CN116695109B - 一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属表面处理领域，尤其涉及一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂及其应用。所述稳定剂包括以下质量百分比组分：三组分连接料12～18wt％、镁粉2～5wt％、水分稳定剂1～3wt％，和余量溶剂；所述三组分连接料包括低羟值丙烯酸乳液、聚二甲基硅烷和全氟聚醚；所述三组分连接料中聚二甲基硅烷含量为3～5wt％、全氟聚醚含量为2～3wt％，余量为低羟值丙烯酸乳液。本发明通过协调构件形成无机‑有机复合连续膜，能够更加高效快速地与原锈层保护相构成稳定的复合锈层，复合锈层具有良好的抗大气腐蚀能力、结合强度和硬度，以显著提升硅铝耐候钢的实际使用效果。

Description

一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂及其应用

技术领域

本发明涉及金属表面处理领域，尤其涉及一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂及其应用。

背景技术

耐候钢是一种通过添加少量合金元素，在自然大气环境中能够形成致密的锈层，锈层能够阻碍腐蚀性介质的进一步侵入，以形成良好的耐大气腐蚀性能的钢材。

目前，耐候钢主要的合金元素包括如铜、磷、铬、镍、锰、钼、铝和硅等。而其中，硅铝系耐候钢是近年来新兴发展的一种无贵金属掺杂的低成本耐候钢，其普遍具备较强的耐腐蚀性，甚至于相较常规的SPA H等常见牌号的耐候钢，其抗大气腐蚀性能也有显著的提升。

但是，硅铝耐候钢却也存在着一个较为显著的缺陷。即其抗腐蚀主要依靠内部富集的铝和基材铁配合构建FeAl₂O₄晶粒，以产生耐腐蚀性能。而在实际使用过程中，FeAl₂O₄形成较为缓慢，并且在部分相对湿度较大的环境中，更会影响该成分的形成，因而容易产生锈泡、流锈等问题，最终导致无法形成有效、稳定的锈层，进而导致耐候钢的实际使用效果不佳。

发明内容

为解决现有的硅铝耐候钢需要较长的时间形成稳定锈层，尤其在高相对湿度的环境中实际使用效果不佳的问题，本发明提供了一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂，并且提供了该铁锈稳定剂的应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂，按质量百分比，包括以下组分：三组分连接料12～18wt％、镁粉2～5wt％、水分稳定剂1～3wt％和余量的溶剂；

所述三组分连接料，按质量百分比，组分包括聚二甲基硅烷3～5wt％、全氟聚醚2～3wt％和余量的中羟值丙烯酸乳液。

作为优选，所述聚二甲基硅烷为三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷。

作为优选，所述中羟值丙烯酸乳液的羟值为60～80mgKOH/g。

作为优选，所述水分稳定剂为羟基氧化铁，或者包括磷酸钾、钼酸钠、硝酸钠中的任意一种或两种以上的混合物和羟基氧化铁。

作为优选，所述溶剂为醇和/或水。

本发明还提供一种上述稳定剂在用于促进硅铝耐候钢表面保护性锈膜生长中的应用。

作为优选，所述应用的应用方法包括以下步骤：

1)将镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于待处理的硅铝耐候钢表面，之后静置处理；

2)将水分稳定剂加入到溶剂中，混匀均匀后喷涂在经步骤1)处理过的硅铝耐候钢的涂布区域，最后静置干燥即可。

本发明在步骤1)形成有机-无机连续复合成膜，步骤2)形成疏水复合膜层，阻隔水分子在锈层内的扩散，防止锈层的进一步生长和蔓延。本发明首先提供了一种能够基于有机-无机连续复合成膜的机制，构建由原生锈层，即钢材本身已经形成的FeAl₂O₄晶粒和复合保护膜构成的复合锈层。

本发明选用中羟值的丙烯酸乳液作为连接料的主要构成部分，这是因为丙烯酸乳液具有良好的渗透性和氧气渗透能力，其能够渗入耐候钢表层的微观缺陷，增大成膜深度并加快成膜速率。丙烯酸乳液的选择十分关键，丙烯酸乳液除固含量等因素以外，还有一个重要的综合性指标，即羟值，其羟值是取决于其浓度、固含量等多因素计算的结果，对其性能有着较为重大的影响。低羟值的丙烯酸乳液通常具有更优的扩散能力，能够更加有效地实现深层渗透，有利于增大成膜深度，但实际使用中却发现其促进氧化成膜的效果不佳，表明其促进氧气扩散的能力有限，而高羟值的丙烯酸乳液能够促进氧气扩散，但实际其渗透性将会产生较为明显的下降，因而本发明特选采用60～80mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液，是介于低羟值丙烯酸乳液与高羟值丙烯酸乳液之间的产品，其作为主要的连接料，能够促进连接料中的其余组分有效作用于硅铝耐候钢，并且能够促进膜层的深度生长和快速生长。

基于此，本发明连接料中还选用了聚二甲基硅烷和全氟聚醚。对于聚二甲基硅烷的选择，本发明优选采用乙氧基封端的聚二甲基硅烷，这是因为其更容易与全氟聚醚形成双亲交联网络，有利于提高所构成的有机-无机复合膜层与基材耐候钢的结合强度，而全氟聚醚的选用则是形成有机-无机复合的关键。全氟聚醚中的氟具备反应活性，且其本身具有良好的润滑效果，也常用于润滑剂和表面活性剂使用，在本发明中，特选添加了少量的镁粉，在全氟聚醚的作用下首先能够形成有效的分散，而后在使用后于自然大气环境中，单质镁粉在丙烯酸乳液扩散氧的影响下快速氧化形成氧化镁，氧化镁的形成将会放热，进而激发氧化镁与全氟聚醚的反应，能够形成与全氟聚醚交联的无机氟化镁膜层。氟化镁膜层具有高度致密的特性，并且具有良好的力学性能。氟化镁膜层继而与羟基聚二甲基硅烷交联固化，最终形成氟化镁-聚二甲基硅烷连续复合膜层，上述原料与丙烯酸乳液共同成膜能够大大提高稳定剂所形成膜层的稳定性，相较于常规的有机保护膜，本发明所构建的保护性膜层在力学性能和结合强度两方面均有显著的提升，而此外，由于多样化且高效的氧扩散，实际在硅铝耐候钢中能够更加高效地形成FeAl₂O₄保护相。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过协调形成无机-有机复合连续膜，能够更加高效快速地与原锈层保护相构成稳定的复合锈层，复合锈层具有良好的抗大气腐蚀能力、结合强度和硬度，以显著提升硅铝耐候钢的实际使用效果，相较于自然锈化更加快速。本发明能够有效适用于硅铝耐候钢协调形成稳定的锈层，且处理过程快速有效，能够高效形成稳定锈层。

附图说明

图1为实施例1裸Q345W耐候钢经盐雾腐蚀后的表面拍摄照片；

图2为实施例1经过本发明稳定剂处理后的Q345W耐候钢表面拍摄照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。其中，中羟值丙烯酸乳液由45mgKOH/g羟值的CRT-6066和120mgKOH/g羟值的康迪隆丙烯酸乳液以(8～12)：(3～7)的质量比调配而成，如调配60mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液，采用12份45mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液和3份120mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液混合调配，调配80mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液采用8份45mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液和7份120mgKOH/g羟值的丙烯酸乳液混合调配。

三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷，购自上海大学纳米科学与技术研究中心；

聚二甲基硅烷，购自道康宁公司，牌号为PMX-200；

全氟聚醚，购自上海默曼化工有限公司，牌号为SV 80RP06；

如无特殊说明，以下实施例步骤1)涂布量均为12mL/cm²，步骤2)喷涂量均为5.0克/平方米。

实施例1

用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂处理Q345W耐候钢

本例铁锈稳定剂组分为：三组分连接料16wt％、镁粉3wt％、羟基氧化铁1wt％和余量的去离子水；其中，三组分连接料的组分为：三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷4wt％、全氟聚醚3wt％和余量的羟值为60mgKOH/g的中羟值丙烯酸乳液。

以Q345W硅铝耐候钢作为实验对象，进行本例铁锈稳定剂效果验证。

具体使用过程如下：

1)对Q345W耐候钢表面依次以120#、150#和250#砂纸打磨，随后依次以丙酮和乙醇擦拭，冷风吹干以完成预处理备用，取镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于经过预处理的Q345W硅铝耐候钢表面，静置10min；

2)取水分稳定剂加入到去离子水中，混合均匀后均匀喷涂在经步骤1)处理过的Q345W硅铝耐候钢的涂布区域，室温静置干燥至表面均匀发灰即完成复合锈层的构建。

对复合锈层进行表征，表征包括常规：

(a)取去离子水浸润的无纺布平整敷设在经过上述稳定剂处理的钢材试样表面，置于控温控制环境中，控制温度为25℃、湿度为95％，表征48h后增重质量，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(b)于盐雾试验机中，配制5wt％氯化钠溶液，于35℃条件下进行为期30d的连续盐雾试验，于试验前后采用侧切法对锈层厚度进行表征，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对，此外进行宏观拍照表征，图1为裸Q345W耐候钢经盐雾腐蚀后的表面拍摄照片，图2为经过本发明稳定剂处理后的Q345W耐候钢表面拍摄照片，明显可见经过稳定剂处理后表面更加完整均一；

(c)对经过表征(b)的试样采用拉拔式附着力测试仪对复合锈层附着力进行表征测试。

表征结果如下表1所示。

表1

从上述表征可以明显看出，本发明稳定剂处理后的耐候钢相较于未处理且经过自然锈层生长的裸Q345W耐候钢，其抗大气腐蚀性能得到非常显著的提升。在高湿度环境下，其增重仅约为裸钢18.7％，并且宏观观测器表面并无明显变化，而裸钢对比样表面则出现有轻微的鼓泡。而盐雾腐蚀结果表明，本发明稳定剂处理后所形成的复合锈层具有非常优异的抗氯腐蚀能力，主要是本发明中所构件的无机-有机复合膜层对于氯离子具有良好的阻碍作用，能够有效避免氯离子产生渗透腐蚀。此外，对锈层附着力进行表征的结果也显示，本发明所形成的复合锈层与基材具有极高的结合强度，不易脱落损失。

实施例2

用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂处理Q345W耐候钢

本例铁锈稳定剂组分为：三组分连接料12wt％、镁粉2wt％、羟基氧化铁3wt％和余量的去离子水；其中，三组分连接料的组分为：三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷5wt％、全氟聚醚3wt％和余量的羟值为80mgKOH/g的中羟值丙烯酸乳液。

以Q345W硅铝耐候钢作为实验对象，进行本例铁锈稳定剂效果验证。

具体使用过程如下：

1)对Q345W耐候钢表面依次以120#、150#和250#砂纸打磨，随后依次以丙酮和乙醇擦拭，冷风吹干以完成预处理备用，取镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于经过预处理的Q345W硅铝耐候钢表面，静置10min；

2)取水分稳定剂加入到去离子水中，混合均匀后均匀喷涂在经步骤1)处理过的Q345W耐候钢的涂布区域，室温静置干燥至表面均匀发灰即完成复合锈层的构建。

对复合锈层进行表征，表征包括常规：

(a)取去离子水浸润的无纺布平整敷设在经过上述稳定剂处理的钢材试样表面，置于控温控制环境中，控制温度为25℃、湿度为95％，表征48h后增重质量，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(b)于盐雾试验机中，配制5wt％氯化钠溶液，于35℃条件下进行为期30d的连续盐雾试验，于试验前后采用侧切法对锈层厚度进行表征，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(c)对经过表征(b)的试样采用拉拔式附着力测试仪对复合锈层附着力进行表征测试。

表征结果如下表2所示。

表2

从上述表征可以明显看出，本发明处理后的硅铝耐候钢具有良好的抗氧腐蚀、抗氯腐蚀能力，并且与基材结合稳定可靠。

实施例3

用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂Q345W硅铝耐候钢

本例铁锈稳定剂的组分为：三组分连接料18wt％、镁粉5wt％、羟基氧化铁1wt％和余量的去离子水；其中，三组分连接料的组分为：三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷3wt％、全氟聚醚2wt％和余量的羟值为60mgKOH/g的中羟值丙烯酸乳液。

以Q345W硅铝耐候钢作为实验对象，进行本例铁锈稳定剂效果验证。

具体使用过程如下：

1)对Q345W耐候钢表面依次以120#、150#和250#砂纸打磨，随后依次以丙酮和乙醇擦拭，冷风吹干以完成预处理备用，取镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于经过预处理的Q345W硅铝耐候钢表面，静置10min；

2)取水分稳定剂加入到去离子水中，混合均匀后均匀喷涂在经步骤1)处理过的Q345W耐候钢的涂布区域，室温静置干燥至表面均匀发灰即完成复合锈层的构建。

对复合锈层进行表征，表征包括常规：

(a)取去离子水浸润的无纺布平整敷设在经过上述稳定剂处理的钢材试样表面，置于控温控制环境中，控制温度为25℃、湿度为95％，表征48h后增重质量，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(b)于盐雾试验机中，配制5wt％氯化钠溶液，于35℃条件下进行为期30d的连续盐雾试验，于试验前后采用侧切法对锈层厚度进行表征，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(c)对经过表征(b)的试样采用拉拔式附着力测试仪对复合锈层附着力进行表征测试。

表征结果如下表3所示。

表3

从上述表征可以明显看出，本发明处理后的硅铝耐候钢具有良好的抗氧腐蚀、抗氯腐蚀能力，并且与基材结合稳定可靠。

通过实施例1～3的对比可以看出，本发明稳定剂所形成的复合锈层实际稳定性和抗腐蚀能力呈现一定的负相关关系，在实现抗氧腐蚀能力和抗氯腐蚀能力提升的情况下，其与基材的附着力将会一定程度上减弱，因而合理控制稳定剂成分以确保综合性能最优是实现本发明目的的关键因素。

对比例1

对比铁锈稳定剂处理Q345W硅铝耐候钢

本例铁锈稳定剂的组分为：三组分连接料16wt％、铝粉3wt％、羟基氧化铁1wt％和余量的去离子水；其中，三组分连接料的组分为：三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷4wt％、全氟聚醚3wt％和余量的羟值为60mgKOH/g的中羟值丙烯酸乳液。

以Q345W硅铝耐候钢作为实验对象，进行本例铁锈稳定剂效果验证。

具体使用过程如下：

1)对Q345W耐候钢表面依次以120#、150#和250#砂纸打磨，随后依次以丙酮和乙醇擦拭，冷风吹干以完成预处理备用，取镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于经过预处理的Q345W硅铝耐候钢表面，静置10min；

2)取水分稳定剂加入到去离子水中，混合均匀后均匀喷涂在经步骤1)处理过的Q345W硅铝耐候钢d的涂布区域，室温静置干燥至表面均匀发灰即完成复合锈层的构建。

对复合锈层进行表征，表征包括常规：

(a)取去离子水浸润的无纺布平整敷设在经过上述稳定剂处理的钢材试样表面，置于控温控制环境中，控制温度为25℃、湿度为95％，表征48h后增重质量，并与实施例1进行比对；

(b)于盐雾试验机中，配制5wt％氯化钠溶液，于35℃条件下进行为期30d的连续盐雾试验，于试验前后采用侧切法对锈层厚度进行表征，并与实施例1进行比对；

(c)对经过表征(b)的试样采用拉拔式附着力测试仪对复合锈层附着力进行表征测试。

表征结果如下表4所示。

表4

从上述表征可以明显看出，仅将镁粉替换为铝粉，既可见所制得稳定剂产生巨大的性能差异。在抗氧腐蚀方面性能向对较小，并且在表征(a)的前后对复合锈层成分进行表征，表征结果显示铝粉在加入后并未快速有效地转变为氧化铝，也并未与基材中的Si成分形成连续膜，但镁粉则是快速形成了氟化镁成分，因而在抗氧腐蚀方面，实施例1实际应当是通过所形成的致密保护膜进行隔绝，而对比例1则是通过铝自身形成氧化保护，由此也可预见在抗氯腐蚀性能方面，两者即开始表现出较大的差异。在附着力表征方面，实施例1更是显著优于对比例1，这是因为所形成的氟化镁实际与基材具有较好的结合基础，而其本身又与有机成分膜紧密地结合。

对比例2

对比铁锈稳定剂处理Q345W硅铝耐候钢

本例铁锈稳定剂的组分为：三组分连接料16wt％、镁粉3wt％、羟基氧化铁1wt％和余量的去离子水；其中，三组分连接料的组分为：聚二甲基硅烷4wt％、全氟聚醚3wt％和余量的羟值为60mgKOH/g的中羟值丙烯酸乳液。

以Q345W硅铝耐候钢作为实验对象，进行本例铁锈稳定剂效果验证。

具体使用过程如下：

1)对Q345W耐候钢表面依次以120#、150#和250#砂纸打磨，随后依次以丙酮和乙醇擦拭，冷风吹干以完成预处理备用，取镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于经过预处理的Q345W硅铝耐候钢表面，静置10min；

2)取水分稳定剂加入到去离子水中，混合均匀后均匀喷涂在经步骤1)处理过的Q345W硅铝耐候钢的涂布区域，室温静置干燥至表面均匀发灰即完成复合锈层的构建。

对复合锈层进行表征，表征包括常规：

(a)取去离子水浸润的无纺布平整敷设在经过上述稳定剂处理的钢材试样表面，置于控温控制环境中，控制温度为25℃、湿度为95％，表征48h后增重质量，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(b)于盐雾试验机中，配制5wt％氯化钠溶液，于35℃条件下进行为期30d的连续盐雾试验，于试验前后采用侧切法对锈层厚度进行表征，并与等规格仅经过预处理和30d自然大气处理的裸Q345W耐候钢进行比对；

(c)对经过表征(b)的试样采用拉拔式附着力测试仪对复合锈层附着力进行表征测试。

表征结果如下表5所示。

表5

通过上述的表征对比可以明显看出，采用未封端处理的聚二甲基硅烷实际在抗氧腐蚀和抗氯腐蚀两方面性能与实施例1较为接近，但在膜层附着力方面产生了十分明显的下降。而对于耐候钢而言，其面对复杂的自然环境，确保复合锈层具有长久稳定结合在基材表面的能力，也是其能够实现延长使用寿命的关键因素之一，因而选用经过乙氧基封端处理的聚二甲基硅烷效果也明显更优。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种用于硅铝耐候钢的铁锈稳定剂，其特征在于，按质量百分比，包括以下组分：三组分连接料12～18wt％、镁粉2～5wt％、水分稳定剂1～3wt％和余量的溶剂；

所述三组分连接料，按质量百分比，组分包括聚二甲基硅烷3～5wt％、全氟聚醚2～3wt％和余量的中羟值丙烯酸乳液；

所述聚二甲基硅烷为三乙氧基硅基乙基封端的聚二甲基硅烷；

所述中羟值丙烯酸乳液的羟值为60～80mgKOH/g；

所述水分稳定剂为羟基氧化铁，或者包括磷酸钾、钼酸钠、硝酸钠中的任意一种或两种以上的混合物和羟基氧化铁；

所述溶剂为醇和/或水。

2.如权利要求1所述的稳定剂在用于促进硅铝耐候钢表面保护性锈膜生长中的应用。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，应用方法包括以下步骤：

1)将镁粉加入到三组分连接料中，混合均匀后涂布于待处理的硅铝耐候钢表面，之后静置处理；

2)将水分稳定剂加入到溶剂中，混匀均匀后喷涂在经步骤1)处理过的硅铝耐候钢的涂布区域，最后静置干燥即可。