CN113474424A - 用于保护金属部件的耐侵蚀和耐腐蚀的包覆型涂层系统 - Google Patents

用于保护金属部件的耐侵蚀和耐腐蚀的包覆型涂层系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供聚氨酯基涂层，该聚氨酯基涂层表现出优异的耐侵蚀性和耐热性与抗结垢性和耐化学品性的组合，可用于保护金属部件。该涂层的特征在于增强的耐颗粒侵蚀性和增强的耐热性，并且来源于特定的多组分浆液组合物。

Description

用于保护金属部件的耐侵蚀和耐腐蚀的包覆型涂层系统
技术领域
本发明涉及适于生产保护性涂层并且表现出优异的耐侵蚀性和耐热性以及抗结垢性和耐化学品性的组合的新型聚氨酯基配方。本发明的涂层尤其有益于保护涡轮机械中的金属件，并且适于作为具有防腐蚀底涂层以及独立包覆型涂层的耐腐蚀涂层系统中的组成部分添加功能。
背景技术
几十年来，浆液衍生的并且基于填充有功能性颜料的陶瓷粘结剂的耐腐蚀包覆型涂层系统一直用于形成高度耐腐蚀和耐热的保护性涂层(诸如用于保护涡轮机械)，并且至今仍在使用。原始设备制造商(OEM)已在各种飞机部件的制造中、在工业发电中、在美国国防部(DoD)以及在汽车和工业领域采用此类涂层作为高性能保护性涂层。
通常，这些浆液衍生的包覆型涂层系统包括用表涂层和/或密封剂密封的底涂层。底涂层一般为铝-陶瓷复合材料并且能够为各种金属基底提供牺牲性腐蚀保护。表涂层/密封剂通过密封底涂层中的孔隙和空隙来提供附加的腐蚀保护屏障，从而扩展整个包覆型系统的腐蚀保护作用，并增强其他功能特性(例如，压缩机部件的表面光滑度和抗结垢性、耐化学品性和耐水性、耐热氧化性、耐发动机流体性等)及其视觉外观。
常规铝-陶瓷涂层通常包含填充有细小金属铝粉末的酸性铬酸盐-磷酸盐粘结剂。在固化时，粘结剂形成嵌入有铝颗粒的基体。基体向涂层提供机械完整性，然而铬酸盐钝化的铝颜料网络赋予有效的腐蚀保护。通过干砂粒或玻璃珠喷砂将铝填充的涂层抛光压缩该涂层以使其对所有钢具有导电性、流电活性(galvanically active)和牺牲性(即，阴极保护性)。SermeTel
Figure BDA0003226990030000011
如40多年前公布的授予Allen的美国专利号3,248,251(“Allen专利”)中所述，被业界公认为是此类涂层的性能标准。
响应于六价铬Cr(VI)被鉴定为对环境有害的材料，已将各种无铬铝陶瓷底涂层与表涂层结合作为潜在的环境友好替代涂层系统进行了研究，如美国专利号7,993,438和美国专利公开号2006/0166014中所述。
成功满足传统含Cr(VI)底涂层的功能性能要求的改善的无Cr底涂层已公开于授予Belov等人的美国专利号9,017,464、美国专利号9,322,101和美国专利号9,394,448(统称为“Belov专利”)中，其中的每一个专利均据此分别全文以引用方式并入。这些专利中的每个专利中所公开的发明部分地涉及用于生产具有优异功能特性的涂层的浆液配方。Belov专利中的每个Belov专利中所公开的浆液配方采用无铬、锂掺杂的硅酸钾粘结剂与铝粉末的组合。
如本领域已知的，表涂层可由无机粘结剂或由有机树脂形成，这取决于所需的功能性和工作温度。表涂层组合物可进一步含有化学惰性且耐热的金属氧化物颜料(诸如Al2O3、TiO2、Cr2O3、多组分氧化物尖晶石等)和/或金属颗粒。SermeTelTM2F-1、SermeTelTM5380DP、SermaFlowTMS4000、ShorCoatTM和SermaLonTM是可从普莱克斯表面技术有限公司(印第安纳州印第安纳波利斯)(Praxair Surface Technologies,Inc.(Indianapolis,IN))商购获得并在该领域广泛使用的此类浆液衍生的包覆型底涂层–表涂层系统的示例。
浆液衍生的包覆型涂层的一个限制是它们在某些应用中的耐侵蚀性能不足。耐侵蚀性是指涂层或表面抵抗材料(诸如冲击到涂层或表面上的空气、水滴或固体颗粒)的降解力的能力。侵蚀表现为涂层或大块材料逐渐变薄，或替代地表现为较大块材料的去除(诸如通过表面材料的剥落或剥离)。侵蚀机制的差异部分地与发生颗粒冲击的表面的机械性能有关。表面的弹性和硬度都会影响涂层在受到颗粒冲击时的行为，这些影响可能会因其他因素(诸如冲击角度、冲击力和冲击介质的机械性能)而有很大差异。
由于陶瓷基涂层的目的是保护基底免受腐蚀和其他环境因素的影响，因此通过侵蚀逐渐去除涂层会损害涂层履行其主要功能的能力。当涂层提供的保护受限时，被保护基底的寿命也受限，因此设备的整个结构也受限。在诸如涡轮机械的环境中使用这些涂层时，侵蚀是一个特定问题，因为这些环境通常会吸入大量未经过滤的空气，其中含有固体颗粒和侵蚀性材料的液滴。颗粒速度的增加也会增加其冲击力，从而增加其侵蚀作用。显然，越来越需要一种能够承受侵蚀影响的坚固涂层系统。
表涂层，尤其是有机树脂基表涂层(诸如环氧基表涂层、环氧三聚氰胺基表涂层、酰胺酰亚胺基表涂层等)通常比无机铝陶瓷底涂层更易于侵蚀降解。例如，McCordie和Mosser开发了有机表涂层。美国专利号5,985,454描述了使用表涂层来防止聚合结垢，这降低了涡轮机械硬件部件的空气动力学效率和可靠性。该专利进一步描述了用于有机聚合物表涂层的涂层系统，该涂层系统与无机铝陶瓷复合底涂层的耐腐蚀层结合使用。该涂层系统可以商品名SermaLonTM从普莱克斯表面技术有限公司(印第安纳州印第安纳波利斯)商购获得并且广泛用于工业中，特别是用作离心式压缩机的腐蚀和抗结垢保护。SermaLonTM涂层系统代表了腐蚀保护和耐碳氢化合物结垢的基准。然而，SermaLonTM涂层系统中的表涂层的耐侵蚀性在某些应用中可能不足，并可能导致表涂层的相对快速的材料损失(参见图1B的耐侵蚀性数据)，从而导致性能劣化且SermaLonTM涂层系统的寿命缩短。
聚氨酯基涂层由于其吸收和分散冲击能量的能力(称为冲击阻尼)以及耐化学品性、柔韧性、耐紫外线、耐候性和硬度特性的组合，也已在工业中在诸如航空航天涂层和风力涡轮机叶片的应用中用于侵蚀保护。聚氨酯基涂层由于其物理和化学性质能够针对特定用途和使用条件进行有效定制和优化，因此也是有益的。
本领域中已描述了耐侵蚀涂层，包括针对美国专利号6,341,747B1中含纳米颗粒弹性体(包括聚氨酯)；美国专利公布号2016/0008846 A1中的具有“嵌入到外侧上”硬质颗粒的弹性体(包括聚氨酯)；国际专利公布号WO 2016/000845 A1中的快速固化的聚氨酯聚脲共聚物；美国专利公布号20005/0271881 A1中的基于用聚天冬氨酸酯、醛亚胺和/或酮亚胺固化的异氰酸酯封端的聚氨酯预聚物的聚氨酯；美国专利号10,066,121 B2中的含有氟化醇的聚氨酯；美国专利号5,912,195中的纤维支撑的弹性体(包括聚氨酯)复合材料；以及分别在欧洲专利号2,412,771 B1和美国专利公布号2006/0281861 A1中的基于硅氧烷弹性体和含氟聚合物弹性体的涂层的专利和专利公布。
前述聚氨酯涂层的显著缺陷是它们的耐热性。这并非这类聚合物的典型特性，因为聚氨酯的耐热性通常限于约300-350F，这是因为多元醇与异氰酸酯的形成氨基甲酸酯键的反应(或胺与异氰酸酯的形成脲键的类似反应)为热力学可逆反应，并且在较高的温度下，逆解聚反应占主导地位，这导致分子量损失以及随后的聚合物基体机械性能的劣化。
如可见，仍存在对高性能涂层的需求，该高性能涂层可表现出改善的耐侵蚀性与升高的温度下的热稳定性、空气动力学光滑度和与耐腐蚀底涂层的相容性的组合，同时保持涡轮机械工作温度下遇到的现有陶瓷表涂层的所有其他必需特性。
发明内容
在第一方面，提供了一种用于生产包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统以保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的多组分浆液组合物，所述浆液组合物包含：底涂层浆液；表涂层浆液，所述表涂层浆液包含：支链聚酯多元醇；聚碳酸酯二醇；六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物；其中当量异氰酸酯官能团对当量醇官能团的比率的范围是从1.0:1.6到1.6:1.0；和一种或多种金属氧化物颜料。
在第二方面，提供一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，该涂层包括：耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀性底涂层包含由填充有铝颗粒的铬酸盐-磷酸盐基粘结剂形成的基体；以及表涂层，该表涂层包含通过多元醇、二醇和多异氰酸酯的聚合形成的聚氨酯基基体；一种或多种金属氧化物颜料，该一种或多种金属氧化物颜料嵌入聚氨酯基基体中；其中包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统具有增强的耐颗粒侵蚀性。
在第三方面，提供一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，该涂层系统包括：耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀底涂层包含由填充有铝颗粒的六价无铬硅酸盐基粘结剂形成的基体；表涂层，该表涂层包含通过多元醇、二醇和多异氰酸酯的聚合形成的聚氨酯基基体；一种或多种金属氧化物颜料，该一种或多种金属氧化物颜料嵌入聚氨酯基基体中；其中包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统具有增强的耐侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
在第四方面，提供一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，该涂层系统包括：耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀性底涂层包含由填充有铝颗粒的铬酸盐-磷酸盐基粘结剂形成的基体；表涂层，该表涂层包含聚氨酯基基体；一种或多种金属氧化物颜料，该一种或多种金属氧化物颜料嵌入所述聚氨酯基基体中，所述一种或多种金属氧化物颜料具有基于涂层的总体积计大于20体积％且小于60体积％的颜料体积浓度(PVC)；其中包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层具有增强的耐颗粒侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
在第五方面，提供一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，所述涂层包括：耐腐蚀底涂层，该耐腐蚀底涂层包含由填充有铝颗粒的六价无铬硅酸盐基粘结剂形成的基体；表涂层，该表涂层包含聚氨酯基基体；一种或多种金属氧化物颜料，该一种或多种金属氧化物颜料嵌入所述聚氨酯基基体中，所述一种或多种金属氧化物颜料具有基于涂层的总体积计大于20体积％且小于60体积％的颜料体积浓度(PVC)；其中包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统具有增强的耐颗粒侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
附图说明
本说明书含有至少一张彩色照片。带有彩色照片的本专利或专利公布的副本将在提出请求并支付必要费用后由专利局提供。
根据本发明的优选实施方案的以下详细描述，并结合附图将更好地理解本发明的目标和优点，在附图中，类似的数字在整个说明书中指代相同的特征部，并且其中：
图1A示出了可商购获得的SermaLonTM涂层系统的照片，该涂层系统在基底(“subs”)上具有表涂层(“a”)、中间涂层(“b”)和底涂层(“c”)，并且图1B示出了如通过标准化落砂方法所测量的“a”、“b”和“c”中的每一者的对应的耐侵蚀率；
图2示出了根据本发明的一个实施方案的涂层层叠构型的示意图，其中层“A”为耐侵蚀表涂层，层“B”为任选的中间涂层，层“C”为任选的预处理涂层，并且层“D”为耐腐蚀底涂层；并且
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F示出了在配方1-22的创造和评估期间采用的代表性多元醇和多异氰酸酯的化学原理图；
图4A示出了根据本发明的原理的在176℉的水中浸泡100小时后进行了测试的示例配方20表涂层与任选的聚氨酯基中间涂层和含铬SermeTelTM1460底涂层的涂覆面板的照片，并且图4B示出在176℉的水中浸泡100小时后进行了测试的包括示例配方20表涂层与任选的聚酰胺酰亚胺基中间涂层、含铬SermeTelTM1460底涂层的另一涂层系统的涂覆面板的照片；
图5A和图5B分别示出了根据本发明的原理的在沸水中浸泡10分钟进行了测试的示例配方20的涂覆面板的照片，其中图5a中的示例配方20作为表涂层施加在铬酸盐底涂层上方，并且其中图5b中的示例配方20作为表涂层施加在非铬酸盐底涂层上方。
图6A示出了根据本发明的原理的分别在392℉下20小时、在482℉下4小时和在482℉下20小时后测试了耐热性的示例配方20的三个涂覆面板的照片，并且图6B示出了也分别在392℉下20小时、在482℉下4小时和在482℉下20小时后测试了耐热性的示例配方20的另一变型的三个涂覆面板的照片；
图7A示出了根据本发明的原理的各自具有涂层系统并且各自在1840小时后测试了耐盐雾性的两个涂覆面板的照片，该涂层系统包括作为表涂层的示例配方20，与任选的聚酰胺酰亚胺基中间体和含铬SermeTelTM1460底涂层，并且图7B示出了根据本发明的原理的具有示例配方20表涂层、聚氨酯基中间体和含铬SermeTelTM1460底涂层并且各自在1450小时后测试了耐盐雾性的两个涂覆面板的照片；并且
图8A和图8B示出了具有两种不同涂层系统的涂覆面板的照片，每种涂层系统具有示例配方20的表涂层和含铬底涂层，其中图8A表示涂层系统在0.5重量％硫酸H2SO4(水溶液)中浸泡1000小时之后的耐流体性的测试结果，并且图8B表示涂层系统在5.0重量％氯化钠NaCl(水溶液)中浸泡1000小时之后的耐流体性的测试结果。
具体实施方式
通过以下详细描述来更好地理解本发明的各种元件的关系和功能。然而，如下所述的本发明的实施方案仅以举例的方式。该详细描述设想了如在本公开的范围内的以各种排列和组合的特征、方面和实施方案。本公开因此可被指定成包括这些具体特征、方面和实施方案的任何此类组合和排列，或选择的它们中的一个或多个、由或基本上由这些具体特征、方面和实施方案的任何此类组合和排列，或选择的它们中的一个或多个组成。
如本文和全文所用，“当量重量”是允许将反应的化学计量转换为更容易测量的质量值并且定义为分子的分子量除以官能度或每分子的反应位点数的材料特性。对于聚合物材料，通常使用平均分子量值。当量重量是对于多官能材料(诸如本文所述的多元醇和多异氰酸酯)特别有用的术语。应当理解，除非另外指明，否则本文所报告的所有当量重量均不含挥发分(例如，溶剂)。
还应当理解，表1、2、3和4中的所有数值(侵蚀率(L/min)除外)均以重量％表示。具体地，对于每个示例配方，多元醇组分表示为基于“总多元醇”的总重量计的重量％；异氰酸酯组分表示为基于“总异氰酸酯”的总重量计的重量％；颜料组分表示为基于“总颜料”的总重量计的重量％。对于所有示例配方，“总多元醇”、“总异氰酸酯”、“总颜料”、“添加剂”和“溶剂”的重量％的总和等于100重量％。
在值的范围描述了参数的情况下，本文明确公开了在该范围内或限定某一范围的所有子范围、点值和端点。所有物理特性、尺寸和比率范围以及那些特性、尺寸和比率的范围端点之间的子范围(包括端点)都被认为是在本文明确公开的。
系统中的“当量”意指系统分子中含有的特定官能团的总数目。例如，“当量异氰酸酯官能团”意指系统中含有的所有分子中的异氰酸酯官能团(“NCO基团”)的总数目。另外，“当量醇官能团”意指系统中含有的所有分子中的醇官能团(“OH基团”)的总数目。如本文和全文所用，术语“NCO/OH比率”或“比率”旨在互换使用，用以指代当量NCO基团对当量OH基团的比率。“当量”概念可用于计算官能团的化学计量比，尤其是对于聚合物材料。
本文公开了对可用于向各种基底(包括但不限于底衬涂层诸如底涂层或底漆)提供侵蚀、磨蚀和磨损防护的浆液组合物和涂层组合物的描述。涂层组合物包含聚氨酯基粘结剂(或前体)与分散的硬质材料颗粒的溶液，该溶液能够在表面上形成固化的涂层或膜，并且还能够承受间歇的或连续升高的温度暴露(最多至并包括482℉(250℃))，而无附着力或膜连续性损失。
已在本发明中发现，在聚氨酯基涂层配方中，通过多元醇、多异氰酸酯和无机颜料的特定组合，可获得增强的耐颗粒侵蚀性与增强的耐热性的组合。出乎意料的是，本发明人发现，与现有的SermaLonTM商用涂层系统相比，耐侵蚀性可增强(即，提高)至少2-4倍或3-4倍，同时还保持在最多至482℉的温度下的可接受的膜特性。相当出乎意料的是，在涡轮机械部件通常需要的高达482℉的升高的工作温度下，本发明的聚氨酯基涂层是合适的。发明人已得出结论，背景技术中所描述的有机涂层组合物中没有一种可提供当今许多涡轮机械应用所需的可接受的功能特性的组合。
根据本发明的一个方面，一种聚氨酯基多组分浆液组合物包含：支链聚酯多元醇，当量重量为470-500g/eq OH；聚碳酸酯二醇，当量重量为210-240g/eq OH；六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物，当量重量为260-290g/eq NCO；和无机金属氧化物颜料，其中颜料中的每种颜料优选地具有大于或等于6的莫氏硬度。组分中的每种组分都以特定比使用，足以产生具有增强的耐颗粒侵蚀性与在最多至482℉的升高的温度下的增强的耐热性的组合的涂层。当量异氰酸酯官能团对当量醇官能团的比率(NCO/OH)的范围是从1.0:1.6到1.6:1.0，其中优选的NCO/OH比率的范围是从1.0:1.0到1.4:1.0，并且更优选的NCO/OH比率的范围是从1.1:1.0到1.3:1.0。
在第二方面，提供了一种用于基底的涂层组合物。该涂层组合物包含通过以下项的聚合反应形成的聚氨酯基基体：支链聚酯多元醇，当量重量为470-500g/eq OH；聚碳酸酯二醇，当量重量为210-240g/eq OH；和六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物，当量重量为260-290g/eq NCO，其中当量异氰酸酯官能团对当量醇官能团的比率(NCO/OH)的范围是从1.0:1.6到1.6:1.0，优选的NCO/OH比率的范围是从1.0:1.0到1.4:1.0，并且更优选的NCO/OH比率的范围是从1.1:1.0到1.3:1.0。聚氨酯基基体填充有无机金属氧化物颜料，其中每种颜料优选地具有大于或等于6的莫氏硬度。所得涂层提供增强的耐颗粒侵蚀性，如发明人在下文工作例中所展示的。另外，所得涂层表现出在最多至482℉的升高的温度下的耐热性，如本发明人在下文工作例中所展示的。
在本发明的另一方面，提供了一种涂层包覆型系统。该涂层包覆型系统包括表涂层，该表涂层包含通过以下项的聚合反应形成的聚氨酯基基体：支链聚酯多元醇，当量重量为470-500g/eq OH；聚碳酸酯二醇，当量重量为210-240g/eq OH；六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物，当量重量为260-290g/eq NCO，其中当量重量的异氰酸酯官能团对当量醇官能团的比率(NCO/OH)的范围是从1.0:1.6到1.6:1.0，其中优选的NCO/OH比率的范围是从1.0:1.0到1.4:1.0的NCO/OH比率，并且更优选的NCO/OH比率的范围是从1.1:1.0到1.3:1.0。聚氨酯基基体填充有无机金属氧化物颜料，每种无机金属氧化物颜料优选地具有大于或等于6的莫氏硬度。表涂层提供增强的耐颗粒侵蚀性与最多至482℉的升高的温度下的增强的耐热性的组合。将表涂层施加在耐腐蚀铝基体复合底涂层上，其中底涂层的基体用铬酸盐-磷酸盐粘结剂或六价无铬硅酸盐基粘结剂或其他不含铬粘结剂形成。
还提供了一种用于施加涂层的方法，该方法可包括将本发明的涂层配方施加到基底、零件或施加到底涂层上，之后干燥并固化涂层以产生固体固化涂层。
聚合物可由单组分溶液形成，也可由多组分溶液诸如双组分溶液形成，该双组分溶液由基础组分(诸如多元醇)和硬化剂组分(诸如多异氰酸酯)构成，它们在混合时和/或在固化时彼此反应以形成大分子聚氨酯结构。
本发明中使用的聚氨酯前体可溶解于或以其他方式分散于有机溶剂或有机溶剂的混合物(溶剂型)中，或者溶解于或以其他方式分散于水(水性)中，或者可以是无溶剂的，不依赖于有机溶剂或水作为载体，或者作为这些的混合物。
固化机制可使得反应性组分在混合时自发反应，借助催化剂反应，在存在水分的情况下反应，或在高于混合温度和/或施加温度的热处理时自发反应，或通过这些固化方法中的任一种固化方法的组合(诸如通过催化剂的辅助和热固化两者)反应。对于由完全反应的聚氨酯大分子构成的单组分系统，固化机制可包括将各聚合物分子物理-化学聚结成连续膜。
多元醇定义为由具有多个醇官能团反应位点的有机材料组成的反应物。一般来讲，本发明的支链聚酯多元醇的结构式可由如图3A所示的结构式表示，并且命名为“多元醇1”，其也示于下文中：
Figure BDA0003226990030000101
并且本发明的聚碳酸酯二醇结构式可由如图3C所示的结构式表示，并且命名为“多元醇4”，其也示于下文中：
Figure BDA0003226990030000102
异氰酸酯或多异氰酸酯被定义为通常由具有多个异氰酸酯官能团反应位点的有机材料组成的反应物，该多个反应位点可能包括封端的异氰酸酯前体官能团。为了形成大分子结构，多异氰酸酯组分必须具有大于或等于2的净平均官能度。术语“净平均官能度”是指混合物中每分子的平均官能团数，诸如系统中醇官能团总数除以多元醇混合物中多元醇分子总数。本发明的异氰酸酯组分可由以下结构式表示，命名为“异氰酸酯1”，并且示于图3D中，其也示于下文中：
Figure BDA0003226990030000103
图3A至图3F示出了代表性的多元醇和多异氰酸酯的化学原理图。具体地，图3A表示如多元醇1和多元醇2中的支链聚酯多元醇。图3B表示用于生成如多元醇3中的脂族聚碳酸酯聚酯多元醇的前体。图3C表示如多元醇4中的聚碳酸酯二醇。图3D表示如异氰酸酯1中的六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物。图3E表示用于生成如异氰酸酯2中的脂族异氰酸酯的前体。图3F表示如异氰酸酯3中的六亚甲基二异氰酸酯的封端异氰酸酯。应当理解，的术语“多元醇1”、“多元醇2”、“多元醇3”、“多元醇4”、“异氰酸酯1”、“异氰酸酯2”和“异氰酸酯3”(分别如图3A至图3F所示)对应于工作例中所用的化学结构，并且在表1至表4中针对所测试的配方中的每一种配方指定。例如，配方20利用图3A中所示的“多元醇1”、图3C中所示的“多元醇4”和图3D中所示的“异氰酸酯1”。
反应性官能团相对于彼此的比率也可在最终浆液配方中修改。例如，用于形成聚氨酯的当量的异氰酸酯官能团(或封端的异氰酸酯基团)对当量的醇官能团(NCO/OH)的比率的范围可以是从1.0:1.6到1.6:1.0。优选地，NCO/OH比率的范围是从1.0:1.0到1.4:1.0，使得当量异氰酸酯官能团的数量相对于当量醇官能团的数量过量。更优选地，NCO/OH比率的范围是从1.1:1.0到1.3:1.0。
颜料被定义为无机物质的不溶性颗粒，分散或以其他方式掺入涂层粘结剂材料中以向涂层的粘结剂部分添加另外的功能。对于本发明，功能性颜料包括但不限于针对耐化学品性和耐腐蚀性、硬度和热稳定性而利用的那些颜料。颜料一般由一种或多种金属氧化物颜料构成。颜料具有小于或等于15微米，并且更优选小于或等于5微米的平均粒度。另外，颜料的特征可在于范围是从1到25的纵横比。颜料优选地具有大于或等于6的莫氏硬度。此外，颜料优选地表现出在大于500℉的温度下的热稳定性以及对有机溶剂、水和pH值为1-2的强酸的化学稳定性。应当理解，本发明还设想了除金属氧化物之外的颜料，诸如(以举例的方式)陶瓷基或基于元素的颜料。
颜料体积浓度(PVC)被定义为完全混合且干燥的涂层中的总体积百分比，该完全混合且干燥的涂层由涂层基体固体的剩余部分中的不溶性颜料颗粒构成。本发明具有大于20体积％且小于60体积％，并且更优选地在30体积％和50体积％范围内的PVC。
也可使用涂层配方中的常规添加剂，包括但不限于颜料分散剂、表面流平剂、润湿剂、粘度/流变改性剂、增粘剂、固化催化剂、适用期延长剂、纳米颗粒分散体、抗氧化剂、UV稳定剂以及任何这些添加剂的组合。
包括诸如金属薄片、金属颗粒、碳颗粒、石墨、碳纳米管、石墨烯和氮化铝、氮化硼或其他此类颗粒的材料以增加导热性和热反射，从而进一步改善整个涂层系统的耐热性可能是有益的，但不是必要的。
就溶剂型涂层而言，一种或多种溶剂可包含在基础组分(即多元醇)或硬化剂组分(即异氰酸酯)的配方中，其含量范围为总组合物重量的0重量％至40重量％，以提供粘结剂组分的溶解度，使得能够混合并调整至适合期望的涂层应用模式的粘度。示例性溶剂包括但不限于：芳族溶剂，诸如甲苯和二甲苯；酮溶剂，诸如甲基乙基酮、甲基异丁基酮和环己酮；和含酯溶剂，诸如乙酸乙酯、乙酸正丁酯、乙酸叔丁酯、乙酸甲氧基丙酯和碳酸二甲酯；和/或此类溶剂的任何组合。
本发明的涂层组合物可通过本领域已知的任何数量的常规施用技术(诸如通过喷涂、刷涂、浸渍纺丝等)施加于基底或底衬涂层。可在一个或多个涂层应用中施加涂层以产生期望的干膜厚度。本发明的涂层一般施加至0.5密耳至3.0密耳范围内的干膜厚度，其中优选的厚度在1.0密耳至2.0密耳(25μm至51μm)范围内。最小厚度由提供覆盖基底的连续层的需要来确定。底涂层的最大厚度一般由整个多层包覆型系统的指定厚度来确定。然而，通常且期望的是，不施加超过应用的功能要求的涂层。例如，涡轮压缩机应用的典型涂层厚度小于或等于3密耳(76μm)，而在一些部件(诸如例如压缩机叶片和导叶)上，涂层厚度应通常小于或等于2密耳(51μm)。
本发明表现为具有适用于应用的粘度的不透明有色液体材料。涂层的适用期被定义为在掺加组分的时间与涂层固化过度以至于无法再应用的时间之间的时间段(在给定条件下)。优选的是，适用期大于4小时，并且更优选的是，适用期大于8小时。
该涂层包括有色薄膜涂层，该有色薄膜涂层具有一组特定特性，使其适于在涡轮机械内应用。这些特性可包括但不限于：平均表面粗糙度(RA)，小于30微英寸(在0.030”截止处)；耐侵蚀性，如通过落砂侵蚀测试所测量的，大于或等于可商购获得的用于类似涡轮机械系统的表涂层(诸如SermalonTM)；对基底或底衬涂层的干燥附着力；耐化学品浸泡性，化学品诸如溶剂(如通过Aromatic 100所测试)、强酸(如通过0.1N硫酸所测试)和高离子强度溶液(如通过5.0重量％氯化钠水溶液所测试)；耐高温水性(176℉下持续100小时，在212℉下持续10分钟)、耐盐雾腐蚀性(作为具有防腐蚀底涂层和任何适当中间涂层的涂层系统的一部分，如上所述)。此外，当在最多至392℉和482℉的升高的温度下进一步固化时，涂层能够保持可接受的膜特性。
不受任何理论的束缚，本发明人提出，涂层的热稳定性可作为某些多元醇组分的有益且协同的组合的结果而发生，从而能够在升高的温度下保持最大的灵活性，这部分通过将分解反应延迟到足以维持可接受的膜性能的程度来实现。添加其他组分，诸如颜料，尤其是那些可吸收或反射有害波长或从涂层反射或传导热量的组分；以及尤其是可化学减轻热氧化和热解效应的添加剂也可有益于热稳定性。
相对高的热稳定性的结果出乎意料。具体地，发明人已观察到涂层的粘结剂部分的变色，这表明化学变化诸如氧化，但似乎不存在与反应相关联的主要重量变化(损失或增加)。另外，似乎不存在分子量的损失，如机械性能损失、开裂或附着力损失所证实的那样。
同样，不受任何理论的约束，涂层的耐侵蚀性可能是聚氨酯粘结剂组分的柔韧性和耐磨性以及嵌入其中的颜料的硬度和小粒度的双重效应的结果。柔性粘结剂使得冲击材料的能量阻尼成为可能，而硬的小颜料颗粒通过增加涂层的复合硬度、限制粘结剂内的裂纹扩展以及限制每次冲击时从涂层中损失的侵蚀性材料的体积(这通过减少各颜料颗粒和这些颗粒空间之间的间隙空间中的各聚合物域的体积来实现)来增加粘结剂中的抗裂性。
现在将描述本发明的一般涂层构造的一个示例。表涂层“A”(图2)是多层包覆型涂层系统的一个组成部分，该多层包覆型涂层系统由以下项构成：耐腐蚀底涂层“D”(图2)，其直接施加到金属基底或已通过施加预处理层“B”(图2)而制备的金属基底；以及任选地，一个或多个中间涂层“C”(图2)，其可施加在底涂层“D”和表涂层“A”之间。底涂层“D”可由铬酸盐(含Cr(VI))材料或非铬酸盐(无Cr(VI))陶瓷粘结剂构成。例如，底涂层“D”可为含Cr(VI)材料，如Allen专利中所述，该专利全文以引用方式并入本文；或者底涂层“D”可包含不含Cr(VI)材料，如Belov专利(“无铬硅酸盐基陶瓷组合物(Chromate-Free Silicate BasedCeramic Compositions)”)中所述，该专利全文以引用方式并入本文，或如美国专利申请序列号16/163,893(“具有降低的固化温度的无铬硅酸盐基陶瓷组合物(Chromium-FreeSilicate-Based Ceramic Compositions With Reduced Curing Temperature)”中所述，该专利全文以引用方式并入本文。申请人已证实与此类铬酸盐和非铬酸盐防腐蚀底涂层的成功的相容性和性能。
底涂层优选地包含掺入粘结剂中的铝或铝合金颗粒，其中铝或铝合金颗粒具有粒度分布，其特征在于粒度分布的第50个百分位数具有介于约4微米至7微米之间的直径，并且粒度分布的第90个百分位数具有小于或等于约11.5微米-15.5微米的直径。另外，底涂层可还包含嵌入所述基体中的含锌颗粒。此外，底涂层是耐腐蚀的，并且包含由填充有铝颗粒的六价无铬硅酸盐基粘结剂形成的基体。
在开发本发明的配方的过程中，发明人广泛筛选了大量不同的配方1-22，这些配方在下文中提供。将以下实施例中的每个涂层施加到相应的基底上，并在140℉和482℉范围内的温度下热固化。具体地，初始通过用100目砂粒进行喷砂处理来对低碳1010钢面板进行表面处理。然后，将耐腐蚀底涂层喷涂到面板上并固化以形成底涂层。对于所有实施例，所使用的底涂层为SermeTelTM1460(即，具有含铝粉末的铬酸盐-磷酸盐粘结剂)，图5b中的测试除外，该测试使用六价无铬底涂层，如Belov专利中所述。在完全固化的底涂层上喷涂两层任选的中间涂层，干膜厚度为0.8-1.2密耳，在室温下闪蒸5-15分钟，然后在175℉下固化15分钟。然后，在部分固化的中间涂层上施加两层表涂层，干膜厚度为1.3-2.0密耳，使在室温下闪蒸30分钟，然后在175℉下固化30分钟，并在325℉下固化60分钟。
如下测试所制备的涂层的机械特性和功能特性。通过划格胶带(根据ASTM D3359)和弯曲测试来测试涂层对基底的粘附性和层间粘附性。根据ASTM D3359测试方法，将间隔2mm的划线的横切网格切入涂层直至基底，并在网格上施加标准粘合带，并以180°角向后剥离。粘附性由胶带移除的涂层量确定。用光学显微镜(6倍放大率)评估划格区域。在弯曲测试中，进行涂覆面板围绕0.22”直径芯轴的90°弯曲，之后评估弯曲部周围区域的任何缺陷，诸如裂纹、剥离或分层。
利用具有0.030英寸截止值的接触式轮廓仪测试涂层的表面粗糙度(RA)。
根据ASTM B117，对划线的涂覆面板进行盐雾测试并持续至少1000小时，并且在一些情况下超过1500小时。
在200℃(390℉)下测试涂覆面板的耐热性20小时，并且在250℃(482℉)下测试涂覆面板的耐热性4小时和20小时。检查面板的涂层失效、颜色变化、光泽变化、表面粗糙度和粘附力损失。
关于耐沸水性测试，将涂覆面板置于沸水中10分钟，然后冷却并风干最少3小时，之后进行如上所述执行的划格法和弯曲附着力测试。
通过将涂覆面板在176℉的水中100浸泡小时，然后冷却、干燥并检查膜失效和附着力损失，也可进行耐热水性测试。
在室温下对在Aromatic 100中浸泡200小时的涂覆面板进行耐溶剂性测试，之后如上所述进行划格法和弯曲附着力测试，并且检查膜失效和附着力损失。
根据ASTM D2247进行耐湿性测试500小时，并检查膜失效和附着力损失。
通过在室温下将涂覆面板在0.5重量％的硫酸水溶液中浸泡1000小时，然后去除、干燥并检查膜失效和附着力损失来执行耐硫酸性测试。
通过在室温下将涂覆面板在5重量％的氯化钠水溶液中浸泡1000小时，然后去除、干燥并检查膜失效和附着力损失来执行耐氯化钠性测试。
根据ASTM D968-17、方法A和ASTM C778 20-30，使用落砂侵蚀试验台进行侵蚀测试，这与通过目测和使用膜厚度计测量的标准渥太华砂监测膜损失有关。落砂量与侵蚀发生时涂层磨损痕迹中形成的最低膜厚点处的膜厚损失有关。用光学显微镜检查磨损痕迹。如本文和全文所用，术语“落砂侵蚀率”是指如通过落砂ASTM方法和上文列出的技术(“落砂”方法)所测量的耐侵蚀率。一般来讲，侵蚀膜厚度所需的砂体积越大，意味着耐侵蚀性越高。耐侵蚀率(到涂层或膜上的落砂升数/密耳涂层或膜厚度损失)越高，意味着落砂侵蚀数更高。因此，术语“侵蚀率”、“耐侵蚀率”和“落砂侵蚀”在本文和全文可互换使用。
如下文将详细描述的，如本文所述生产、固化并施加具有示例配方1-22的涂层，然后如本文所述测试它们相应的耐侵蚀率。对示例配方1-22中的每一种配方测量落砂耐侵蚀性，并且以表涂层穿透时每密耳涂层损失的砂升数为单位进行报告。然后，将耐侵蚀性结果与SermaLonTM系统中的表涂层的耐侵蚀性结果进行比较，如图1b所示。SermaLonTM被认为是合适的比较点，因为其目前在工业中使用并且通常代表耐侵蚀性的基准。还针对这些具有示例配方1-22的涂层中的每个涂层测量了涂层的平均表面粗糙度(RA)，并在表5中列出。如下面所展示的，在许多示例配方1-22中证实了耐侵蚀性的改善。多元醇组合物、异氰酸酯组合物和颜料组合物等变量中的每一者的影响被确定为是显著的，并且这些变量的特定组合被证明是协同的。
虽然上文已阐述了本发明的涂层和浆液配方的优选实施方案，但进行了以下实施例以评估各种机械和功能特性，并且旨在为更好地理解本发明的涂层的性能和功能提供基础，以及证明所述涂层的性能与基准可商购获得的涂层(诸如SermaLonTM)相当。以下实施例不应理解为限制本发明。如上文所述施加并固化涂层。
实施例
生产示例配方1、2、3和4的液体涂层。示例液体涂层由双组分系统构成。基础组分由如表1所示的特定量和特定类型的不同的多元醇、颜料、溶剂和其他添加剂的溶液构成。表1提供了经测试的示例配方1-4中的每一者的表格汇总。每个示例配方由以下项组成：一定重量百分比的一种或多种多元醇1-3；异氰酸酯1-3；颜料1-3；添加剂和溶剂。固化剂组分由也如表1所示的特定量的多异氰酸酯的溶液构成。将固化剂和碱混合，得到1.2当量异氰酸酯对1.0当量醇的比率。在表1的实验中，异氰酸酯1、异氰酸酯2和异氰酸酯3的组成可控地变化。多元醇组合物(34重量％多元醇1、35重量％多元醇2、31重量％多元醇3)各自保持恒定。换句话讲，对于示例配方1-4，多元醇1基于多元醇总重量的重量百分比保持在34重量％；对于示例配方1-4，多元醇2基于多元醇总重量的重量百分比保持在35重量％，并且对于示例配方1-4，多元醇3基于多元醇总重量的重量百分比保持在31重量％。类似地，对于示例配方1-4，各颜料(29重量％颜料1、40重量％颜料2、31重量％颜料3)和PVC(32-36体积％)的比率各自保持恒定。应当理解，涉及某些保持恒定的组合物的其他测试具有与上文所述相同的含义。
多元醇1是支链聚酯多元醇，当量重量为470-500g/eq OH(如图3A所示)，可以商品名DesmophenTM670BA从科思创(Covestro)公司商购获得。多元醇2是支链聚酯多元醇，当量重量为295-325g/eq OH(如图3A所示)，可以商品名DesmophenTM651MPA从科思创公司商购获得。多元醇3是直链脂族聚碳酸酯聚酯，当量重量为500-530g/eq OH(作为来自图3B所示反应的产物)，可以商标DesmophenTMC 1100从科思创公司商购获得。异氰酸酯1是六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物，当量重量为260-290g/eq NCO(如图3D所示)，可以商标DesmodurTMN3580BA从科思创公司商购获得。异氰酸酯2是脂族多异氰酸酯，当量重量为370-400g/eqNCO(作为来自图3E所示反应的产物)，可以商标
Figure BDA0003226990030000171
N3800从科思创公司商购获得。异氰酸酯3是封端脂族多异氰酸酯(六亚甲基二异氰酸酯均聚物)，当量重量为360-390g/eqNCO(如图3F所示)，可以商标TolonateTMD2从科思创公司商购获得。颜料1为硅铝土陶瓷，具有5微米的平均粒度和7的莫氏硬度。颜料2为钴铬尖晶石，具有1微米的平均粒度和8的莫氏硬度。颜料3为硅酸铝，具有2.5微米平均粒度和6的莫氏硬度。
通过如上文所述的侵蚀测试来确定示例配方1-4中的每一者的耐侵蚀性。结果所示表1中。示例配方1-4均不具有相对于如图1b所示的常规SermaLonTM系统中的表涂层(即，SermeTelTM1140表涂层)显著改善的耐侵蚀性。图1b表明SermaLonTM中的表涂层具有62的落砂侵蚀率；并且示例配方1-4具有介于54-76之间范围内的落砂侵蚀率。发明人注意到，特定异氰酸酯级分对最终涂层的耐侵蚀率具有显著影响。还需注意，封端异氰酸酯3的表现显著差于异氰酸酯1和异氰酸酯2。
Figure BDA0003226990030000172
Figure BDA0003226990030000181
表1.基于涂层总重量的比较例配方1-4重量百分比组成(显示多元醇和异氰酸酯 的非挥发分含量)
在另一实验中，如表2所示生产示例配方5、6、7、8、9、10和11。示例液体涂层由双组分系统构成。基础组分由如表2所示的特定量和类型的不同多元醇、颜料、溶剂和其它添加剂的溶液构成。表2提供了经测试的示例配方5-11中的每一者的表格汇总。每个示例配方5-11由以下项组成：一定重量百分比的一种或多种多元醇1-3；异氰酸酯1；颜料1-3；添加剂和溶剂。固化剂组分由特定量和特定类型的脂族多异氰酸酯的溶液构成。将两种组分混合以产生1.2当量异氰酸酯对1.0当量醇的化学计量比。在本实验中，多元醇组合物可控地变化并且PVC依赖地变化(28％-46％)。对于示例配方5-11，异氰酸酯组合物(100％异氰酸酯1)以及各颜料的比率(29重量％颜料1、40重量％颜料2、31重量％颜料3)各自保持恒定。所有其他多元醇、异氰酸酯和颜料均如先前所述。通过如上文所述的侵蚀测试来确定示例配方5-11中的每一者的耐侵蚀率。结果示于表2中。据观察，侵蚀率受多元醇组分的相对组成的影响。包含多元醇2对包含它的每种系统的耐侵蚀率具有负面效应。关于表2的配方5-11，分别具有多元醇3、多元醇1+多元醇3和多元醇1的那些系统中的耐侵蚀率被确定为最高，与如图1b所示的常规SermaLonTM系统中的表涂层(SermeTelTM1140)相比，所有这些系统具有更高的落砂侵蚀率。图1b表明SermaLonTM中的表涂层具有62的落砂侵蚀率。
Figure BDA0003226990030000182
Figure BDA0003226990030000191
表2.基于涂层总重量的示例配方5-11重量百分比组成(显示多元醇和异氰酸酯的 非挥发分含量)
在另一实验中，如表3所示生产示例配方12、13和14。液体涂层由双组分系统构成。基础组分由如表3所示的特定量和特定类型的不同的多元醇、颜料、溶剂和其他添加剂的溶液构成。表3提供了经测试的示例配方12-14中的每一者的表格汇总。示例配方12-14中的每一者由以下项组成：一定重量百分比的一种或多种多元醇3和4；异氰酸酯1和2；颜料1、2、4、5和6；添加剂和溶剂。固化剂组分由如图所示的特定量和特定类型的多异氰酸酯的溶液构成。将两种组分混合以得到1.2当量异氰酸酯对1.0当量醇的比率。在本实验中，多元醇组合物可控地变化，并且PVC依赖地变化(32％-44％)。对于示例配方12、13和14，异氰酸酯组合物(76重量％异氰酸酯1、24重量％异氰酸酯2)和颜料组合物(22重量％颜料1、16重量％颜料2、35重量％颜料4、2重量％颜料5、25重量％颜料6)保持恒定。各颜料的比率可控制地变化。多元醇4是聚碳酸酯二醇，当量重量为210-240g/eq OH(如图3C所示)，可以UBEEternacoll PH50商购获得。颜料4为α-氧化铝，具有5微米的平均粒度和9的莫氏硬度。颜料5为二氧化硅涂覆的金红石二氧化钛，具有0.4微米的平均粒度和6.5-7的莫氏硬度。颜料6为板形二氧化硅，具有3微米-5微米的平均粒度和7的莫氏硬度。所有其他多元醇、异氰酸酯和颜料均如先前所述。通过如上文所述的侵蚀测试来确定示例配方12、13和14中的每一者的耐侵蚀率。结果示于表3中。与其他测试类似，多元醇组合物的变化显示出对涂层的侵蚀率具有显著影响。具体地，据信，示例配方12、13和14中的每一者的多元醇(即，多元醇3和4)的不同组合对所得侵蚀率有贡献。此处，多元醇3和4掺有异氰酸酯2和不同颜料的组合。与表2中列出的配方5-11的侵蚀率相比，异氰酸酯2的添加显示出对侵蚀率具有小的有益效果。一般来讲，与如图1b所示的常规SermaLonTM的表涂层(SermeTelTM1140)相比，示例配方12、13和14的耐侵蚀率显著改善。
Figure BDA0003226990030000201
表3.基于涂层总重量的示例配方12-14重量百分比组成(显示多元醇和异氰酸酯 的非挥发分含量)
在另一实验中，如表4所示生产示例配方15、16、17、18、19、20、21和22。每个示例配方15-22均由以下项组成：一定重量百分比的多元醇1和4；异氰酸酯1；颜料1、2、3、4、5和7；添加剂和溶剂。液体涂层由双组分系统构成。基础组分由如表4所示的特定量和特定类型的不同的多元醇、颜料、溶剂和其他添加剂的混合物构成。固化剂组分由特定量和特定类型的脂族多异氰酸酯(异氰酸酯1)的溶液构成。将异氰酸酯1与多元醇1和4混合，得到1.2当量异氰酸酯对1.0当量醇的比率。用于配方15-19和21-22的多元醇组合物以17-19重量％保持恒定(由35-36重量％的多元醇1和64-65重量％的多元醇4构成)。配方20具有50重量％多元醇1和50重量％多元醇4的多元醇组合物。对于示例配方15-22，以16-18重量％的异氰酸酯组合物和35-36％的PVC保持恒定。各颜料的比率可控制地变化。颜料7为锰铁氧体，具有0.6微米的平均粒度和7-8的莫氏硬度。所有其他多元醇、异氰酸酯和颜料均如先前所述。通过如上文所述的侵蚀测试来确定示例配方15-19中的每一者的耐侵蚀率。结果示于表4中。此处表明，侵蚀率至少部分地取决于涂层的颜料级分的组成。与如图1b所示的常规SermaLonTM的表涂层(SermeTelTM1140)相比，多元醇1和4的这种组合的侵蚀率大大改善。表4中的许多配方显示出所有测试配方的最高耐侵蚀率，如表5所示，表5提供了所有示例配方及其表面粗糙度的表格快照。多元醇4对多元醇1的质量比为大约1.7:1或更大，并且优选地为大约1.7:1，最多至约2:1。申请人已得出结论，配方中多元醇的相对量允许优化耐侵蚀性，同时保持膜特性，诸如下文测试的以及图4a、图4b、图5a、图5b、图6a、图6b、图7a、图7b、图8a和图8b中所示的那些。
另外，与配方1-20相反，配方21和22在升高的温度下对聚氨酯基体使用了额外的基于抗氧化剂的添加剂。配方21中使用的抗氧化剂可以商标HostavinTM3070P从科莱恩公司商购获得，并且配方22中使用的抗氧化剂可以商标AddworksTMIBC251从科莱恩公司商购获得。在这两种情况下，抗氧化剂添加剂基于配方总重量占最多至约1重量％。
Figure BDA0003226990030000211
表4.基于涂层总重量的示例配方15-22重量百分比组成(显示多元醇和异氰酸酯 的非挥发分含量)
Figure BDA0003226990030000221
表5.耐落砂侵蚀性以及在140℉和482℉固化温度下的平均表面粗糙度RA 。
如表5中可见，根据本发明的许多经测试的配方表现出与SermaLon的基准涂层系统相比在耐侵蚀性方面的显著改善。
接下来，利用示例配方20进行多种涂层测试，以能够与可商购获得的参考涂层SermaLonTM(即，SermeTelTM1140作为表涂层，SermeTelTM1183作为中间涂层且SermeTelTM1460作为底涂层)进行比较，该可商购获得的参考涂层代表可商购获得的腐蚀保护涂层系统的基准。液体涂层由双组分系统构成，该双组分系统由基础组分和固化剂组分组成。基础组分由如表4所示的一种或多种不同的多元醇、颜料、溶剂和其他添加剂的溶液构成。固化剂组分由如图所示的多异氰酸酯的溶液构成。将两种组分混合以得到1.2当量异氰酸酯对1.0当量醇的比率。在本实验中，多元醇组合物(50重量％多元醇1、50重量％多元醇4)、异氰酸酯组合物(100重量％异氰酸酯1)、颜料组合物(16重量％颜料2、82重量％颜料4、2重量％颜料5)和PVC(36-37)基于先前实验的有利结果。所有多元醇、异氰酸酯和颜料均如先前所述。
图4a和图4b示出了根据耐热水性测试，在176℉的水中浸泡100小时后，示例配方20的涂层系统实现了优异的耐性。SermaLonTM涂层系统未通过该热水浸泡测试。
图5a示出了包含示例配方20的涂层系统的涂覆面板在沸水浸泡后的照片。沸水暴露测试是比热水测试更具侵略性的测试，因此进行了十分钟。图5a的涂覆面板表示铬酸盐底涂层顶部上的示例配方20的表涂层。暴露于沸水旨在揭示十分钟测试时段期间涂层附着力或完整性的任何缺陷。图5a中的结果表明，示例配方20的涂层系统表现出优异的耐沸水浸泡性。
图5b示出了包含示例配方20的另一涂层系统的涂覆面板在沸水中浸泡十分钟后的照片。图5b的涂覆面板表示非铬酸盐底涂层上的示例配方20的表涂层，该非铬酸盐底涂层由普莱克斯表面技术有限公司(印第安纳州印第安纳波利斯)以商品名CF7800TM市售，并在Belov专利中进行描述。图5b中的结果表明，示例配方20的涂层系统表现出优异的耐沸水浸泡性。总的来说，图5a和图5b的测试结果展示了由示例配方20组成的涂层包覆型系统分别与铬酸盐底涂层和非铬酸盐底涂层的附着力相容性，以及其抵抗沸水侵蚀的能力。
图6a示出了在392℉下暴露20小时、在482℉下暴露4小时以及在482℉下暴露20小时后，铬酸盐底涂层(例如，SermeTelTM1460)上的示例配方20的涂覆面板的照片。图6b示出了由示例配方20表涂层组成的另一涂层系统的涂覆面板的照片，该表涂层同样在与图6a中相同的铬酸盐底涂层上并经受392℉下20小时、482℉下4小时以及482℉下20小时。涂层的变色是明显的，但未观察到裂纹或附着力损失。测试结果证实了本发明的涂层包覆型系统的耐热性的提高。
图7a示出了两个划线的涂覆面板在经盐雾室处理之后的照片。每个面板具有相同的涂层系统，具有示例配方20的表涂层、中间涂层和含铬SermeTelTM1460底涂层，其中根据上文提及的适用的ASTM标准，在1840小时测试每个面板的耐盐雾性。图7b示出了两个划线的涂覆面板在经盐雾室处理之后的照片。图7b中的每个面板具有示例配方20表涂层和含铬SermeTelTM1460底涂层，其中间涂层与图7a的中间涂层不同，其中根据适用的ASTM标准，在1450小时测试图7b的每个面板的耐盐雾性。所有面板均通过测试，从而进一步验证了本发明的涂层系统的耐腐蚀性。
图8a和图8b示出了具有示例配方20表涂层和含铬SermeTelTM1460底涂层的涂覆面板的照片，其中图8a表示在0.5重量％的硫酸H2SO4(水溶液)中1000小时的耐流体性的测试结果，并且图8b表示在5.0重量％的高盐度氯化钠NaCl水性溶液(水溶液)中1000小时的耐流体性的测试结果。图8a和图8b示出了可接受的耐流体性测试结果，从而进一步验证了本发明的涂层系统的耐腐蚀性。针对配方20所提供的性能结果预计也将通过配方15-19和21-22表现出来，因为所有配方15-22都利用了如表4所示的“总多元醇”和“总异氰酸酯”的类似化学成份。因此，如本文所展示，本发明提供了具有改善的耐侵蚀性同时保持所需的膜特性的新型聚氨酯组合物。
虽然已示出和描述了被认为是本发明的某些实施方案，但当然应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可轻易地对其形式或细节作出修改和改变。因此，本发明并不局限于本文所示和所述的具体形式和细节，也不局限于本文所公开的以及后文所要求的本发明整体之内的任何内容。

Claims (29)

1.一种用于生产包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统以保护一种或多种金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的多组分浆液组合物，所述浆液组合物包含：
底涂层浆液；
表涂层浆液，所述表涂层浆液包含：
支链聚酯多元醇；
聚碳酸酯二醇；
六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物；
其中当量异氰酸酯官能团对当量醇官能团的比率的范围是从1.0:1.6到1.6:1.0；以及
一种或多种金属氧化物颜料。
2.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述一种或多种金属氧化物颜料中的每种金属氧化物颜料具有至少约6的莫氏硬度。
3.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述支链聚酯多元醇具有约470-500克/当量醇官能团(OH)的当量重量。
4.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述聚碳酸酯二醇具有约210-240克/当量醇官能团(OH)的当量重量。
5.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述六亚甲基二异氰酸酯的脂族三聚物具有约260-290克/当量异氰酸酯官能团(NCO)的当量重量。
6.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述当量异氰酸酯官能团对所述当量醇官能团的比率的范围是从1.0:1.0到1.0:1.4。
7.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述当量异氰酸酯官能团对所述当量醇官能团的比率为1.2:1.0。
8.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述底涂层浆液包含铬酸盐-磷酸盐粘结剂和含铝颗粒。
9.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中底涂层浆液粘结剂不含有铬。
10.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述底涂层浆液包含：
粘结剂，所述粘结剂包含锂掺杂的硅酸钾水溶液，所述粘结剂的特征在于不存在铬；
铝或铝合金颗粒，所述铝或铝合金颗粒掺入所述粘结剂中；
其中所述铝或铝合金颗粒具有粒度分布，其特征在于所述粒度分布的第50个百分位数具有介于约4微米至7微米之间的直径，并且所述粒度分布的第90个百分位数具有小于或等于约11.5微米-15.5微米的直径。
11.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述底涂层浆液包含：
粘结剂，所述粘结剂包含锂掺杂的硅酸钾水溶液，所述粘结剂的特征在于不存在铬；
铝粉末或铝合金粉末，所述铝粉末或铝合金粉末掺入所述粘结剂中；以及
固化催化剂，所述固化催化剂包含纳米级氧化铈胶体溶液。
12.一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，所述涂层包括：
耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀性底涂层包含由填充有铝颗粒的铬酸盐-磷酸盐基粘结剂形成的基体；以及
表涂层，所述表涂层包含通过多元醇、二醇和多异氰酸酯的聚合形成的聚氨酯基基体；
一种或多种金属氧化物颜料，所述一种或多种金属氧化物颜料嵌入所述聚氨酯基基体中；
其中所述包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统具有增强的耐颗粒侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
13.根据权利要求12所述的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层，所述一种或多种金属氧化物颜料具有基于固化涂层的总体积计大于20体积％且小于60体积％的颜料体积浓度(PVC)。
14.根据权利要求12所述的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层，其中所述涂层具有在最多至约482℉的升高的温度下的耐热性。
15.一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，所述涂层系统包括：
耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀底涂层包含由填充有铝颗粒的六价无铬硅酸盐基粘结剂形成的基体；
表涂层，所述表涂层包含通过多元醇、二醇和多异氰酸酯的聚合形成的聚氨酯基基体；
一种或多种金属氧化物颜料，所述一种或多种金属氧化物颜料嵌入所述聚氨酯基基体中；
其中所述包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统具有增强的耐颗粒侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
16.根据权利要求15所述的耐侵蚀和耐腐蚀涂层，嵌入所述聚氨酯基基体中的所述一种或多种金属氧化物颜料具有基于所述涂层的总体积计大于20体积％且小于60体积％的颜料体积浓度(PVC)。
17.根据权利要求15所述的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，其中所述底涂层的所述粘结剂为掺杂有锂的硅酸钾；
所述底涂层还包含掺入所述粘结剂中的铝或铝合金颗粒，其中所述铝或铝合金颗粒具有粒度分布，其特征在于所述粒度分布的第50个百分位数具有介于约4微米至7微米之间的直径，并且所述粒度分布的第90个百分位数具有小于或等于约11.5微米-15.5微米的直径。
18.根据权利要求15所述的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，其中所述底涂层还包含：
含铈化合物，所述含铈化合物作为含铈相浸渍入陶瓷基体中。
19.根据权利要求15所述的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，其中所述底涂层还包含嵌入所述基体内的含锌颗粒。
20.根据权利要求15所述的耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，其中嵌入所述聚氨酯基基体中的所述一种或多种金属氧化物颜料包含钴铬尖晶石。
21.根据权利要求15所述的耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，其中聚氨酯基表涂层表现出在最多至约482℉的升高的温度下的热稳定性。
22.一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，所述涂层包括：
耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀性底涂层包含由填充有铝颗粒的铬酸盐-磷酸盐基粘结剂形成的基体；
表涂层，所述表涂层包含聚氨酯基基体；
一种或多种金属氧化物颜料，所述一种或多种金属氧化物颜料嵌入所述聚氨酯基基体中，所述一种或多种金属氧化物颜料具有基于所述涂层的总体积计大于20体积％且小于60体积％的颜料体积浓度(PVC)；
其中所述包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层具有增强的耐颗粒侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
23.一种用于保护金属部件免受腐蚀、侵蚀和结垢的包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统，所述涂层包括：
耐腐蚀底涂层，所述耐腐蚀底涂层包含由六价无铬硅酸盐基粘结剂形成的基体；
表涂层，所述表涂层包含聚氨酯基基体；
一种或多种金属氧化物颜料，所述一种或多种金属氧化物颜料嵌入所述聚氨酯基基体中，所述一种或多种金属氧化物颜料具有基于所述涂层的总体积计大于20体积％且小于60体积％的颜料体积浓度(PVC)，
其中所述包覆型耐侵蚀和耐腐蚀涂层系统具有增强的耐颗粒侵蚀性，如通过落砂方法所测量的。
24.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述支链聚酯多元醇为多元醇1并且所述聚碳酸酯二醇为多元醇4，并且进一步地，其中所述支链聚酯多元醇的特征在于不存在多元醇2。
25.根据权利要求24所述的多组分浆液组合物，其中所述多元醇4对所述多元醇1的质量比为大约1.7:1或更大，最多至约2:1。
26.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述异氰酸酯官能团为异氰酸酯1、异氰酸酯2或异氰酸酯3。
27.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，其中所述聚碳酸酯二醇为多元醇4。
28.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，所述多组分浆液组合物还包含一种或多种金属氧化物颜料，所述一种或多种金属氧化物颜料选自由以下项组成的组：颜料1、颜料2、颜料3、颜料4、颜料5、颜料7或它们的任何组合。
29.根据权利要求1所述的多组分浆液组合物，所述多组分浆液组合物还包含一种或多种基于抗氧化剂的添加剂。
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