CN110205022A - 一种环保型纳米陶瓷涂料、涂层和涂覆工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80‑120)：(80‑120)：(1‑2)。本发明还公开了另一种环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料。本发明还公开了上述涂料形成的涂层和涂覆工艺。本发明的纳米陶瓷涂层性能优异，具有硬度高、耐磨、耐化学腐蚀、防污、耐老化的特点；以环保型纳米陶瓷涂层代替电镀和烤漆工艺，一种全新的五金制品生产工艺，无污染，绿色节能环保。

Description

一种环保型纳米陶瓷涂料、涂层和涂覆工艺
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种环保型纳米陶瓷涂料、涂层和涂覆工艺。
背景技术
对于水龙头的表面处理，目前最成熟的处理工艺即电镀，而五金电镀行业工艺复杂，高耗能，高污染。电镀工艺大都需要抛光-除油-酸洗-电镀-回收-钝化-清洗-喷漆等一整套复杂工序。电镀生产过程中需要大量直流电，能源消耗较大；电镀成本高，镀层要求有极强的稳定性，多选重金属金、银、镉、镍、铬等，价格高昂不言而喻；电镀生产过程中工艺繁多，所用助剂品种多，成分复杂，电镀废水中含重金属：铬、铜、镍、铅等各种成分，废气、废水处理难度大，成本高；电镀行业中投入最大的是污水处理系统，大概占整个投入的75％。虽然要求分类处理，但实际生产过程中，电镀废水处理工艺不够成熟，难免分流不清，造成铜、镍、铬，甚至氰化物超标排放，污染环境。目前市场上还有一部分是烤漆制作的水龙头，烤漆油漆存在VOC排放问题。
电镀水龙头表面容易残留水渍，水渍干后便会形成非常难看的斑点，而长时间不打蜡，即使水龙头再高档，也会出现白色斑点，甚至脱落现象，清洁打理比较麻烦。一些五金龙头产品的耐腐蚀能力较差，在潮湿、酸性环境下易被腐蚀生成“铜绿”、黑色斑点。烤漆产品在使用过程中表面生活污渍无法清洗干净，磕碰易掉漆易刮花，时间久后会变黄等。
有鉴于此，行业内亟需一种新的水龙头等五金制品的表面处理方式和新的表面涂层。
发明内容
本发明的目的在于提出一种环保型纳米陶瓷涂料、涂层和涂覆工艺,该涂料形成的涂层具有性能优的特点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)。
进一步的，复合改性剂选自水性醇酸树脂、有机硅烷、有机硅、有机硅树脂、硅烷偶联剂中的几种。
进一步的，促进剂选自醋酸、盐酸、甲酸、硫酸和柠檬酸中的一种或几种。
一种环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)。
一种纳米陶瓷涂层，包括底层和面层，面层由环保型纳米陶瓷涂料的面料涂覆形成；面层的原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)；
底层的原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)。
一种涂覆工艺，包括以下步骤：
(1)、制备面料：将80-120份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，然后加入80-120份碱性硅溶胶并搅拌均匀，熟化，制得面料；
(2)、制备底料：将填料和碱性硅溶胶混合均匀，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)，将100份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，之后，将200-230份的填料和碱性硅溶胶混合物加入到上述复合改性剂和促进剂的混合物中，搅拌均匀，熟化，得到底料；
(3)、对金属工件表面进行预处理，之后将金属工件预热；
(4)、在预热的工件表面喷涂底料和面料；
(5)、将喷涂底料和面料形成的涂层进行热处理；
(6)、冷却得具有环保型纳米陶瓷涂层的金属工件。
进一步的，在步骤(1)中，复合改性剂和促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；在复合改性剂和促进剂的混合物中碱性硅溶胶后高速搅拌，搅拌熟化1-3小时；高速搅拌的速度为800-2500r/min。
进一步的，在步骤(2)中，复合改性剂和促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；将填料和碱性硅溶胶混合物加入到复合改性剂和促进剂的混合物中高速搅拌，搅拌熟化1-3小时；高速搅拌的速度为800-2500r/min。
进一步的，在步骤(3)中，金属工件预热的参数为：预热温度30℃-80℃，预热时间5-30min。
进一步的，在步骤(5)中，热处理的参数为：温度80-200℃，时间30-90min。
本发明的有益效果为：
1、本发明的环保型纳米陶瓷涂料形成的涂层主要结构是由硅溶胶进行缩聚反应形成硅氧烷键链接而成的立体多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构，硅氧烷键键能高、极其稳定，耐老化性能、耐温性高；该涂层的次要结构复合改性剂水解产物与硅溶胶进行脱水缩合反应，在硅溶胶部分硅氧醇基(-SiOH)或羟基(-OH)上接枝形成带“尾巴”的有机物，该反应产物穿插在主要结构——多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构的网格中，故称作“互穿反应”；该反应产物既能提高聚硅氧烷网络结构的柔韧性(不易脆裂)，又能改善硅溶胶的成膜性能。
2、本发明的环保型纳米陶瓷涂料采用复合改性剂，充分改善了硅溶胶的成膜性能，提高及扩展了膜层的性能，易广泛应用，尤其可应用于锌合金、铜等基材上；采用复合促进剂，保证了改性的平稳水解，以及改性物质与硅溶胶进行改性交联反应的H+浓度，使改性交联反应能平稳有效的进行，保证了涂膜的性能。
3、本发明以环保型纳米陶瓷涂层代替电镀和烤漆工艺，一种全新的五金制品生产工艺，无污染，绿色节能环保；
4、本发明的纳米陶瓷涂层性能优异，具有硬度高、耐磨、耐化学腐蚀、防污、耐老化的特点；
5、在涂覆工艺中，喷涂底料完成后立即喷涂面料，简化了生产工艺，提升了生产效率，便于生产控制。
具体实施方式
下面结合附具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
本发明公开一种环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)。优选的，三者的重量比为100：100：(1-2)。
该涂料形成的涂层主要结构是由硅溶胶进行缩聚反应形成硅氧烷键链接而成的立体多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构，硅氧烷键键能高、极其稳定，耐老化性能、耐温性高；该涂层的次要结构复合改性剂水解产物与硅溶胶进行脱水缩合反应，在硅溶胶部分硅氧醇基(-SiOH)或羟基(-OH)上接枝形成带“尾巴”的有机物，该反应产物穿插在主要结构——多孔网络状[—Si—O—Si—]n结构的网格中，故称作“互穿反应”；该反应产物既能提高聚硅氧烷网络结构的柔韧性(不易脆裂)，又能改善硅溶胶的成膜性能。
通过限定涂料中碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂的用量比例，使得涂层的主要结构和次要结构更加紧密，提高涂层的稳定性和柔韧性。
进一步的，复合改性剂选自水性醇酸树脂、有机硅烷、有机硅、有机硅树脂、硅烷偶联剂中的几种。
本发明采用多种有机物复合进行改性，而非单一的物质进行改性。相对于单一的改性剂，复合改性能充分改善了硅溶胶的成膜性能，使涂层不易开裂，易施工等，还提高及扩展了膜层的性能，易广泛应用，尤其可应用于锌合金、铜等基材上。
优选的，复合改性剂为有机硅烷、有机硅和有机硅树脂、硅烷偶联剂中的一种或几种与水性醇酸树脂的复合。复合改性剂中一定包含水性醇酸树脂，水性醇酸树脂和硅烷系改性剂的水解产物与硅溶胶进行脱水缩合反应，接枝反应形成带“尾巴”的有机物，这些尾巴的长度不一，穿插在主要结构的网格中在很大程度上提高涂层的柔韧性和改善成膜性能。
进一步的，促进剂选自醋酸、盐酸、甲酸、硫酸和柠檬酸中的一种或几种。优选的，促进剂为复合促进剂，选自醋酸、盐酸、甲酸、硫酸和柠檬酸中的几种。复合促进剂是采用不同类型的酸进行复合，保证了碱性硅溶胶和复合改性剂的平稳水解，以及复合改性剂与硅溶胶进行改性交联反应的H+浓度，使改性交联反应能平稳有效的进行，保证了涂膜的性能。
本发明另一种环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)。
该涂料中还具有填料，填料选自钛白粉、重钙粉、硫酸钡粉、铝粉、双飞粉中的一种或几种，填料的粒径不高于10μm。涂料中加入填料能改进涂层的流变性、附着力和遮盖力，填料还能增加涂层的厚度，改进涂层的力学性能。
在实际生产中，环保型纳米陶瓷涂料作为底料使用时还加入流平剂、分散剂，作为面料使用时还加入流平剂、分散剂、防污剂，流平剂的加入量为复合改性剂总量的0.5％-2.0％，防污剂的加入量为复合改性剂总量的1.0％-5.0％，防污剂的加入量视防污要求而定。防污剂为含氟系防水防油剂，如氟硅、氟碳类有机氟。
本发明还公开了一种采用上述环保型纳米陶瓷涂料的形成的涂层，包括底层和面层，面层的原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)；；
底层的原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)。
该涂层由底层和面层形成，底层和面层的原料区别仅在于底层中还具有填料。底层能够遮盖工件原有颜色、增加涂层整体的厚度，面层能够使涂层有更好的光泽度和平整度。
本发明的涂层应用于五金制品，如水龙头、金属把手、金属外壳等，尤其适用于黄铜和锌合金材质的五金制品。
本发明公开一种涂覆工艺，包括以下步骤：
(1)、制备面料：将80-120份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，然后加入80-120份碱性硅溶胶并搅拌均匀，熟化，制得面料；
(2)、制备底料：将填料和碱性硅溶胶混合均匀，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)，将100份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，之后，将200-230份的填料和碱性硅溶胶混合物加入到上述复合改性剂和促进剂的混合物中，搅拌均匀，熟化，得到底料；
(3)、对金属工件表面进行预处理，之后将金属工件预热；
(4)、在预热的工件表面喷涂底料和面料；
(5)、将喷涂底料和面料形成的涂层进行热处理；
(6)、冷却得具有环保型纳米陶瓷涂层的金属工件。
通过上述的工艺在金属工件上形成纳米陶瓷涂层，该涂层硬度高、耐磨、耐化学腐蚀、防污、耐老化，在涂覆过程和成膜过程中，无污染，绿色环保。
在工件喷涂之前对工件表面进行预处理，能提高涂层的附着能力。预处理过程为：对工件进行喷砂处理，喷砂的粒径为80-400目，砂料为棕刚玉或金刚砂等硬质喷砂料；然后将喷砂处理后的工件除尘除油，以空气压力除尘，采用环保清洗液清洗表面尘及油污。喷砂后的工件表面形成细小凹槽，在很大程度上提高涂层的附着力。
本发明的纳米陶瓷涂料为水性涂料，粘度低，喷涂时易流挂，在垂直面上涂装时涂料下垂，在流挂区域内，涂膜后附变得不均匀，出现堆积现象，影响涂层性能及喷涂的外观效果，如膜层厚薄不均匀，使内应力相差大，厚的膜层容易开裂及剥落，薄的膜层太薄又无法遮盖底材和保护底材，既影响外观又影响涂层的性能。本发明的工艺中，在工件预热喷涂涂料，水分快速蒸发，涂膜材料快速成膜并覆盖在基材表面，不易因重力作用快速流动，产生积油、流挂等现象。
本发明的工艺中，将喷涂底料和面料形成的涂层进行热处理，促进成膜反应，使膜层具有较高的表面强度和致密度。
进一步的，在步骤(1)中，复合改性剂和促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；在复合改性剂和促进剂的混合物中碱性硅溶胶后高速搅拌，搅拌熟化1-3小时；高速搅拌的速度为800-2500r/min。
首先将复合改性剂和促进剂混合均匀后才加入碱性硅溶胶，保证碱性硅溶胶能够与其他原料充分混合，以高速搅拌使各原料能充分混合，在熟化过程中持续搅拌，不仅能提高熟化的速度还能提高熟化的均匀性。面料熟化之后再加入流平剂和防污剂搅拌均匀，之后，将面料过200-400目滤网。
进一步的，在步骤(2)中，复合改性剂和促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；将填料和碱性硅溶胶混合物加入到复合改性剂和促进剂的混合物中高速搅拌，搅拌熟化1-3小时；高速搅拌的速度为800-2500r/min。
首先将填料和碱性硅溶胶混合均匀，能提高填料分布的均匀性。在熟化过程中持续搅拌，不仅能提高熟化的速度还能提高熟化的均匀性。底料熟化之后再加入流平剂搅拌均匀，之后，将底料过200-400目滤网。
进一步的，在步骤(3)中，金属工件预热的参数为：预热温度30℃-80℃，预热时间5-30min。通过设定预热温度高低和预热时间的长短，使喷涂过程中不产生流挂闲死昂，膜层厚度均匀并且达到厚度要求。
进一步的，在步骤(5)中，热处理的参数为：温度80-200℃，时间30-90min。具体的，热处理具有两个阶段，预(干燥)反应成膜阶段：80℃热处理30-60min，此阶段主要为有机溶剂及水分的排出，对应的涂料的流平及成膜反应逐步进行，并形成具有一定强度的膜结构；低温烧结反应阶段：150℃热处理30-60min，此阶段为高沸点有机溶剂及水分的进一步排出，即充分进行上述成膜反应，直至完全反应(完全干燥)，固结反应使膜层表面强度、致密度接近峰值。
本发明的喷涂工艺中，在步骤(4)中，以机器人进行自动喷涂，在喷涂底料之后立即喷涂面料，不仅能保证喷涂质量减少人工成本和提高生产效率，还简化的工艺步骤，便于生产控制。
以下通过具体实施例进一步阐述本发明。
实施例组A
本实施例组的环保型纳米陶瓷涂料，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)。复合改性剂选自水性醇酸树脂、有机硅烷、有机硅、有机硅树脂、硅烷偶联剂中的几种。促进剂选自醋酸、盐酸、甲酸、硫酸和柠檬酸中的一种或几种。
本实施例组的环保型纳米陶瓷涂料的面料的制备方法如下：
将80-120份复合改性剂加入1-2份促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；然后加入80-120份碱性硅溶胶并高速搅拌均匀，搅拌熟化1-3小时，制得面料。高速搅拌的速度为800-2500r/min。在面料中加入相应比例的流平剂、防污剂，再搅拌约5-15min；最后过200-400目滤网待用。
本实施例组以重量份计的配方如下表所示。
将本实施例组的环保型纳米陶瓷涂料单独喷涂形成膜层，对膜层进行检测，如下表所示。
由上述检验结果可知，相对于使用复合改性剂和复合促进剂，实施例A6-7的涂层性质稍劣于实施例A1-A5，但仍具有良好的性质。
实施例组B
本实施例组的环保型纳米陶瓷涂料，原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)。复合改性剂选自水性醇酸树脂、有机硅烷、有机硅、有机硅树脂、硅烷偶联剂中的几种。促进剂选自醋酸、盐酸、甲酸、硫酸和柠檬酸中的一种或几种。
本实施例组的环保型纳米陶瓷涂料的制备方法为：
将填料和碱性硅溶胶混合均匀，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)，将100份复合改性剂加入1-2份促进剂高速搅拌混合均匀，之后，将200-230份的填料和碱性硅溶胶混合物加入到上述复合改性剂和促进剂的混合物中，高速搅拌均匀，搅拌熟化1-3小时，得到底料；高速搅拌的速度为800-2500r/min。在涂料中加入相应比例的流平剂，再搅拌约5-15min；最后过200-400目滤网待用。
本实施例组以重量份计的配方如下表所示。
将本实施例组的环保型纳米陶瓷涂料单独喷涂形成膜层，对膜层进行检测，如下表所示。
由以上检验结果可知，由于填料的加入涂层硬度普遍提高，但是由于实施例B6-7采用了单一的改性剂和单一的促进剂，涂层的耐老化能力稍劣于实施例B1-5。
实施例组C
本实施例组的一种涂覆工艺，包括以下步骤：
(1)、制备面料：将80-120份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，然后加入80-120份碱性硅溶胶并搅拌均匀，熟化，制得面料；
(2)、制备底料：将填料和碱性硅溶胶混合均匀，碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)，将100份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，之后，将200-230份的填料和碱性硅溶胶混合物加入到上述复合改性剂和促进剂的混合物中，搅拌均匀，熟化，得到底料；
(3)、对金属工件表面进行预处理，之后将金属工件预热，预热温度30℃-80℃，预热时间5-30min；
(4)、以机器人在预热的工件表面喷涂底料，在底料喷涂完成后马上喷涂面料；
(5)、将喷涂底料和面料形成的涂层进行热处理，温度80-200℃，时间30-90min，具体的，预(干燥)反应成膜阶段：80-100℃热处理30-60min；低温烧结反应阶段：150-200℃热处理30-60min；
(6)、冷却得具有环保型纳米陶瓷涂层的金属工件。
通过本实施例组的工艺在工件表面形成纳米陶瓷涂层。
本实施例组各步骤的参数如下表所示。
将本实施例组的获得的具有纳米陶瓷涂层金属工件的膜层进行检测，如下表所示。
由上述检验结果可知，两层涂料的叠加能提高涂层的光泽度，实施例C-7的涂层性质稍劣于实施例C1-5，但仍具有良好的性质。
上述的检测项目的检测方法和标准如下表所示。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环保型纳米陶瓷涂料，其特征在于，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)。
2.根据权利要求1所述的环保型纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述复合改性剂选自水性醇酸树脂、有机硅烷、有机硅、有机硅树脂、硅烷偶联剂中的几种。
3.根据权利要求1所述的环保型纳米陶瓷涂料，其特征在于，所述促进剂选自醋酸、盐酸、甲酸、硫酸和柠檬酸中的一种或几种。
4.一种环保型纳米陶瓷涂料，其特征在于，其原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)，所述碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)。
5.一种纳米陶瓷涂层，其特征在于，包括底层和面层，所述面层的原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂和促进剂，三者的重量比为(80-120)：(80-120)：(1-2)；
所述底层的原料包括碱性硅溶胶、复合改性剂、促进剂和填料，重量比为(填料+碱性硅溶胶)：复合改性剂：促进剂＝(200-230):100：(1.0-2.0)。
6.一种涂覆工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、制备面料：将80-120份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，然后加入80-120份碱性硅溶胶并搅拌均匀，熟化，制得面料；
(2)、制备底料：将填料和碱性硅溶胶混合均匀，所述碱性硅溶胶和填料的重量比为(50-75)：(25-50)，将100份复合改性剂加入1-2份促进剂混合均匀，之后，将200-230份的填料和碱性硅溶胶混合物加入到上述复合改性剂和促进剂的混合物中，搅拌均匀，熟化，得到底料；
(3)、对金属工件表面进行预处理，之后将金属工件预热；
(4)、在预热的工件表面喷涂底料和面料；
(5)、将喷涂底料和面料形成的涂层进行热处理；
(6)、冷却得具有环保型纳米陶瓷涂层的金属工件。
7.根据权利要求6所述的涂覆工艺，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述复合改性剂和促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；在所述复合改性剂和促进剂的混合物中碱性硅溶胶后高速搅拌，搅拌熟化1-3小时；高速搅拌的速度为800-2500r/min。
8.根据权利要求6所述的涂覆工艺，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述复合改性剂和促进剂高速搅拌混合均匀，搅拌时间5-15min；将填料和碱性硅溶胶混合物加入到复合改性剂和促进剂的混合物中高速搅拌，搅拌熟化1-3小时；高速搅拌的速度为800-2500r/min。
9.根据权利要求6所述的涂覆工艺，其特征在于，在所述步骤(3)中，金属工件预热的参数为：预热温度30℃-80℃，预热时间5-30min。
10.根据权利要求6所述的涂覆工艺，其特征在于，在所述步骤(5)中，热处理的参数为：温度80-200℃，时间30-90min。
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