CN112430416A - 一种膨胀隔热防腐蚀涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涂料技术领域，提供一种膨胀隔热防腐蚀涂料及其制备方法，由主剂组份和固化剂组份按照质量份数5:2‑7:3进行配比组成，主剂组份包括20‑40份环氧树脂、10‑30份防腐颜料、10‑20份防腐填料、2‑5份助溶剂、0.3‑1份润湿剂、1‑3份分散剂、0.1‑1份消泡剂、10‑30份膨胀型阻燃剂、5‑10份阻燃填料、0.1‑2份石墨烯。本发明解决了现有钢结构防火涂料所存在的弊端：防火涂层和防腐涂层之间的相容性、施工不方便、需要消耗大量的人工和材料双重成本的问题。
Description
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种膨胀隔热防腐蚀涂料及其制备方法。
背景技术
随着社会的进步，钢结构建筑虽然具有众多优点，但也存在一些缺点。例如，钢结构腐蚀每年造成了数以亿吨的钢铁浪费以及巨大的经济损失，据统计，我国每年因钢铁腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值(GDP)的2%～4%。此外，研究表明，钢材的强度与温度成反比关系，在温度为540℃的条件下，钢材的强度会急剧下降，力学性能会大幅度下降，此时温度称为临界温度；发生火灾时，温度可达到1000℃，远大于钢结构自身临界温度，使其强度明显下降；如果不对使用的钢材进行处理，很容易在发生火灾时造成钢结构软化坍塌、钢材报废，不仅对人们的安全造成隐患，还会造成资源浪费和环境破坏。因此，要克服钢结构在建筑领域的实际应用中的不足，就要对钢结构实施防火防腐保护。
传统的方法是在钢结构上先后施工钢结构防腐底漆、钢结构防火涂料和钢结构防腐面漆，施工较复杂，且还需要考虑防火涂层和防腐涂层之间的相容性问题, 同时施工不方便，需要消耗大量的人工和材料双重成本。
因此，开发一种同时具备防腐蚀和防火功能的新型涂料，实现防腐防火一体化，施工更方便节约成本，极具研究意义和价值。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提供一种具有耐腐蚀性能好，耐盐雾时间长、造价成本低、节约人工和材料成本、施工使用方便的膨胀隔热防腐蚀涂料及其制备方法。
为解决此技术问题，本发明采取以下方案：一种膨胀隔热防腐蚀涂料，由主剂组份和固化剂组份按照质量份数5:2-7:3进行配比组成，主剂组份包括20-40份环氧树脂、10-30份防腐颜料、10-20份防腐填料、2-5份助溶剂、0.3-1份润湿剂、1-3份分散剂、0.1-1份消泡剂、10-30份膨胀型阻燃剂、5-10份阻燃填料、0.1-2份石墨烯。
进一步的，所述固化剂组份为水性胺固化剂。
进一步的，所述环氧树脂为KEM-128-70水性环氧树脂，所述分散剂为DISPERBYK-2015。
进一步的，所述润湿剂为TEGO TWIN4000。
进一步的，所述消泡剂为TEGO AIREX901W、BYK-011，所述助溶剂为PMA、PMB。
进一步的，所述防腐颜料为磷酸锌、氧化锌、氧化铁一种或多种混合物。
进一步的，所述膨胀型阻燃剂为酸源：碳源：气源以3:1:1混合而成的混合物，酸源为聚磷酸酯、(NH4)2SO4、NH4Cl、胺/酰胺磷酸盐中任意一种，碳源为淀粉、糊精、山梨醇、季戊四醇中任意一种，气源为三聚氰胺。
进一步的，所述石墨烯为经过表面改性的石墨烯，其制作方法如下：将1.02 g鳞片石墨AR、70 mL浓硫酸AR和2.02 g硝酸钠AR加入500 mL三口瓶中，混合搅拌40 min后再称取6.02 g高锰酸钾AR在冰水浴的条件下，温度控制在5℃以下，分2 h缓慢加入三口瓶中，然后继续搅拌2 h，将体系升温至40℃，并继续搅拌40 min，在2 h内将200 mL蒸馏水逐滴加入三口瓶中，然后将体系升温至98℃并搅拌15 min，将得到的产品倒入400 mL温度为60℃的蒸馏水中搅拌均匀，逐滴加入过氧化氢溶液直至溶液呈金黄色，然后静置12 h，除去上层清液后将底层沉淀物洗涤真空干燥，得到氧化石墨烯即表面改性的石墨烯。
进一步的，所述防腐填料为硫酸钡、绢云母，所述阻燃填料为可膨胀石墨。
上述任一膨胀隔热防腐蚀涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.5份润湿剂、1份分散剂、0.1份消泡剂、1份PMA加入20份去离子水中分散1-3分钟使其完全溶于水中，形成分散体系；
（2）再将20份磷酸锌、10份硫酸钡、5份可膨胀石墨、15份膨胀型阻燃剂、1份石墨烯、5份绢云母加入上述分散体系中，在900rpm-1500rpm分散2-5分钟使其完全分散，形成浆料，调整转速至1800rpm-2000rpm，保持转速不变分散20-40分钟；
（3）最后将转速调制800rpm-1000rpm，依次加入20份环氧树脂、0.1份消泡剂、1份PMA、0.3份去离子水，保持转速不变分散5-10分钟即可得到主剂组份；
（4）将主剂组份与固化剂组份按5:2-7:3比例混合即可得到膨胀隔热防腐蚀涂料。
通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：
（1）具有良好的防火性能，耐火时长可达60-180min，根据耐火时间调整相应涂层厚度。
（2）具有良好的耐腐蚀性能，耐盐雾时长可达1000小时以上。
（3）具有施工方便，节约人工、材料双重成本的特点。
附图说明
图1是本发明实施例中膨胀隔热防腐蚀涂料的膨胀过程流程图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1：
一种膨胀隔热防腐蚀涂料，由主剂组份和固化剂组份按照质量份数5：2进行配比组成，主剂组份包括以下重量份含量的制备原料：
去离子水 20.3份
环氧树脂 20份
润湿剂 0.5份
分散剂 1份
消泡剂 0.2份
助溶剂 2份
磷酸锌 20份
硫酸钡 10份
可膨胀石墨 5份
膨胀型阻燃剂 15份
石墨烯 1份
绢云母 5份；
所述固化剂组份为水性胺固化剂。
所述环氧树脂为KEM-128-70水性环氧树脂，所述分散剂为DISPERBYK-2015，所述润湿剂为TEGO TWIN4000，所述消泡剂为TEGO AIREX901W、BYK-011，所述助溶剂为PMA、PMB，所述防腐颜料为磷酸锌、氧化锌、氧化铁，所述防腐填料为硫酸钡，所述阻燃填料为可膨胀石墨，所述膨胀型阻燃剂为酸源：碳源：气源以3:1:1混合而成的混合物，酸源为聚磷酸酯、(NH4)2SO4、NH4Cl、胺/酰胺磷酸盐中任意一种，碳源为淀粉、糊精、山梨醇、季戊四醇中任意一种，气源为三聚氰胺,所述石墨烯为经过表面改性的石墨烯，其制作方法简略描述如下：
将1.02 g鳞片石墨(AR)、70 mL浓硫酸(AR)和2.02 g硝酸钠(AR)加入500 mL三口瓶中，混合搅拌40 min后再称取6.02 g高锰酸钾(AR)在冰水浴的条件下(温度控制在5℃以下)缓慢加入(分2 h加入)三口瓶中，然后继续搅拌2 h。将体系升温至40℃，并继续搅拌40 min。在2 h内将200 mL蒸馏水逐滴加入三口瓶中， 然后将体系升温至98℃并搅拌15 min，将得到的产品倒入400 mL温度为60℃的蒸馏水中搅拌均匀，逐滴加入过氧化氢溶液直至溶液呈金黄色，然后静置12 h。除去上层清液后将底层沉淀物洗涤真空干燥，得到氧化石墨烯。
上述膨胀隔热防腐蚀涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.5份润湿剂、1份分散剂、0.1份消泡剂、1份PMA加入20份去离子水中分散1-3分钟使其完全溶于水中，形成分散体系。
（2）再将20份磷酸锌、10份硫酸钡、5份可膨胀石墨、15份膨胀型阻燃剂、1份石墨烯、5份绢云母加入上述分散体系中，在900rpm-1500rpm分散2-5分钟使其完全分散，形成浆料，调整转速至1800rpm-2000rpm，保持转速不变分散20-40分钟。
（3）最后将转速调制800rpm-1000rpm，依次加入20份环氧树脂、0.1份消泡剂、1份PMA、0.3份去离子水，保持转速不变分散5-10分钟即可得到所述膨胀隔热防腐蚀涂料的主剂组分。
（4）将主剂组分与固化剂组分水性胺固化剂按5：2比例混合即可得到膨胀隔热防腐蚀涂料。
实施例2：
一种膨胀隔热防腐蚀涂料，由主剂组份和固化剂组份按照质量份数5：2.1进行配比组成，主剂组份包括以下重量份含量的制备原料：
去离子水 13份
环氧树脂 22份
润湿剂 0.5份
分散剂 1.3份
消泡剂 0.2份
助溶剂 2份
磷酸锌 20份
硫酸钡 10份
可膨胀石墨 5份
膨胀型阻燃剂 25份
石墨烯 1份；
所述固化剂组份为水性胺固化剂。
所述环氧树脂为KEM-128-70水性环氧树脂，所述分散剂为DISPERBYK-2015，所述润湿剂为TEGO TWIN4000，所述消泡剂为TEGO AIREX901W、BYK-011，所述助溶剂为PMA、PMB，所述防腐颜料为磷酸锌、氧化锌、氧化铁，所述防腐填料为硫酸钡，所述阻燃填料为可膨胀石墨，所述膨胀型阻燃剂为酸源：碳源：气源以3:1:1混合而成的混合物，酸源为聚磷酸酯、(NH4)2SO4、NH4Cl、胺/酰胺磷酸盐中任意一种，碳源为淀粉、糊精、山梨醇、季戊四醇中任意一种，气源为三聚氰胺，所述石墨烯为经过表面改性的石墨烯，其制作方法如下：将1.02 g鳞片石墨AR、70 mL浓硫酸AR和2.02 g硝酸钠AR加入500 mL三口瓶中，混合搅拌40 min后再称取6.02 g高锰酸钾AR在冰水浴的条件下，温度控制在5℃以下，分2 h缓慢加入三口瓶中，然后继续搅拌2 h，将体系升温至40℃，并继续搅拌40 min，在2 h内将200 mL蒸馏水逐滴加入三口瓶中，然后将体系升温至98℃并搅拌15 min，将得到的产品倒入400 mL温度为60℃的蒸馏水中搅拌均匀，逐滴加入过氧化氢溶液直至溶液呈金黄色，然后静置12 h，除去上层清液后将底层沉淀物洗涤真空干燥，得到氧化石墨烯即表面改性的石墨烯。
上述膨胀隔热防腐蚀涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.5份润湿剂、1.3份分散剂、0.1份消泡剂、1份PMA加入10份去离子水中分散1-3分钟使其完全溶于水中，形成分散体系。
（2）再将20份磷酸锌、10份硫酸钡、5份可膨胀石墨、25份膨胀型阻燃剂、5份石墨烯加入上述分散体系中，在900rpm-1500rpm分散2-5分钟使其完全分散，形成浆料，调整转速至1800rpm-2000rpm，保持转速不变分散20-40分钟。
（3）最后将转速调制800rpm-1000rpm，依次加入22份环氧树脂、0.1份消泡剂、1份PMA、3份去离子水，保持转速不变分散5-10分钟即可得到所述涂料的A组分。
（4）将主剂组分与固化剂组分的水性胺固化剂按5:2.1比例混合即可得到膨胀隔热防腐蚀涂料。
实施例3：
一种膨胀隔热防腐蚀涂料，由主剂组份和固化剂组份按照质量份数5：2.2进行配比组成，主剂组份包括以下重量份含量的制备原料：
去离子水 9份
环氧树脂 26份
润湿剂 0.5份
分散剂 1.3份
消泡剂 0.2份
助溶剂 2份
磷酸锌 20份
硫酸钡 5份
可膨胀石墨 5份
膨胀型阻燃剂 30份
石墨烯 1份；
固化剂组份为水性胺固化剂。
所述环氧树脂为KEM-128-70水性环氧树脂，所述分散剂为DISPERBYK-2015，所述润湿剂为TEGO TWIN4000，所述消泡剂为TEGO AIREX901W、BYK-011，所述助溶剂为PMA、PMB，所述防腐颜料为磷酸锌、氧化锌、氧化铁，所述防腐填料为硫酸钡，所述阻燃填料为可膨胀石墨，所述膨胀型阻燃剂为酸源：碳源：气源以3:1:1混合而成的混合物，酸源为聚磷酸酯、(NH4)2SO4、NH4Cl、胺/酰胺磷酸盐中任意一种，碳源为淀粉、糊精、山梨醇、季戊四醇中任意一种，气源为三聚氰胺，所述石墨烯为经过表面改性的石墨烯，其制作方法简略描述如下：
将1.02 g鳞片石墨(AR)、70 mL浓硫酸(AR)和2.02 g硝酸钠(AR)加入500 mL三口瓶中，混合搅拌40 min后再称取6.02 g高锰酸钾(AR)在冰水浴的条件下(温度控制在5℃以下)缓慢加入(分2 h加入)三口瓶中，然后继续搅拌2 h。将体系升温至40℃，并继续搅拌40 min。在2 h内将200 mL蒸馏水逐滴加入三口瓶中，然后将体系升温至98℃并搅拌15 min。将得到的产品倒入400 mL温度为60℃的蒸馏水中搅拌均匀，逐滴加入过氧化氢溶液直至溶液呈金黄色，然后静置12 h。除去上层清液后将底层沉淀物洗涤真空干燥，得到氧化石墨烯。
上述膨胀隔热防腐蚀涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.5份润湿剂、1.3份分散剂、0.1份消泡剂、1份PMA加入7份去离子水中分散1-3分钟使其完全溶于水中，形成分散体系。
（2）再将20份磷酸锌、5份硫酸钡、5份可膨胀石墨、30份膨胀型阻燃剂、1份石墨烯加入上述分散体系中，在900rpm-1500rpm分散2-5分钟使其完全分散，形成浆料，调整转速至1800rpm-2000rpm，保持转速不变分散20-40分钟。
（3）最后将转速调制800rpm-1000rpm，依次加入24份环氧树脂、0.1份消泡剂、1份PMB，2份去离子水保持转速不变分散5-10分钟即可得到所述涂料的主剂组分。
（4）将主剂组分与固化剂组分水性胺固化剂按5:2.2比例混合即可得到膨胀隔热防腐蚀涂料。
本发明的化学应用机理如下：
一、参考图1，防火膨胀过程的反应机理
（1）成碳机理
成碳型阻燃剂高温下无机酸与多羟基醇类物质反应。以聚磷酸铵和季戊四醇成碳反应为例，步骤如下：（1）210℃聚磷酸铵链断裂，产生磷酸酯键；季戊四醇与聚磷酸铵分子内脱水生成醚键。（2）随着温度升高，碳化反应继续，磷酸酯键断裂完全，不饱和富碳结构生成，体系难燃性提高。
（2）膨胀反应
在防火膨胀碳层中有许多起到重要防火作用的封闭小室结构，这类结构又受成碳时产生气体摩尔量和体系粘度的影响。因此气源必须使气体释放与体系碳化匹配。对于高分子阻燃系统，常用的密胺机理更加繁琐，密胺在高温下采用渐进式分解，也就是不同温度分解产物有差异，反应可以产生氨气，也可以与聚磷酸铵反应。该反应约于650℃反应完全，产物可承受950℃高温，综合阻燃效果好，同时具有气源和碳源两种作用。
（3）碳层结构影响
膨胀型阻燃涂料是通过形成膨胀碳层达到阻燃效果的，这其中关键为降低热传导体系导热系数，还能隔绝基材与氧气。根据这些可以得出：阻燃体系形成合适尺寸的蜂窝状小室才能有效提高涂料阻燃防火能力。尺寸过大提高了阻燃体系的热传导能力，加速体系分解，进而影响体系阻止气体扩散水平，使阻燃性能下降；尺寸过小，膨胀碳层厚度受影响，缩小了热传导距离，降低材料阻燃能力。经大量研究表明：小室直径10~50μm，厚度1~3μm较为合适。
（4）利用可膨胀石墨良好的膨胀性，协助膨胀型阻燃剂发泡
可膨胀石墨遇高温可以发生物理膨胀，膨胀倍率稳定，不会衰减，最高倍率可达200倍，与膨胀系阻燃剂搭配，具有协效作用，帮助碳层的膨胀，可大幅提高膨胀倍率和高耐火时长。
二、防腐原理
（1）片层阻隔效应:石墨烯具有良好的疏水性能，能够阻隔环境中的水，氧气，氯离子等的渗透，同时，均匀分散且取向平行于基底表面的石墨烯防腐涂层能够形成迷宫阻隔屏障，阻止腐蚀介质的渗透路径，重构原电池形成的通路，延缓基底的腐蚀速率。与云母同时使用放大阻隔效应。
（2）导电效应:当防腐涂层出现局部破损时，由于石墨烯的改性涂覆涂层具有优良的导电性，可将阳极反应的电子传输至涂料表面氧化物反应在涂层表面发生，因此阴极反应生成的OH-与阳极反应生成的Fe3+不能接触反应，随着Fe3+的累积，阳极反应将受到抑制，从而达到抑制腐蚀的效果。
（3）络合反应：磷酸锌在三价铁离子具有很强的缩合能力，这种磷酸锌的根离子与铁阳极反应，可形成以磷酸铁为主的坚固保护膜，拥有高硬度、附着力好和卓越的防锈能力。磷酸锌与很多金属离子能发生络合反应所以具有良好的防锈效果。
实施例1-实施例3制得的膨胀隔热防腐蚀涂料的性能检测试验：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 碳层结构 | 致密蜂窝状 | 致密蜂窝状 | 致密蜂窝状 |
| 膨胀倍率/倍 | 20 | 23 | 25 |
| 耐火时长 | 1小时50分 | 2小时01分 | 2小时05分 |
| 耐盐雾 | ＞1000h | ＞1000h | ＞1000h |
| 耐水性 | 170h | 168h | 173h |
| 耐酸性 | 96h | 96h | 98h |
| 耐盐水 | ＞500h | ＞500h | ＞500h |
由上表可以看出，实施例1-3，都具有良好的防腐防火性能，能够很好的保护基材。
本发明中主剂组份和固化剂组份按照质量份数5:2-7:3进行配比组成为佳，主剂组份以以下比例的各组分：20-40份环氧树脂、10-30份防腐颜料、10-20份防腐填料、2-5份助溶剂、0.3-1份润湿剂、1-3份分散剂、0.1-1份消泡剂、10-30份膨胀型阻燃剂、5-10份阻燃填料、0.1-2份石墨烯为宜；所述防腐颜料可以为磷酸锌、氧化锌、氧化铁一种或多种混合物。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：由主剂组份和固化剂组份按照质量份数5:2-7:3进行配比组成，主剂组份包括20-40份环氧树脂、10-30份防腐颜料、10-20份防腐填料、2-5份助溶剂、0.3-1份润湿剂、1-3份分散剂、0.1-1份消泡剂、10-30份膨胀型阻燃剂、5-10份阻燃填料、0.1-2份石墨烯。
2.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述固化剂组份为水性胺固化剂。
3.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述环氧树脂为KEM-128-70水性环氧树脂，所述分散剂为DISPERBYK-2015。
4.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述润湿剂为TEGOTWIN4000。
5.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述消泡剂为TEGOAIREX901W、BYK-011，所述助溶剂为PMA、PMB。
6.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述防腐颜料为磷酸锌、氧化锌、氧化铁一种或多种混合物。
7.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述膨胀型阻燃剂为酸源：碳源：气源以3:1:1混合而成的混合物，酸源为聚磷酸酯、(NH4)2SO4、NH4Cl、胺/酰胺磷酸盐中任意一种，碳源为淀粉、糊精、山梨醇、季戊四醇中任意一种，气源为三聚氰胺。
8.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述石墨烯为经过表面改性的石墨烯，其制作方法如下：将1.02 g鳞片石墨AR、70 mL浓硫酸AR和2.02 g硝酸钠AR加入500 mL三口瓶中，混合搅拌40 min后再称取6.02 g高锰酸钾AR在冰水浴的条件下，温度控制在5℃以下，分2 h缓慢加入三口瓶中，然后继续搅拌2 h，将体系升温至40℃，并继续搅拌40 min，在2 h内将200 mL蒸馏水逐滴加入三口瓶中，然后将体系升温至98℃并搅拌15min，将得到的产品倒入400 mL温度为60℃的蒸馏水中搅拌均匀，逐滴加入过氧化氢溶液直至溶液呈金黄色，然后静置12 h，除去上层清液后将底层沉淀物洗涤真空干燥，得到氧化石墨烯即表面改性的石墨烯。
9.根据权利要求1所述的膨胀隔热防腐蚀涂料，其特征在于：所述防腐填料为硫酸钡、绢云母，所述阻燃填料为可膨胀石墨。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述膨胀隔热防腐蚀涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将0.5份润湿剂、1份分散剂、0.1份消泡剂、1份PMA加入20份去离子水中分散1-3分钟使其完全溶于水中，形成分散体系；
（2）再将20份磷酸锌、10份硫酸钡、5份可膨胀石墨、15份膨胀型阻燃剂、1份石墨烯、5份绢云母加入上述分散体系中，在900rpm-1500rpm分散2-5分钟使其完全分散，形成浆料，调整转速至1800rpm-2000rpm，保持转速不变分散20-40分钟；
（3）最后将转速调制800rpm-1000rpm，依次加入20份环氧树脂、0.1份消泡剂、1份PMA、0.3份去离子水，保持转速不变分散5-10分钟即可得到主剂组份；
（4）将主剂组份与固化剂组份按5:2-7:3比例混合即可得到膨胀隔热防腐蚀涂料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210302 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |