CN112341845A - 一种无铬化含铝磷酸盐组合物及涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无铬化含铝磷酸盐水性涂层组合物,主要成分包含磷酸盐离子、硼酸盐离子和铝离子;该组合物的pH值在1.2‑2.5之间,磷酸离子与硼酸离子的摩尔比范围为3.3:1到20:1,铝/磷的摩尔比范围为0.1:1至0.75:1;铝离子的浓度小于1.3mol/L。采用本发明方案制备出高温环境下使用的长效防腐蚀涂层,由上述磷酸盐及铝粉构成,通过特殊工艺及条件的控制,使铝粉在无铬且不含钼酸盐的环境下,仍然能够在磷酸盐水体系中稳定存在,绿色环保,预定用于航空发动机压气机部件、汽车喷管、刹车部件等高温、耐磨环境。
Description
技术领域
本发明属于防腐蚀涂层组合物技术领域,具体涉及高温环境下使用的无铬化含铝磷酸盐水性涂层组合物及防腐蚀涂层。
背景技术
含铝磷酸盐涂层已被广泛用来保护高温金属基材,如钢铁、不锈钢、镍合金等。这种涂层通常将铝粉或者片状铝加入到磷酸盐溶液中,形成混合液以涂覆到基材表面。固化时先加热到260℃,形成水不溶涂层;然后加热到538℃完成涂层的应用固化。这种直接用于底材上的涂层称为底漆。通常还需要一层面漆,一种玻璃状的陶瓷釉层,可以提供耐水、阻热以及增强防腐蚀的效果。面漆涂层一般为不添加铝粉的磷酸盐溶液本身,也可以适当添加一些酸稳定的颜料,来制备色漆。
含有铝粉的磷酸盐溶液,常不稳定,会和铝粉发生反应。该反应放热量大且剧烈,随着热量的集聚会存在自加速的效果,甚至有发生燃烧和爆炸的可能。为了解决以上问题,目前技术是在磷酸盐体系中引入铬酸盐、重铬酸盐、钼酸盐。研究中发现它们的加入可以在酸性体系中有效的钝化铝粉,从而抑制与酸性磷酸溶液的反应。
随着环保意识和健康意识的增强,六价铬的污染以及致癌作用成为了人们考虑以及重视的问题;其次钼作为重金属也存在重金属中毒的风险。
发明内容
本发明的目的是开发出一种无铬且不含钼酸盐抑制剂的磷酸盐/铝体系的水性涂层组合物,即无铬化含铝磷酸盐组合物,以及该组合物制备的防腐蚀涂层。
本发明一方面合成了一种无铬化含铝磷酸盐的水性涂层组合物,包含磷酸盐离子、硼酸盐离子和铝离子。涂层组合物的pH值在1.2-2.5之间,不含常用的钝化剂铬酸盐、钼酸盐以及不含或含有极少量的常用阳离子镁离子。
所述磷酸盐离子通常采用磷酸和所需金属氧化物或氢氧化物之间反应的形成来引入体系,如氧化铝、氢氧化铝;采用氧化钴、氧化锌等来调节pH值;磷酸不特指PO4 -3,也指HPO4 -2及H2PO4 -。通常情况下它们同时存在与体系中,首选85%磷酸来引入磷酸根离子;硼酸根离子可以采用氧化硼(三氧化二硼)及其水合物硼酸的形式来引入,甚至酸溶性硼酸盐,如硼酸锌等,其中氧化硼和硼酸为首选;铝离子的引入可采用氧化铝、金属铝以及市售的磷酸二氢铝,最好的引入形式为氢氧化铝。
所述磷酸离子与硼酸离子的摩尔比3.3:1到20:1之间,优选3.3:1至5:1。铝/磷的摩尔比可以在0.1:1至0.75:1的范围内调整,作为底漆粘结剂时,铝/磷比会影响储存稳定性。
当组合物中添加铝时,对于水性组合物中铝离子浓度有一定限制,其浓度要较高,溶液中铝离子的浓度要达到溶液体系和固体铝粉之间平衡状态的浓度。具体表现为采用单一铝做阳离子时,铝离子的浓度为略少于平衡态的饱和状态,准确值为小于1.3mol/L,体系的pH值为2。阳离子除了铝离子以外,还可以采用铈离子、钴离子、镍离子、锰离子、铜离子和锌离子来调解溶液的pH,该水性涂层组合物的pH值在1.2-2.5之间,其中优选1.7-2.0。这些阳离子可以通过碳酸盐、磷酸盐、氧化物、氢氧化物等来引入。钴、锌等常被认为是磷酸体系的高温固化剂,可影响涂层的高温性能。但是因为钴、镍等被医学怀疑为可致癌物,所以优选锌离子。镁离子不在此范围或者浓度很小,镁离子的存在会加速水性组合物与铝粉的反应,作为底漆粘结剂时,不利于体系稳定。因为镁离子更有利于在低pH值下成膜(pH小于1.5甚至1.0),特别是作为面漆使用时,成膜性、封闭性的好坏直接关系到保护底漆以及底材。
该涂层组合物可采用喷涂、刷涂、浸涂的方式,然后进行固化。固化过程为175℃,15min-30min,然后在350℃烘烤固化40-60min。
该涂层组合物可以通过烘烤固化的方式形成釉面的陶瓷涂层作为面漆。涂层厚度为1μm-25μm,优选6μm-10μm。
该涂层组合物还可以混合球形铝粉、片状铝粉及它们的混合物采用烘烤固化的方式形成含铝陶瓷涂层。由于涂层中含有金属铝,固化后可采用玻璃珠、刚玉珠或钢珠拋丸处理,或者560℃烘烤1小时的方式来使底漆涂层导电,从而形成牺牲涂层对底材进行阳极化保护,具有很好的防腐蚀性能,可作为底漆在600℃以下温度中长期使用。底漆厚度可以在8-100μm之间,甚至可以更厚,取决于涂层施工及烘烤固化的次数。
底漆上喷涂本专利水性涂料组合物作为面漆,可起到封闭,抗氧化、减少腐蚀以及增加光洁度的功能,从而为整体涂层带来更好的性能。
该涂层组合物中可以通过添加任何在酸性条件下稳定的颜料来制备带色面漆,颜料粒径要尽可能的小,以使涂层表面轮廓看起来光滑。例如三氧化二铬、磷酸铁等。
该涂层组合物中可以通过添加一些“难溶”化合物,如二氧化硅、碳化硅、氧化锆等,来提高涂层的耐温性。该涂层组合物中还可以通过添加石墨、二硫化钨等,来提高涂层的润滑性。
采用本发明的技术方案,可以制备出高温环境下使用的长效防腐蚀涂层,由磷酸盐及铝粉构成,通过特殊工艺及条件的控制,使铝粉在无铬且不含钼酸盐的环境下,仍然能够在磷酸盐水体系中稳定存在,绿色环保,预定用于航空发动机压气机部件、汽车喷管、刹车部件等高温、耐磨环境
具体实施方式
本实施例示范了无铬化含铝磷酸盐组合物及涂层的制备方法。
实施例一:
无铬化含铝磷酸盐水性涂层组合物由以下构成:
去离子水216.6g,磷酸(85%)62g,硼酸锌7.4g,磷酸铁1.6g,磷酸铝锌14.2g(其中锌的质量份约39%,铝的质量份5%,磷酸根的质量份54%),氢氧化铝15.6g。
最终水性涂层组合物的pH值约为2.0,磷酸离子与硼酸离子的摩尔比约为6.18:1,铝/磷的摩尔比约为0.6:1,可作为封闭涂层使用。固化过程为175℃,15min-30min,然后在350℃烘烤固化40-60min。
取上述水性涂层组合物100ml,加入球形铝粉80g(粒径4-5μm),在72h内未见到塑料瓶内出现体积膨胀、发热、粘度变化甚至凝胶现象发生,说明铝粉在此体系中能长时间稳定存在。底漆固化过程同样采用175℃,15min-30min,然后在350℃烘烤固化40-60min。
底漆可以采用拋丸、热处理的方式进行特殊处理使涂层导电,处理后一英寸间的表面电阻在5-100Ω之间,电阻大小取决于处理工艺的好坏。
底面配套涂层性能结果见下表:
项目 | 测试结果 |
盐雾(ASTM117),1000h | 不起泡,无白锈 |
附着力(划格法),1mm | 0级 |
耐磨性(ASTM D968) | >100L/miL |
抗氧化性,100h(538℃) | <1mg/cm<sup>2</sup> |
耐水煮,10min | 无开裂、起泡、浸没后弯曲试验合格 |
耐热油(4109滑油),200℃,8h | 无脱皮、起泡、起皱、软化 |
实施例二:
无铬化含铝磷酸盐水性涂层组合物由以下构成:
去离子水160g,磷酸(85%)62g,三氧化二硼5.6g,氧化锌2.8g,氢氧化铝17.2g。最终水性涂层组合物的pH值约为2.1,磷酸离子与硼酸离子的摩尔比约为6.18:1,铝/磷的摩尔比约为0.6:1。
取上述水性涂层组合物100ml,加入球形铝粉80g(粒径4-5μm),在12h内未见到塑料瓶内出现体积膨胀、发热、粘度变化甚至凝胶现象发生,说明铝粉在此体系中能长时间稳定存在。使用工艺同实施例1。
实施例三:
无铬化含铝磷酸盐水性涂层组合物由以下构成:
去离子水216.6g,磷酸(85%)90g,氧化锌2.8g,硼酸7.0g,磷酸铁1.6g,磷酸铝锌14.2g(其中锌的质量份约39%,铝的质量份5%,磷酸根的质量份54%),碳酸镁24.0g。该配方使用镁来替代铝作为基料主要阳离子。
最终水性涂层组合物的pH值约为2.0,磷酸离子与硼酸离子的摩尔比约为7.7:1,涂层可以作为面漆施工。
取上述水性涂层组合物20ml,加入球形铝粉16g(粒径4-5μm),在5min后,就可观察到水性组合物和铝粉之间存在反应。说明镁离子的存在会加速水性组合物与铝粉的反应,因此应控制体系中镁离子的浓度,应不含或浓度极低。
本公开已由上述相关实施例加以描述,然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是,已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反,在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰,均属本公开的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种无铬化含铝磷酸盐涂层组合物,其特征在于,所述组合物包含磷酸盐离子、硼酸盐离子和铝离子;所述组合物的pH值在1.2-2.5之间,优选1.7-2.0;磷酸离子与硼酸离子的摩尔比范围为3.3:1到20:1,优选3.3:1至5:1;铝/磷的摩尔比范围为0.1:1至0.75:1;铝离子的浓度小于1.3mol/L。
2.根据权利要求1所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物,其特征在于,所述磷酸盐离子通过磷酸和金属氧化物或氢氧化物之间反应来引入,所述氢氧化物为氧化铝、氢氧化铝中的至少一种,所述磷酸优选为85%磷酸;所述硼酸盐离子采用三氧化二硼或其水合物硼酸、酸溶性硼酸盐等一种或多种形式来引入,优选氧化硼和硼酸;铝离子通过氧化铝、金属铝以及市售的磷酸二氢铝的一种或几种来引入,优选氢氧化铝。
3.根据权利要求1所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物,其特征在于,还含有铈离子、钴离子、镍离子、锰离子、铜离子和锌离子中的一种或多种阳离子来调解溶液的pH,优选锌离子;所述阳离子来自碳酸盐、磷酸盐、氧化物、氢氧化物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物,其特征在于,在所述组合物中可以通过添加在酸性条件下稳定的颜料来制备带色面漆,所述颜料包括但不限于三氧化二铬、磷酸铁中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物,其特征在于,还可以添加可提高涂层耐温性的物质,包括但不限于二氧化硅、碳化硅、氧化锆的一种或几种;还可以添加可提高涂层润滑性的物质,包括但不限于石墨、二硫化钨的一种或几种。
6.如权利要求1-5任一项所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物的应用方法,其特征在于:所述组合物可采用喷涂、刷涂、浸涂的方式,然后进行固化;所述固化工艺为175℃处理15min-30min,然后在350℃烘烤固化40-60min。
7.如权利要求1-5任一项所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物的应用方法,其特征在于,该组合物可以通过烘烤固化的方式形成釉面的陶瓷涂层作为面漆使用,涂层厚度为1μm-25μm,优选6μm-10μm。
8.如权利要求1-5任一项所述的无铬化含铝磷酸盐涂层组合物的应用方法,其特征在于,通过添加铝粉,固化后可采用玻璃珠、刚玉珠或钢珠拋丸处理,或560℃烘烤1小时的方式来使底漆涂层导电,形成牺牲涂层,作为底漆使用,厚度为8μm以上,取决于涂层施工及烘烤固化的次数。
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