CN112175709A - 一种水基防锈剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种水基防锈剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水基防锈剂及其制备方法和应用。包括如下重量比的原料：1‑40％防锈剂，1‑10％缓蚀剂，2‑10％分散剂，0.2‑5％缓冲剂，余量为去离子水；防锈剂包括羧酸及其衍生物、硼酸酯、硅酸盐、醇胺及其衍生物、纳米氧化锌水性分散液、高分子物质、植酸溶液。具有环保的效果，在冷轧钢的表面形成膜层，膜层的防锈效果较好，在室温下放置一个月无明显锈蚀。盐雾处理后，冷轧钢基体表面不会产生大量的锈蚀，可满足企业的需求。

Description

一种水基防锈剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种水基防锈剂及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
金属工件在使用前需经过脱脂、水洗、成膜、涂装等工艺。由于操作环境温度与湿度的原因，若不及时对工件处理就会引起工件产生锈蚀，破坏金属工件原有的色泽、形貌及自身的机械性能，影响工件的使用寿命，造成严重的经济损失和直接的资源浪费，为了解决这一棘手的问题，目前往往采用防锈油与防锈水对工件进行处理。防锈油与防锈水虽然在一定程度上能够满足工业的应用要求，但在后续工艺条件下往往会使二者性能大打折扣。防锈油体系中经常以大量的需高温合成的油溶性物质作为主要防锈物质，这对于后续的成膜前处理以及涂装流程工艺来说，会大大影响漆膜在基体上的附着力从而减弱金属使用寿命。
现有技术中提出了一种防锈油，原料中各组分需要在130-140℃的高温下反应，使企业面临大量的能耗以及后续喷涂困难的问题。目前大多数水基防锈剂防锈时间短，其效果远远不及防锈油。针对传统的水基防锈剂来说，虽然不含或含有较少的油性物质，但其体系中经常含有亚硝酸钠及亚硝胺类易引发癌症的有害物质，对操作工的生命健康造成威胁。
用于钢铁产品表面形成金属化学转化膜来抑制金属表面腐蚀，虽然取得了一定的防锈效果，但处理后排放的废液中含磷酸盐等离子不符合环保的要求，含有的亚硝酸盐与人体内蛋白质中的氨基酸等胺类物质、胃酸及胃液在一定条件下转化成强致癌物质亚硝胺，严重威胁操作工的健康。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种水基防锈剂及其制备方法和应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种水基防锈剂，包括如下重量比的原料：1-40％防锈剂，1-10％缓蚀剂，2-10％分散剂，0.2-5％缓冲剂，余量为去离子水；
防锈剂包括羧酸及其衍生物、硼酸酯、硅酸盐、醇胺及其衍生物、纳米氧化锌水性分散液、高分子物质、植酸溶液。
当工件浸泡在防锈液中，硅酸盐与纳米氧化锌、植酸等能够自发的组装在基体表面，构成空间网状结构；羧酸醇胺盐与缓蚀剂分子通过化学吸附与物理吸附的两种方式自发的在工件表面自组装成膜，羧酸醇胺盐分子中的极性基团-COOH与-NH2含有的孤电子对与金属原子的空轨道结合，形成定性排列的垂直于基体表面的疏水层来阻隔工件周围的水分子与其的接触。当工件处于一定的腐蚀条件下，侵蚀物质破坏防锈层后，吸附在阴极和阳极活性位点的缓蚀剂分子则发挥降低局部缺陷活性的作用，减缓金属的腐蚀。综上，无机防护层与有机防护层从二维与三维平面上共同构成防锈膜层，从而对工件形成强有力的保护。
进一步，羧酸及其衍生物、硼酸酯、硅酸盐、醇胺及其衍生物、纳米氧化锌水性分散液、高分子物质、植酸溶液的质量百分比为5-20:2-10:5-18:5-18:2-8:0.3-6:0.01-0.08；优选为6-18:3-7:8-15:7-15:2-6:0.5-4:0.01-0.05。
进一步，羧酸及其衍生物为C6-C18羧酸及其衍生物。选择这个范围的羧酸及其衍生物不仅能够形成更有效的疏水层，而且能与硅酸盐、纳米氧化锌等无机盐形成更好的复配效果。
进一步，高分子物质为高分子物质RE(纤维素衍生物)；优选为纤维素硝酸酯、纤维素乙酸酯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。
进一步，植酸溶液的质量浓度为45-55％。
进一步，纳米氧化锌水性分散液中纳米氧化锌的粒径为20-30nm。
进一步，水基防锈剂，由如下重量比的原料组成，30-60％防锈剂，1-5％缓蚀剂，2-8％分散剂，1.5-5％缓冲剂，余量为去离子水。
在本发明的一些实施方式中，缓蚀剂为噻二唑，苯甲酸钠、钨酸钠、苯并三氮唑、氨基酸及其衍生物、乌洛托品、单宁酸、多酚、壳聚糖等中的一种或多种。进一步，缓蚀剂为苯甲酸钠、苯并三氮唑、氨基酸及其衍生物、钨酸钠的混合物；更进一步，苯甲酸钠、苯并三氮唑、氨基酸及其衍生物、钨酸钠的质量比为0-0.7:0.3-1:0.2-1:0.1-1。
缓蚀剂同时具有防锈和缓蚀的作用。防锈剂羧酸醇胺盐分子和缓蚀剂分子能够通过物理和化学吸附的两种形式定向排列在工件表面形成自组装的疏水性薄膜。缓蚀剂分子能够有效地覆盖基体中的阴极和阳极活性位点，大大提升防锈性能。
在本发明的一些实施方式中，分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇等中的一种或多种；优选为聚乙二醇。分散剂分子能够将缓释与疏水层分子均匀的自组装在基体表面。
在本发明的一些实施方式中，缓冲剂碳酸钠、三乙醇胺、单乙醇胺、碳酸氢钠等中的一种或多种；优选的，缓冲剂为碳酸钠、三乙醇胺、单乙醇胺中两种；进一步优选的，缓冲剂中任意两种的质量比为1-3:1-3。缓冲剂能够很好的维持成膜过程中局部pH的稳定，使局部酸碱度保持动态平衡，有利于形成高性能的防锈层。
在本发明的一些实施方式中，水基防锈剂还包括表面活性剂和消泡剂，水基防锈剂中表面活性剂和消泡剂的重量百分比分别为：0.5-6％、0-0.001％。
在本发明的一些实施方式中，水基防锈剂的pH为8-11，优选为pH＝8.5-10。
第二方面，上述水基防锈剂的制备方法，所述方法为：
将羧酸及其衍生物、醇胺及其衍生物混合反应，然后加入剩余组分得到浓缩液。
在本发明的一些实施方式中，反应的温度为0-99℃；优选为50-90℃；进一步优选为90℃。
第三方面，上述水基防锈剂在冷轧钢处理中的应用。可在冷轧钢表面形成防锈膜层或在某道工序中作为清洗剂减缓处理工艺对基体的腐蚀，或者作为两道工序间的单独防锈处理，既起到一定的缓释效果又能达到优异的防锈效果。
第四方面，利用上述水基防锈剂对冷轧钢进行处理的方法，具体步骤为：
将冷轧钢浸泡在水基防锈剂的水溶液中，然后取出室温干燥后，在冷轧钢表面得到防锈膜层。
在本发明的一些实施方式中，水基防锈剂的水溶液中水基防锈剂的质量百分比为3-10％；优选为3-8％。
在本发明的一些实施方式中，浸泡的时间为1-3min。
在本发明的一些实施方式中，冷轧钢在浸泡前进行水洗处理或水洗加脱脂的处理步骤或酸洗加脱脂加水洗的处理步骤。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
水基防锈剂选择环保的组分，比如硅酸盐和植酸等作为原料，避免对环境造成危害。得到的水基防锈剂不含亚硝酸钠和无机磷酸盐等有害成份，避免危害操作工的健康，具有环保效果。
对冷轧钢的处理过程十分简单，而且冷轧钢进行浸泡在水基防锈剂前，不必进行特殊的处理；处理后得到的冷轧钢静置放置一个月无明显锈蚀，不会对接下来的处理工序产生影响。
冷轧钢基体表面进行转化膜处理时，水基防锈剂可依据实际情况进行调整。金属表面进行转化膜处理前或是处理之后都可以使用水基防锈剂处理进一步增强转化膜的处理效果，下次使用前仅需自来水常温冲洗即可。
水基防锈剂具有一定的耐盐雾的效果，盐雾一段时间后，基体表面不会产生大量锈蚀，可满足企业的需求。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
水基防锈剂原料质量百分比如下：
以质量百分比100％计，6％C6-C18羧酸及其衍生物，12％醇胺及其衍生物，5％硼酸酯，12％硅酸盐，0％苯甲酸钠，1％苯并三氮唑，2％纳米氧化锌水性分散液(20-30nm)，1％氨基酸及其衍生物，0.02％植酸溶液，2％聚乙二醇，4％高分子物质RE(纤维素硝酸酯)，1％钨酸钠，5％硼酸，3％缓冲剂(其中缓冲剂三乙醇胺:单乙醇胺质量比为2:1)，6％表面活性剂，0％消泡剂，余量为水，pH＝8.5-9。
水基防锈剂的制备方法为：将C6-C18羧酸及其衍生物和醇胺及其衍生物在50℃反应，然后加入剩余的组分，得到水基防锈剂。
对冷轧钢的处理工序如下：
1)对冷轧钢板表面进行水洗，脱脂剂脱脂，自来水洗；
2)常温下将步骤1)处理后的冷轧钢放于防锈液中处理80s；
3)将步骤2)处理后的冷轧钢板取出，室内静置晾干，即可得到防锈层；
4)冷轧钢板表面用自来水冲洗，放入下道工序，转化膜层处理。
特别的，步骤4)为后续的处理步骤，2)、3)步骤可以与4)步骤互换顺序。
实施例2
水基防锈剂原料质量百分比如下：
以质量百分比100％计，7％C6-C18羧酸及其衍生物，10％醇胺及其衍生物，4％硼酸酯，8％硅酸盐，0.5％苯甲酸钠，0.3％苯并三氮唑，2.5％纳米氧化锌水性分散液(20-30nm)，0.5％氨基酸及其衍生物，0.03％植酸溶液，3％聚乙二醇，2％高分子物质RE(纤维素硝酸酯)，0.1％钨酸钠，5％硼酸，2％缓冲剂(其中缓冲剂质量配比单乙醇胺:碳酸钠＝1:1)，6％表面活性剂，0.001％消泡剂，余量为水，pH＝9-9.5。
水基防锈剂的制备方法为：将C6-C18羧酸及其衍生物和醇胺及其衍生物在63℃反应，然后加入剩余的组分，得到水基防锈剂。
对冷轧钢的处理工序如下：
1)对冷轧钢板表面进行水洗，脱脂剂脱脂，自来水洗；
2)常温下将步骤1)处理后的冷轧钢表面放于防锈液中处理100s；
3)将步骤2)处理后的冷轧钢板取出，室内静置晾干，即可得到防锈层；
4)冷轧钢板表面用自来水冲洗，放入下道工序，转化膜层处理。
特别的，步骤4)为后续的处理步骤，2)、3)步骤可以与4)步骤互换顺序。
实施例3
水基防锈剂原料质量百分比如下：
以质量百分比100％计，10％C6-C18羧酸及其衍生物，10％醇胺及其衍生物，6％硼酸酯，12％硅酸盐，0.4％苯甲酸钠，0.3％苯并三氮唑，3％纳米氧化锌水性分散液(20-30nm)，0.5％氨基酸及其衍生物，0.05％植酸溶液，3％聚乙二醇，1％高分子物质RE(纤维素硝酸酯)，0.3％钨酸钠，4％硼酸，1.5％缓冲剂(其中缓冲剂质量配比三乙醇胺:碳酸钠＝3:2)，2％表面活性剂，0.001％消泡剂，余量为水，pH为8.5-9。
水基防锈剂的制备方法为：将C6-C18羧酸及其衍生物和醇胺及其衍生物在75℃反应，然后加入剩余的组分，得到水基防锈剂。
对冷轧钢的处理工序如下：
1)对冷轧钢板表面进行水洗，脱脂剂脱脂，自来水洗；
2)常温下将步骤1)处理后的冷轧钢表面放于防锈液中处理120s；
3)将步骤2)处理后的冷轧钢板取出，室内静置晾干，即可得到防锈层；
4)冷轧钢板表面用自来水冲洗，放入下道工序，转化膜层处理。
特别的，上述步骤中，步骤4)为后续的处理步骤，2)、3)步骤可以与4)步骤互换顺序。
实施例4
水基防锈剂原料质量百分比如下：
以质量百分比100％计，8％C6-C18羧酸及其衍生物，7％醇胺及其衍生物，7％硼酸酯，15％硅酸盐，0.5％苯甲酸钠，0.3％苯并三氮唑，4％纳米氧化锌水性分散液(20-30nm)，0.5％氨基酸及其衍生物，0.05％植酸溶液，3％聚乙二醇，0.5％高分子物质RE(纤维素乙酸酯)，0.1％钨酸钠，2％硼酸，4％缓冲剂(其中缓冲剂质量配比三乙醇胺:单乙醇胺＝1:3)，1％表面活性剂，0％消泡剂，余量为水，pH为9-9.5。
水基防锈剂的制备方法为：将C6-C18羧酸及其衍生物和醇胺及其衍生物在86℃反应，然后加入剩余的组分，得到水基防锈剂。
对冷轧钢的处理工序如下：
1)对冷轧钢板表面进行水洗，脱脂剂脱脂，自来水洗；
2)常温下将步骤1)处理后的冷轧钢表面放于防锈液中处理80s；
3)将步骤2)处理后的冷轧钢板取出，室内静置晾干，即可得到防锈层；
4)冷轧钢板表面用自来水冲洗，放入下道工序，转化膜层处理。
特别的，上述步骤中，步骤4)为后续的处理步骤，2)、3)步骤可以与4)步骤互换顺序。
实施例5
水基防锈剂原料质量百分比如下：
以质量百分比100％计，18％C6-C18羧酸及其衍生物，15％醇胺及其衍生物，3％硼酸酯，12％硅酸盐，0.7％苯甲酸钠，0.3％苯并三氮唑，6％纳米氧化锌水性分散液(20-30nm)，0.2％氨基酸及其衍生物，0.01％植酸溶液，8％聚乙二醇，0.5％高分子物质RE(甲基纤维素)，0.1％钨酸钠，3％硼酸，5％缓冲剂(其中缓冲剂质量配比三乙醇胺:单乙醇胺＝2:3)，0.5％表面活性剂，0.001％消泡剂，余量为水。
水基防锈剂的制备方法为：将C6-C18羧酸及其衍生物和醇胺及其衍生物在90℃反应，然后加入剩余的组分，得到水基防锈剂。
对冷轧钢的处理工序如下：
1)对冷轧钢板表面进行水洗，脱脂剂脱脂，自来水洗；
2)常温下将步骤1)处理后的冷轧钢表面放于防锈液中处理80s；
3)将步骤2)处理后的冷轧钢板取出，室内静置晾干，即可得到防锈层；
4)冷轧钢板表面用自来水冲洗，放入下道工序，转化膜层处理。
特别的，上述步骤中，步骤4)为后续的处理步骤，2)、3)步骤可以与4)步骤互换顺序。
对比例1
相比于实施例5，水基防锈剂中不加入C6-C18羧酸及其衍生物。
对比例2
相比于实施例5，水基防锈剂中不加入高分子物质RE。
实验例
对实施例1-5和对比例1-2得到的水基防锈剂在常温下放置到室内，静置放置一个月，湿度为40-50％；
将实施例1-5和对比例1-2处理得到的冷轧钢置于盐雾气氛中加速腐蚀一小时，测试方式为箱体加热到36℃，相对湿度达到90％以上，处理1h；
将实施例1-5和对比例1-2处理得到的冷轧钢进行防锈的测试，得到的结果如表1所示。
表1不同方案防锈效果对比
Figure BDA0002728402060000091
Figure BDA0002728402060000101
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水基防锈剂，其特征在于：包括如下重量比的原料：1-40％防锈剂，1-10％缓蚀剂，2-10％分散剂，0.2-5％缓冲剂，余量为去离子水；
防锈剂包括羧酸及其衍生物、硼酸酯、硅酸盐、醇胺及其衍生物、纳米氧化锌水性分散液、高分子物质、植酸溶液。
2.如权利要求1所述的水基防锈剂，其特征在于：防锈剂中羧酸及其衍生物、硼酸酯、硅酸盐、醇胺及其衍生物、纳米氧化锌水性分散液、高分子物质、植酸溶液的质量百分比为5-20:2-10:5-18:5-18:2-8:0.3-6:0.01-0.08；优选为6-18:3-7:8-15:7-15:2-6:0.5-4:0.01-0.05；
或，羧酸及其衍生物为C6-C18羧酸及其衍生物；
或，高分子物质为高分子物质RE；优选为纤维素硝酸酯、纤维素乙酸酯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；
或，植酸溶液的质量浓度为45-55％；
或，纳米氧化锌水性分散液中纳米氧化锌的粒径为20-30nm。
3.如权利要求1所述的水基防锈剂，其特征在于：水基防锈剂，由如下重量比的原料组成，30-60％防锈剂，1-5％缓蚀剂，2-8％分散剂，1.5-5％缓冲剂，余量为去离子水。
4.如权利要求1所述的水基防锈剂，其特征在于：缓蚀剂为噻二唑，苯甲酸钠、钨酸钠、苯并三氮唑、氨基酸及其衍生物、乌洛托品、单宁酸、多酚、壳聚糖等中的一种或多种；
优选的，缓蚀剂为苯甲酸钠、苯并三氮唑、氨基酸及其衍生物、钨酸钠的混合物；
进一步优选的，苯甲酸钠、苯并三氮唑、氨基酸及其衍生物、钨酸钠的质量比为0-0.7:0.3-1:0.2-1:0.1-1。
5.如权利要求1所述的水基防锈剂，其特征在于：分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇等中的一种或多种；优选为聚乙二醇。
6.如权利要求1所述的水基防锈剂，其特征在于：缓冲剂碳酸钠、三乙醇胺、单乙醇胺、碳酸氢钠等中的一种或多种；优选的，缓冲剂为碳酸钠、三乙醇胺、单乙醇胺中两种；进一步优选的，缓冲剂中任意两种的质量比为1-3:1-3。
7.如权利要求1所述的水基防锈剂，其特征在于：水基防锈剂还包括表面活性剂和消泡剂，水基防锈剂中表面活性剂和消泡剂的重量百分比分别为：0.5-6％、0-0.001％；
或，水基防锈剂的pH为8-11，优选为pH＝8.5-10。
8.权利要求1-7任一所述的水基防锈剂的制备方法，其特征在于：所述方法为：
将羧酸及其衍生物、醇胺及其衍生物混合反应，然后加入剩余组分得到浓缩液；
优选的，反应的温度为0-99℃；优选为50℃-90℃。
9.权利要求1-7任一所述的水基防锈剂在冷轧钢处理中的应用。
10.利用权利要求1-7任一所述的水基防锈剂对冷轧钢进行处理的方法，其特征在于：将冷轧钢浸泡在水基防锈剂的水溶液中，然后取出干燥后，在冷轧钢表面得到防锈剂膜层；
优选的，水基防锈剂的水溶液中水基防锈剂的质量百分比为3-10％；优选为3-6％；
优选的，浸泡的时间为1-3min；
优选的，冷轧钢在浸泡前进行水洗处理或水洗加脱脂的处理步骤或酸洗加脱脂加水洗的处理步骤。
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