CN115074024B

CN115074024B - 一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料及其制备工艺

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Publication number: CN115074024B
Application number: CN202210824967.6A
Authority: CN
Inventors: 张文卓; 陈广义
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2042-07-14
Also published as: CN115074024A

Abstract

本发明属于涂料生产及涂装工艺领域，公开了一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料及其制备工艺，使用传统达克罗涂料涂覆工艺即可完成本涂料的涂装。本发明的水性锌铝涂料由A组分和B组分组成，质量比约为1：1～1：1.5。其中A组分由锌粉、混合铝粉、贝壳粉、聚乙二醇、二丙二醇、乙醇、甲醇、硅烷偶联剂、乳化剂和消泡剂组成；B组分由甲醇、乙醇、聚乙二醇、丙三醇、硅烷偶联剂、水溶性丙烯酸乳液、硅溶胶、钼酸钠、磷酸钠、硼酸钠、钨酸钠、硝酸镧和水组成；还可根据实际防腐要求以及涂装工艺，合理选择是否使用C组分纤维素以及用量，该涂料避免了铬元素的使用、防腐性能极佳、耐高温、与基底结合力强，而且具有优良的吸声降噪能力。

Description

一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料及其制备工艺

技术领域

本发明属于涂料生产及涂装工艺领域，具体涉及一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料及其制备工艺。

背景技术

噪声一直是机械设备及产品的重要性能之一，直接决定产品使用舒适度。国家也出台了多项标准以及规范，如GB 22337-2008社会生活环境噪声排放标准，GB12523-2011建筑施工场界环境噪声排放标准，GB/T 50087-2013工业企业噪声控制设计规范等等。对家用空调、电冰箱、风机设备等均提出了极高的噪声阈值标准。因此各生产设备厂商也寻求多方手段，降低设备及装置的噪声。

相比于噪声性能，机械设备的防腐蚀性能是另一个关键性能，直接决定设备的可靠性及寿命。达克罗涂层是当今较为常用的金属表面处理技术，能够大幅度提升金属基体的耐腐蚀能力。该达克罗涂料主要成分为锌粉、铝粉以及铬酸盐，也被成为锌铝涂层。达克罗涂料通常采用浸涂或喷涂等工艺将涂料粘附与金属零件表面，然后通过高温烧结方式形成锌、铝钝化膜，保护金属基体。达克罗涂料具有优良的防腐蚀性能、高耐热性、无氢脆性以及高渗透性，在先进机械制造领域，包括汽车、船舶以及航空航天等均得到了广泛的应用。

无铬达克罗是基于达克罗涂料的改进型。传统达克罗依靠铬酸作为钝化剂及粘接剂，铬酸的使用会带来Cr⁶⁺污染。Cr⁶⁺具有强毒性，对农作物和微生物有较大的毒害作用，且对人体也有严重致癌作用。国家出台的废水排放标准已明确指出Cr⁶⁺离子的含量严禁高于每升0.5 mg，大幅度增加了传统达克罗涂料的处理成本，严重限制了传统达克罗的使用。

无铬达克罗不含有Cr元素，真正实现了绿色和安全生产。如中国发明专利CN112063252 A公开的一种无铬达克罗涂覆液制备方法及在金属卡子表面的涂覆工艺与金属卡子，其依次加入硅烷偶联剂、分散剂、石墨烯-白炭黑复合粉体、硅微粉、硫酸钡、金属粉、水性粘结剂和水获得无铬达克罗涂覆液。该涂料具有耐磨性好、表面硬度高以及耐腐蚀性好的优点，但该涂覆液中需使用石墨烯，石墨烯价格昂贵且产量较低，难以支撑大规模的商业化应用。且该款涂料并不能起到优良的隔音性能。

而中国发明专利CN 112080193 A公开的一种水性隔声减震保温涂料及其制备方法，其以水性树脂乳液、水型助剂、中空微球、无卤磷系阻燃剂、无机粉体、陶瓷微珠、膨胀珍珠岩以及矿物纤维，该涂料施工速度快、附着力强、成本低且具有优良的隔音性能。然而该涂料需涂装较厚，且不能满足机械上防腐蚀性能的要求。

因此，有必要开发一款同时兼顾优良防腐蚀性能以及吸声性能的无铬达克罗涂料来满足当今工业的需求。

发明内容

基于当今机械及涂料工业的需求，本发明提供了一种具有优良吸声能力、防腐性能的水性无铬达克罗涂层，其涂料制备及涂装工艺的技术方案如下：

一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料，是由A、B和C三种组分按以下质量份数组成，A组分包括：锌粉30~35份、混合铝粉15~20份、贝壳粉5~10份、润湿分散剂1组合剂10~20份、硅烷偶联剂10~20份、乳化剂3~5份、消泡剂1~3份；B组分包括：分散剂2组合剂15~20份、粘接剂组合剂30~40份、钝化液40~55份；C组分包括：增稠剂0~10份。

所述锌粉，微观结构为片状，中位粒径约15 μm，密度约1.1 kg/L。

所述混合铝粉为铝粉和银粉混合粉，铝粉占比约75w%，银粉占比25w%，其微观结构为片状，粒径为1200目。

所述贝壳粉为超细特白贝壳粉，为孔洞状颗粒结构，粒径为4000目。

所述润湿分散剂1组合剂为聚乙二醇、二丙二醇、乙醇和甲醇的混合剂，其中聚乙二醇占比约20~30w%、二丙二醇20~30w%、乙醇质量占比20~25w%、甲醇质量占比20~25w%。

所述粘接剂组合剂为硅烷偶联剂、水溶性聚丙烯酸乳液和硅溶胶的组合剂，其中硅烷偶联剂55~65w%、水溶性聚丙烯酸乳液30~40w%、硅溶胶5~10w%。

所述硅溶胶为纳米二氧化硅胶体，平均粒径10 nm，二氧化硅质量比含量约为30%。

所述硅烷偶联剂包括KH550或KH560硅烷偶联剂，乳化剂为聚氧乙烯醚材料，消泡剂为水性有机硅消泡剂。

所述分散剂2组合剂为甲醇、乙醇、聚乙二醇和丙三醇的混合剂，其中甲醇约占比25~35w%、乙醇占比25~35w%、聚乙二醇占比20~30w%、丙三醇占比5~10w%。

所述钝化液为钼酸钠、钨酸钠、磷酸钠、硼酸钠和硝酸镧的水溶液，其中水占比50~60w%，钼酸钠占比10~15w%，钨酸钠占比2~6w%，磷酸钠占比10~15w%，硼酸钠占比10~15w%，硝酸镧5~10w%。

所述增稠剂选用羟乙基纤维素，加水按照羟乙基纤维素与水的质量比1：5配置，溶解后快速加入涂料中。

A组分按照以下方式配置：

a）先按照比例配置润湿分散剂倒入料筒中，并将硅烷偶联剂加入至润湿分散剂1组合剂中。再将铝粉、贝壳粉和锌粉缓慢加入至上述溶液中。硅烷偶联剂显著提升了粉料与润湿分散剂的相容性，使粉料在溶液中润湿及分散效果更佳。

b）再依次将助剂，如乳化剂和消泡剂加入其中，搅拌均匀后即得到浆料状的A组分。

B组分为本发明的粘接剂和钝化剂组合剂按照以下方式配置：

将硅烷偶联剂加入至润湿分散剂1组合剂中搅拌均匀，并将纳米二氧化硅胶体分散于上述溶液中，增加硅含量提高粘接黏度，接着将水性丙烯酸乳液加入至上述溶液中，得到粘接剂组合剂。

按照比例将钼酸钠、钨酸钠、磷酸钠、硼酸钠和硝酸镧粉末加入至水中溶解，获得钝化剂。

将钝化剂加入至粘接剂组合剂中，搅拌均匀后，调节pH至6.5~7.5，即获得B组分。

一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料的制备方式，可按照1：1~1.5的比例分别称取A组分和B组分，将B组分加入至A组分中搅拌均匀。根据实际防腐要求以及涂装工艺，合理选择纤维素用量，将纤维素溶于水中后加入到涂料中，持续搅拌4~5 h后，即可获得上下一体均匀的水性锌铝涂料。

将配置好后的涂料，依次通过除油、除锈、涂装和烘烤工艺涂覆于零部件表面。

与现有技术相比，本发明可获得如下增益效果：

（1）本发明采用钨酸钠、钼酸钠、硼酸钠、磷酸钠以及硝酸镧作为钝化剂，并使用硅烷偶联剂和丙烯酸树脂作为粘接剂，有效避免了Cr⁶⁺的产生。

（2）本发明采用片状锌粉、铝粉以及贝壳粉作为填料，超细贝壳粉尺寸极小，明显小于片状锌粉和铝粉的尺寸。能够插入到片状锌粉和铝粉的缝隙中，进一步提高涂料的屏蔽作用，提升涂料防腐蚀性能。

（3）贝壳粉具有丰富的孔洞结构，噪声在传递过程中会引起孔洞结构中空气的运动，造成和孔壁的摩擦。由于空气的摩擦和粘滞力作用，声能会转化成其他形式的能量耗散掉，使噪声降低。涂层越厚，隔声效果越佳，噪声下降越明显。

附图说明

图1为达克罗涂料制备工艺流程；

图2为达克罗涂层涂装工艺流程；

图3为实施例2结合力测试结果图。

实施方式

结合本发明多个实施例，对本发明的技术方案和优点进行更加清晰以及完整的描述。以下的实施例便于更好的理解本发明，但并不限定本发明。另外，下述实施例中，如无特殊说明，所用材料、试剂等均可从生物或化学试剂公司购买。

本发明具体实施例方案如下表所示：

表1 实施例1-3涂料配置方案

在上述三个实施例中，硅烷偶联剂采用KH560，乳化剂为聚氧乙烯醚，消泡剂为水性有机硅消泡剂。

配置相同的B剂。B剂由7份甲醇、7份乙醇、5份聚乙二醇、1份丙三醇、21份硅烷偶联剂、12份水溶性丙烯酸乳液、2份硅溶胶、5份钼酸钠、5份磷酸钠、5份硼酸钠、2份钨酸钠、5份硝酸镧和23份水组成。

实施例1、2、3提供的水性锌铝涂料均采用下述相同制备工艺，整体流程如图1所示。

A组分制备工艺如下：

按照表1比例称取聚乙二醇、二丙二醇、甲醇和乙醇，以400 r·min^-1的速度搅拌均匀后。将硅烷偶联剂加入至上述混合液中，持续搅拌30 min。

将转速提升至600 r·min^-1，根据质量要求依次缓慢加入贝壳粉、铝粉和锌粉，避免扬尘。搅拌1 h后，将转速提升至800 r·min^-1继续搅拌3 h，直至粉料完全润湿分散。

称取乳化剂和消泡剂助剂加入其中，将转速提升至1000 r·min^-1，搅拌1 h即得到A组分。

B组分制备工艺如下：

a）按照表1比例称取甲醇、乙醇、聚乙二醇、丙三醇加入至料筒中。混合均匀后将硅烷偶联剂加入其中，以400 r·min^-1的速度搅拌1 h至混合均匀。

b）称取硅溶胶加入至上述溶液中，提高转速至600 r·min^-1，持续搅拌50 min直至溶液澄清。

c）将转速提升至800 r·min^-1，将聚丙烯酸乳液加入其中，持续搅拌2 h。

d）配置钝化液，按比例称取水以400 r·min^-1的速度分别将钼酸钠、硼酸钠、钨酸钠、磷酸钠和硝酸镧加入水中，搅拌40 min后至完全溶解。

e）将配置好的钝化液，加入至步骤c）中的溶液中，以600 r·min^-1的速度搅拌2 h后，用氨水将pH调至7，再搅拌1 h即获得B组分。

按照质量比1：1.2的比例（A组分：B组分），将配置好的B组分倒入A组分中，以600r·min^-1的转速持续搅拌2 h。

称取1份羟乙基纤维素作为增稠剂，与水按照质量比1：5配置成糊状浆料，快速倒入涂料中，加入涂料中持续搅拌5 h后即得到最终具有吸声功能的水性锌铝涂料。

采用涂-4杯粘度计来测量涂料黏度，该实施例1~3的黏度均约为65 s。

实施例

本发明具有吸声功能的高防腐无铬达克罗涂料采用以下涂装工艺，该步骤与传统达克罗基本一致。传统达克罗涂装设备即可满足本发明的需求，无需进行额外改造。

本实施例采用Q235板材作为金属基底材料，首先对零部件进行除油除锈处理，将螺栓倒入水基清洗剂中超声清洗30 min，再用水冲洗螺栓将表面油污清除干净。然后用砂纸打磨板材表面，清除其锈蚀。

采用浸涂离心工艺将涂料附着于螺栓表面。浸涂时间为25 s。将螺栓浸涂后转移至离心机中，离心机转速为450 r·min^-1，正转30 s后在以相同转速反转30 s。

将浸涂离心后的零件转移至烘道中，先经100℃烘烤15 min后，再转入330℃中烘烤30 min。

待降至室温后，重复上述浸涂离心以及烘烤工艺，完成“两涂两烘”工艺，至此获得最终的无铬达克罗涂层。对达克罗涂料的各项性能进行测试，结果如表2所示。

表2 实施例1-3防腐性能测试

根据标准ISO 2409-2020要求进行测试，该实施例2制得得水性锌铝涂料粘接力良好，与底材结合紧密，结果如图3所示。

片状锌粉和铝粉具有优良的屏蔽作用，因此实施例1经过720 h的中性盐雾实验无红锈。而超细贝壳粉尺寸较小，在锌铝片层堆叠过程中能够形成缝隙，多孔贝壳粉能够插入到片层的缝隙中，增强锌铝涂层的屏蔽作用，提高其防腐性能，因此实施例2经过720 h的中性盐雾实验仍无出现红锈。但过多的贝壳粉加入A剂中会使锌铝涂料不能直接与基底材料接触，降低了锌片和铝片的屏蔽效果。同时，贝壳粉导电性较弱，过量的贝壳粉加入会使整体涂层的导电性降低，抑制锌铝涂层的阴极保护性能，因此实施例3的防腐性能下降，其经过650 h的中性盐雾试验没有出现红锈。

实施例

涂料的吸声性能在压缩机上进行测试。噪声一直是压缩机核心性能之一，各压缩机企业针对降低压缩机噪声开发了多项措施。同时，压缩机通常放置于室外，压缩机壳体外侧受恶劣天气影响。内部受高温、高压冷媒冲击，极易引起壳体的锈蚀，因此防腐性能也是其另一个核心因素。

将涂料的纤维素量提升至3%，涂料DIN 4杯的黏度提升至85 s。仍采用上述“两涂两烘”工艺对压缩机外部壳体进行涂装处理，涂层厚度约为20 μm。

分别采用本发明的实施例1-3对压缩机的外部壳体进行涂装处理。涂层的吸声性能在全消声实验室中进行，全消声室的本底噪声为16.5 dB，截止频率为63.5 Hz。噪声性能测试按照GB 15765-2021《房间空气调节器用全封闭电动机-压缩机》标准测试方法进行。

经测试无涂装压缩机的整体A计权噪声为68.3 dB，实施例1涂装后压缩机整体A计权噪声为67.5 dB。涂层自身具有厚度，相当于在壳体上安装有隔音板。声音通过涂装后的壳体，其传递路径受阻，因此噪声性能下降约0.8 dB。

相比于实施例1，实施例2中的涂料中有超细贝壳粉填料。贝壳粉具有多孔结构。噪声在传递过程中会引起贝壳粉孔隙内空气的运动，造成和孔壁的摩擦。由于摩擦和粘滞力的作用，将声能转化成热能使声能衰减。因此，采用实施例2涂装后压缩机整体A计权总声压级为64.8 dB。相比于无涂装压缩机，整体A计权噪声下降约3.5 dB，提升效果显著。同时，经压缩机持续1000 h的稳定性测试，壳体上涂层并没有产生脱落、开裂，壳体上无锈蚀。

采用实施例3涂装后的压缩机整体A计权总声压级为63.5 dB。相比于实施例1和2，实施例3涂料的降噪效果更佳。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料，其特征是，由A、B和C三种组分按以下质量份数组成，A组分包括：锌粉30～35份、混合铝粉15～20份、贝壳粉5～10份、润湿分散剂1组合剂10～20份、硅烷偶联剂10～20份、乳化剂3～5份、消泡剂1～3份；B组分包括：润湿分散剂2组合剂15～20份、粘接剂组合剂30～40份、钝化液40～55份；C组分包括：增稠剂0～10份；

所述混合铝粉为铝粉和银粉混合粉，铝粉75wt％，银粉25wt％，混合铝粉的微观结构为片状，粒径为1200目；

所述润湿分散剂1组合剂为聚乙二醇、二丙二醇、乙醇和甲醇的混合剂，其中聚乙二醇20～30wt％、二丙二醇20～30wt％、乙醇20～25wt％、甲醇20～25wt％；

所述粘接剂组合剂为硅烷偶联剂、水溶性聚丙烯酸乳液和硅溶胶的组合剂，其中硅烷偶联剂55～65wt％、水溶性聚丙烯酸乳液30～40wt％、硅溶胶5～10wt％；

所述锌粉，微观结构为片状，中位粒径15μm，密度1.1kg/L；所述粘接剂组合剂中的硅溶胶为纳米二氧化硅胶体，平均粒径10nm，二氧化硅质量百分含量为30％；所述贝壳粉为超细特白贝壳粉，为孔洞状颗粒结构，粒径为4000目；

所述润湿分散剂2组合剂为甲醇、乙醇、聚乙二醇和丙三醇的混合剂，其中甲醇25～35wt％、乙醇25～35wt％、聚乙二醇20～30wt％、丙三醇5～10wt％；

所述钝化液为钼酸钠、钨酸钠、磷酸钠、硼酸钠和硝酸镧的水溶液，其中水为50～60wt％，钼酸钠10～15wt％，钨酸钠2～6wt％，磷酸钠10～15wt％，硼酸钠10～15wt％，硝酸镧5～10wt％。

2.如权利要求1所述的一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料，其特征是，其中A组分中所述硅烷偶联剂包括KH550或KH560硅烷偶联剂，乳化剂为聚氧乙烯醚材料，消泡剂为水性有机硅消泡剂。

3.如权利要求1所述的一种具有吸声功能的高防腐水性无铬达克罗涂料，其特征是，所述增稠剂为羟乙基纤维素。