂、流平剂和消泡剂。
所述材料还包含
以水作为稀释剂，与包括固化剂、防腐蚀填料、液体硅酸盐、水性乳液、材料助剂的材料的质量比为0：100～8：100。
本发明一优选实施例中，所述水性环保型防腐蚀复合材料由以下按质量百分比计的组分组成：
固化剂10～15％、防腐蚀填料10～30％、液体硅酸盐30～60％、水性乳液5～10％、材料助剂0.5～1％。
所述液体硅酸盐为选自模数为2.5～4.0的硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂中的至少一种。
所述固化剂为选自粒径为1～50μm多聚磷酸铝、多聚磷酸锌和复合磷酸锌中的至少一种。
所述防腐蚀填料为选自粒径为1～50μm的锌粉、玻璃鳞片粉、搪瓷粉、磷铁粉、铁钛粉中的至少一种。
所述水性乳液为选自硅丙乳液、氟碳乳液、苯丙乳液、聚氨酯乳液和有机硅乳液中的至少一种。
所述一种水性环保型防腐蚀复合材料的制备方法，按质量百分比计，包括以下步骤：
根据生产量，选择粉碎机等设备和工具，选择机器的功率，原则上功率越高，越易于物料的分散，并确保其干净，无障碍。
步骤(1)将5～20％固化剂和10～40％防腐蚀填料放入干粉混合粉碎机中混合搅拌，获得固态组合物A；
步骤(2)将将20～70％液体硅酸盐、0.1～2％材料助剂和0～15％水性乳液混合搅拌，获得液态组合物B；
步骤(3)将固态组合物A和液态组合物B混合。
步骤(4)在将组合A和液态组合物B混合后，加入稀释剂水，调节其涂-4粘度至10～30s。
本发明的优点及效果：
(1)本发明研制出长效防护涂层技术，材料不含有机溶剂，无毒、无污染，具有环保特性。
(2)本发明中使用有机乳液来提高涂层的柔韧性等机械性能，抑制了涂层在制备和使用过程中容易出现的脱落、开裂等缺陷。
(3)以玻璃鳞片粉、搪瓷粉、磷铁粉、铁钛粉代替材料中大量的锌粉，改善了材料的施工工艺。
(4)本发明可广泛适用于运行在苛刻腐蚀环境中金属构件如钢铁材料和有色金属的防护，可采用无气喷涂、空气喷涂、刷涂、浸涂或辊涂的方式将材料涂装到金属材料构件表面，经中性盐雾腐蚀试验、湿热试验、有机介质浸泡试验、耐大气腐蚀性能试验、耐高温性试验后，涂层未有起皮、鼓泡、剥落等损坏现象，金属材料得到有效防护。
以水溶性硅酸盐作为材料成膜物，避免了材料生产和施工过程中使用挥发性有机溶剂(VOC)的弊病，有利于环境保护，同时利用硅酸盐与基体金属发生化学反应而形成化学结合，保证涂层具有较高的附着力。以水性乳液改善材料的耐冲击和柔韧性等机械性能，解决了材料的脆性问题。利用多聚磷酸盐和复合磷酸锌水解的弱酸性与硅酸盐的化学反应实现材料的常温固化。以锌粉、玻璃鳞片粉、搪瓷粉、磷铁粉、铁钛粉为防腐蚀添加剂，通过阴极保护作用、“迷宫”效应和钝化作用提高涂层的防腐蚀性能，获得防腐蚀性能优良的材料。
附图说明
图1为涂装防腐蚀材料的Q235碳钢经1500h中性盐雾腐蚀后的宏观形貌。
图2为涂装防腐蚀涂层的Q235碳钢经2000h湿热腐蚀后的宏观形貌。
图3为涂装防腐蚀涂层的铝合金经1000h中性盐雾腐蚀后的宏观形貌。
图4为涂装防腐蚀涂层的Q235碳钢在航空液压油中浸泡20d的宏观形貌。
图5为涂装防腐蚀涂层的T2紫铜中性盐雾腐蚀1400h后的宏观形貌。
图6为涂装防腐蚀涂层的Q235碳钢在自然环境中暴露3年后的宏观形貌。
图7为12Cr1MoV耐热钢在600℃氧化2000h后的宏观形貌。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的水性环保型防腐蚀复合材料组分A为固体，按质量百分比计，包含固化剂5～20％，锌粉0～30％，玻璃鳞片粉0～15％，搪瓷粉0～20％，磷铁粉10～30％，铁钛粉0～30％。组分B为液体，按质量百分比计，包含液体硅酸盐20～70％，水性乳液0～15％，水性润湿分散剂0.01～1.0％，水性消泡剂0.01～0.5％、水性流平剂0.01～0.5％。
为了使本发明的水性环保型防腐蚀复合材料具有更好的防腐性、表面附着性、长期稳定性，进一步优选锌粉15～25％，玻璃鳞片粉0～10％，搪瓷粉0～5％，磷铁粉15～25％，固化剂10～30％，铁钛粉0～15％。组分B为液体，按质量百分比计，液体硅酸盐30～60％，水性乳液5～10％，水性润湿分散剂0.05～0.5％，水性消泡剂0.1～0.2％、水性流平剂0.1～0.3％。
在本实施方式中，所涉及的各组分的范围均包含范围两端的数值。
在本实施方式中，固化剂优选使用选自粒径为1～50μm多聚磷酸铝、多聚磷酸锌和复合磷酸锌中的至少一种。防腐蚀填料优选使用选自粒径为1～50μm的锌粉、玻璃鳞片粉、搪瓷粉、磷铁粉、铁钛粉中的至少一种。液体硅酸盐优选使用选自模数为2.5～4.0的硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂中的至少一种。水性乳液优选使用选自硅丙乳液、氟碳乳液、苯丙乳液、聚氨酯乳液和有机硅乳液中的至少一种。材料助剂优选包含通用型水性润湿分散剂、流平剂和消泡剂。
固化剂的机理：通过控制酸碱反应速度控制涂层固化反应的一种物质或几种物质的混合物。
防腐蚀填料的防腐作用机理：通过在金属表面形成一层屏蔽涂层或钝化层，阻止水和氧与金属表面接触。
液体硅酸盐的作用机理：具有自干性,溶液水分蒸发后,能生成一种不溶于水的高度交联的三维网状干膜,具有高度水解不可逆性。
材料助剂的作用和机理：改善材料性能，促进涂膜形成，水性润湿分散剂:与水性聚合物兼容性好，促进颜填料的分散，并增加成膜物与颜填料之间的化学结合。流平剂:有助于形成光滑涂饰面的物质，能够降低材料表面张力，改善涂层外观质量。消泡剂：降低表面张力，抑制泡沫产生或消除已产生泡沫，降低涂层微观缺陷。
为了便于储藏、运输优选将固化剂和防腐蚀填料混合，作为固态组合物A；将液体硅酸盐、材料助剂和水性乳液混合，作为液态组合物B，而将固态组合物A和液态组合物B分别包装。使用时将固态组合物A投入并分散于液态组合物B形成材料分散液，作为水性环保型防腐蚀材料使用。还可以利用稀释液对水性环保型防腐蚀材料进行稀释，调节其粘度值，以适应不同材质表面涂装使用。添加稀释剂通常为水，添加稀释剂的量优选为料浆与水的比例为100:(3～6)，调节材料的涂-4粘度至10～30s。
下面，结合实施例，说明本发明的具体实施方式所涉及的水性环保型防腐蚀材料的所具有的良好性能。
在实施例中，使用防腐性、表面附着性、长期稳定性等指标，对水性环保性防腐蚀材料的性能进行综合评价。表1是用于验证用于实施本发明的各实施例中各组分的配比情况一览表。
表1
实施例1
(1)称取8kg三聚磷酸铝、20kg锌粉、15kg磷铁份和5kg铁钛粉放入干粉混合粉碎机中以1500rpm的转速混合搅拌15min后取出，获得材料组分A；
(2)称取45kg模数为3.5的液体硅酸钠，在250rpm搅拌条件下依次加入10kg硅丙乳液、0.4kgFX600润湿分散剂、0.2kgXWC-9155消泡剂和0.05kgBYK-333流平剂，继续搅拌15min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)用10kg水调节材料的粘度为17s；
(5)然后用200目筛网过滤粘度调节好了的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(6)采用有气喷涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，抗高温防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述80μm抗高温防腐蚀涂层的Q235碳钢经1500h中性盐雾腐蚀后，涂层完好，未出现起泡、剥落、开裂等损坏现象等现象破坏。具体效果如图1所示。
实施例2
(1)称取10kg三聚磷酸锌、15kg锌粉、6kg玻璃鳞片、10kg铁钛粉放入干粉混合粉碎机中以1000rpm的转速混合搅拌20min后取出，获得材料组分A；
(2)称取30kg模数为3.0的液体硅酸钾，在500rpm搅拌条件下依次加入6kg硅丙乳液，1kg氟碳乳液，0.01kgBYK-154润湿分散剂，0.15kg BYK-028消泡剂、0.25kg BYK-333水性流平剂，继续搅拌20min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)用20kg水调节材料的粘度为20s；
(5)然后用200目筛网过滤粘度调节好了的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(6)采用刷涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，抗高温防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述50μm厚涂层的Q235碳钢经2000h湿热腐蚀试验后，涂层完好，未发生鼓泡、起泡和剥落等破坏，具体效果如图2所示。
实施例3
(1)称取8kg复合磷酸锌粉，30kg锌粉和10kg磷铁放入干粉混合粉碎机中以3000rpm的转速混合搅拌10min后取出，获得材料组分A；
(2)称取80kg模数为3.5的液体硅酸锂，在2000rpm搅拌条件下依次加入0.35kgFX365润湿分散剂，0.3kgDC-65消泡剂和0.015kg HY307流平剂，继续搅拌10min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)用25kg水调节材料的粘度为30s；
(5)然后用120目筛网过滤粘度调节好了的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(6)采用无气喷涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，抗高温防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述110μm防腐蚀涂层的LY12铝合金经1000h中性盐雾腐蚀后，涂层完好，未出现起泡、剥落、开裂等损坏现象等现象破坏。具体效果如图3所示。
实施例4
(1)称取5kg三聚磷酸铝、4kg复合磷酸锌、12kg锌粉、15kg磷铁放入干粉混合粉碎机中以5000rpm的转速混合搅拌10min后取出，获得材料组分A；
(2)称取20kg模数为4.0的液体硅酸钠和50kg模数为3.5的液体硅酸钾，在200rpm搅拌条件下依次加入15kg聚氨酯乳液，0.5kg BYK-154润湿分散剂，0.25kg DC-65消泡剂和0.05kg BYK-333流平剂，继续搅拌60min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)用5kg水调节材料的粘度为25s；
(5)用150目筛网过滤粘度调节好的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(6)采用有气喷涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，抗高温防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述120μm厚涂层的Q235碳钢在常温航空液压油中经20d浸泡后，涂层完好，未发现溶胀、起皮、剥落等破坏损坏现象，具体效果如图4所示。
实施例5
(1)称取6kg三聚磷酸锌、3kg复合磷酸锌、25kg锌粉、5kg搪瓷粉、5kg磷铁粉放入干粉混合粉碎机中以5000rpm的转速混合搅拌10min后取出，获得材料组分A；
(2)称取60kg模数为3.5的液体硅酸锂，在800rpm搅拌条件下依次加入5kg聚氨酯乳液，0.04kg FX365润湿分散剂，0.5kg HJ-2201消泡剂、0.35kg BYK307流平剂，继续搅拌30min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)用10kg水调节材料的粘度为30s；
(5)然后用120目筛网过滤粘度调节好了的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(6)采用无气喷涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述150μm防腐蚀涂层的T2紫铜经1400h中性盐雾腐蚀后，涂层完好，未出现起泡、剥落、开裂等损坏现象等现象破坏，紫铜得到了有效防护，具体效果如图5所示。
实施例6
(1)称取10kg三聚磷酸铝、10kg三聚磷酸锌、10kg复合磷酸锌、30kg锌粉、12kg玻璃鳞片、5kg搪瓷粉、25kg磷铁粉和5kg铁钛粉放入干粉混合粉碎机中以2600rpm的转速混合搅拌25min后取出，获得材料组分A；
(2)称取30kg模数为3.5的液体硅酸钠，在1000rpm搅拌条件下依次加入20kg聚氨酯乳液，0.4kg BYK-154润湿分散剂，0.05kg DC-65消泡剂、0.4kg BYK346流平剂，继续搅拌10min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)然后用200目筛网过滤粘度调节好了的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(5)用40kg水调节材料的粘度为23s；
(6)采用辊涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，抗高温防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述105μm厚涂层的Q235碳钢在大气环境中自然暴露3年后的宏观形貌，涂层完好，未出现起泡、剥落、锈蚀等破坏损坏现象，具体效果如图6所示。
实施例7
(1)称取6kg三聚磷酸铝、11kg玻璃鳞片粉、15kg搪瓷粉和13kg铁钛粉放入干粉混合粉碎机中以2000rpm的转速混合搅拌30min后取出，获得材料组分A；
(2)称取45kg模数为3.5的液体硅酸钠，在1000rpm搅拌条件下依次加入0.2kgFX365润湿分散剂，0.1kg XWC-9155消泡剂、0.2kg BYK346流平剂，继续搅拌10min后，获得材料组分B；
(3)将制得的材料组分A边搅拌边倒入组分B中，并搅拌均匀制成材料；
(4)然后用200目筛网过滤粘度调节好了的材料，最终制得水性环保型防腐蚀材料；
(5)用20kg水调节材料的粘度为23s；
(6)采用辊涂的方式在被保护工件或设备的表面制备涂层，涂层在常温固化24h以上，被涂覆零部件即可投入使用。
本实施例中，抗高温防腐蚀涂层的性能参数如下：
涂装了上述55μm厚涂层的12Cr1MoV耐热钢在600℃氧化2000h后，涂层完好，未出现起泡、剥落、锈蚀等破坏损坏现象，具体效果如图7所示。
通过GJB 150.11A-2009军用装备实验室环境试验方法、GJB 150.9A-2009军用装备实验室环境试验方法、JB/T 7901-2001金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法、沈阳大气站暴露、GB 9274-1988色漆和清漆耐液体介质的测定(甲法)、HB 5258-2000钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法、GB1768-1979(1989)漆膜耐磨性测定法、GB/T 1732-1993漆膜耐冲击测定法、GB/T 1731-1993漆膜柔韧性测定法。对实施例1～7进行检测，在降低锌粉用量同时，涂层完好，耐盐雾腐蚀大于1000h、耐高温性大于600℃、具有优异的耐有机溶剂性能、附着力介于3～16MPa、涂层柔韧性1mm、涂层耐冲击大于50kg/cm、耐磨损和耐候性优良、耐湿热腐蚀大于500h，未出现起泡、剥落、锈蚀等破坏损坏现象。
实施例结果表明，通过该工艺得到的水性环保型防腐蚀涂层技术具有长效防护效果，易于控制，适合工业化生产，具有无毒、无污染的特性，有利于环境保护。另外，以上所述，仅是本发明较佳可行的实施例而已，不能以此局限本发明之权利范围，所述水性环保型防腐蚀复合材料可以用于普通钢铁和有色金属制件，还可应用于其它类型的材料如高温合金、不锈钢材料等部件的防护。因此，依本发明的技术方案和技术思路做出其它各种相应的改变和变形，仍属本发明所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水性环保型防腐蚀复合材料，其特征在于，按质量百分比计，包含：
固化剂5～20％、防腐蚀填料10～40％、液体硅酸盐20～70％、水性乳液0～15％、材料助剂0.1～2％。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料助剂包含通用型水性润湿分散剂、流平剂和消泡剂。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，
以水作为稀释剂，与包括固化剂、防腐蚀填料、液体硅酸盐、水性乳液、材料助剂的材料的质量比为0：100～8：100。
4.按照权利要求1所述的材料，其特征在于，按质量百分比计，优选地包含：
固化剂10～15％、防腐蚀填料10～30％、液体硅酸盐30～60％、水性乳液5～10％、材料助剂0.5～1％。
5.按照权利要求1或4所述的材料，其特征在于，
所述液体硅酸盐为选自模数为2.5～4.0的硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂中的至少一种。
6.按照权利要求1或4所述的材料，其特征在于：
所述固化剂为选自粒径为1～50μm多聚磷酸铝、多聚磷酸锌和复合磷酸锌中的至少一种。
7.按照权利要求1或4所述的材料，其特征在于：
所述防腐蚀填料为选自粒径为1～50μm的锌粉、玻璃鳞片粉、搪瓷粉、磷铁粉、铁钛粉中的至少一种。
8.按照权利要求1或4所述的材料，其特征在于：
所述水性乳液为选自硅丙乳液、氟碳乳液、苯丙乳液、聚氨酯乳液和有机硅乳液中的至少一种。
9.一种水性环保型防腐蚀复合材料的制备方法，其特征在于，按质量百分比计：
首先，将5～20％固化剂和10～40％防腐蚀填料放入干粉混合粉碎机中混合搅拌，获得固态组合物A；
然后，将20～70％液体硅酸盐、0.1～2％材料助剂和0～15％水性乳液混合搅拌，获得液态组合物B；
将固态组合物A和液态组合物B混合。
10.如权利要求9所述的材料的制备方法，其特征在于：
在将组合A和液态组合物B混合后，加入稀释剂，调节其涂-4粘度至10～30s。
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