CN116790180A - 一种带锈涂装防腐蚀涂料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于腐蚀防护技术领域，涉及海洋高技术装备功能防腐防护涂层技术领域，具体涉及一种带锈涂装防腐蚀涂料及其制备方法与应用。本发明将聚氨酯树脂、氟聚合物及有机溶剂协同配比，制成具有一定粘度的带锈涂装防腐蚀涂层前驱体，然后通过喷涂或浸涂的方式涂覆于已锈蚀金属基材表面，制成带锈涂装防腐蚀涂层。采用本发明方法制备的带锈涂装防腐蚀涂层，具有优异的机械力学性能：粘结强度>18MPa，耐中性盐雾>6000h，经涠洲岛热带海洋暴露试验＞3年无明显变化，经带锈涂装可以阻止金属基材‑锈层进一步锈蚀恶化，有望应用于海洋高技术装备等领域的现场维护维保中，提升装备的可靠性及竞争力。
Description
技术领域
本发明属于腐蚀防护技术领域，涉及海洋高技术装备功能防腐防护涂层技术领域，具体涉及一种带锈涂装防腐蚀涂料及其制备方法与应用。
背景技术
海洋装备的关键部件直接暴露于高温高湿高盐强紫外的盐雾气氛中，受电化学、紫外光老化引起的腐蚀以及力学因素引起的摩擦磨损交互作用，急剧加速了金属材料的损伤失效。目前，常用的海洋工程材料(如耐候钢、钛合金和铝合金等)还不能完全满足海洋装备外暴露传动部件的高可靠性与长寿命运行要求。因此，如何解决海洋盐雾气氛中运动系统与传动部件所面临的腐蚀与磨损协同损伤是海洋工程装备领域亟待解决的共性技术难题。
传统的装备表面涂装技术(比如，中国发明专利CN113953952A、CN113843666A公开的技术)需机械去除金属基材表面的金属氧化物、锈层及污损物。因为锈层作为界面夹杂物，会减小底漆与金属基材之间的实际接触面积，导致涂层-基材界面结合强度急剧下降；且锈层存在微-纳米裂纹、孔洞等缺陷，会阻碍传统高粘度无机-有机杂化底漆的润湿和扩散作用。同时，虽然传统的喷砂、打磨等机械除锈技术已被广泛应用，但海洋武器高技术装备领域由于其特殊的工程服役环境，存在易产生静电、火花安全隐患及界面粘附缺陷、环境污染等问题，导致无法采用传统的机械喷砂除锈工艺与锈转化等防锈技术来进行有效的防锈除锈。因此，有必要开发新的功能防腐防护涂料以及涂层涂覆技术，使其适用于海洋环境的现场维护维保领域，以满足海洋装备在海洋这种特殊服役环境下于金属基材表面进行“除锈或防锈”的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种带锈涂装防腐蚀涂层及其制备方法，本发明利用毛细力渗透、机械锚合、化学键键合及胶粘剂交联固化的原理，将一定粘度及表面张力的聚合物涂层前驱体涂覆于腐蚀锈层金属基材表面，所制得的高分子湿膜可以通过毛细力渗入并填充贯穿锈层的微-纳米孔隙/通道中，进而创新性地制备了一种聚合物-锈层-金属基材的三维空间互穿网络结构的带锈涂装防腐蚀涂层。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明第一方面提供了一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氟聚合物分散于由丙酮、乙酸乙酯及环己酮组成的混合溶剂中，研磨分散48-72h后制成氟聚合物分散液；
S2、将取步骤S1制备的氟聚合物分散液加入到湿汽固化型聚氨酯树脂胶粘剂分散体系中，均匀制得带锈涂装防腐蚀涂料；
S3、将步骤S2的带锈涂装防腐蚀涂料涂覆在已锈蚀金属基材表面，制得涂层湿膜，所得涂层湿膜经过常温固化后制得带锈涂装防腐蚀涂层。
本发明利用毛细力渗透、机械锚合、化学键键合及胶粘剂交联固化的原理，将一定粘度及表面张力的聚合物涂层前驱体喷涂于腐蚀锈层金属基材表面，形成的高分子湿膜可以通过毛细管力渗入并填充于贯穿锈层的微-纳米孔隙通道中，从而创新性地制备得到一种聚合物-锈层-金属基材的三维空间互穿网络结构的抗腐蚀涂层材料，使疏松、钝化的废旧腐蚀锈层转变为致密、化学稳定的抗腐蚀表面，从而抑制酸碱介质、氯离子盐雾气氛、水分子等吸附和进入锈层，阻止金属基材-锈层锈蚀恶化的几率；有望应用于通信电子雷达系统、海洋工程高技术装备及核电海上风电装备领域的现场维护维保，提升装备的可靠性及市场核心竞争力。
优选地，所述丙酮、乙酸乙酯及环己酮的体积比为1-1.2:4-4.3:1。
优选地，所述氟聚合物分散液中，氟聚合物的体积分数为30-42vol.％。
优选地，所述带锈涂装防腐蚀涂料中，涂料的固含量为30-40wt.％，涂-4杯粘度为15-20s。
优选地，所述常温固化的相对湿度为10-100％，时间为48-72h。
优选地，固化后的带锈涂装防腐蚀涂层的厚度为20-100μm。
优选地，已锈蚀金属基材选自Q235锈钢，表面粗糙度约为0.5-1μm，锈层厚度为5-15μm。
优选地，所述涂覆的方法包括喷涂、浸涂、稀释喷涂或超声浸涂。
更优选地，所述喷涂为：从垂直10-15cm的距离处，通过使用W-101或Anest Iwata型的喷枪将涂-4杯粘度为15-20s的涂料喷涂到锈蚀金属基材的表面上。在室温和相对湿度为10-100％的条件下用空气干燥5-15min后，重复喷涂操作多次以达到一定的湿膜厚度；
更优选地，所述稀释喷涂为：涂料用混合溶剂稀释粘度到12-14s，然后使用喷涂的方法喷涂到锈蚀金属基材上，干燥10-15min后，重复喷涂工序多次以达到一定的湿膜厚度；
更优选地，所述浸涂为：将锈蚀金属基材浸入涂料3-7min后取出，干燥10-15min后，浸涂工序重复多次以达到一定的湿膜厚度；
更优选地，所述超声波浸涂为：将锈蚀金属基材浸入涂料超声3-7min后取出，干燥10-15min后，重复浸涂多次以达到一定的湿膜厚度。该涂覆方式适合精密零部件表面。
优选地，已锈蚀金属基材在涂覆前经过去油清洗。
本发明第二方面提供了采用第一方面所述的制备方法制备得到的带锈涂装防腐蚀涂层。本发明创新性地制备了一种聚合物-锈层-金属基材的三维空间互穿网络结构的带锈涂装防腐蚀涂层。
本发明第三方面提供了第二方面所述的带锈涂装防腐蚀涂层在通信电子雷达系统、海洋工程高技术装备以及核电海上风电装备的现场维护维保中的应用。
本发明所构筑的带锈涂装防腐蚀涂层具有优异的粘附力，通过喷涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层的粘结强度达到18.2MPa；具有优异的耐腐蚀性能，在240h盐雾试验后的粘附力仍保持于16.5MPa，中性盐雾＞6000h，涂层厚度20-100μm，热带海洋暴露试验＞3年无明显变化，在特种危化管道、涉海通信雷达等领域的现场维护维保工程应用中，可以有效延长部件于海洋气氛工况下的动态防腐蚀寿命。可见，本发明构筑的带锈涂装防腐蚀涂层可使废弃的金属锈蚀表面实现功能绿色再制造，起到“变废为宝”的功效，有望应用于通信电子雷达系统、海洋工程高技术装备及核电海上风电装备领域的现场维护维保，提升装备的可靠性及市场核心竞争力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，将聚氨酯树脂、氟聚合物及有机溶剂协同配比，制成具有一定粘度的带锈涂装防腐蚀涂层前驱体，然后通过喷涂或浸涂的方式涂覆于已锈蚀金属基材表面，制成带锈涂装防腐蚀涂层，利用毛细力将高分子湿膜渗入并贯穿锈层于的微-纳米孔隙中，创新性地制备了一种聚合物-锈层-金属基材的三维空间互穿网络结构的带锈涂装防腐蚀涂层材料，使疏松、钝化的废旧锈层转变为致密、化学稳定的抗腐蚀表面，进而抑制氯离子腐蚀介质的吸附及渗入。采用本发明方法制备的带锈涂装防腐蚀涂层，具有优异的机械力学性能：粘结强度>18MPa，耐中性盐雾>6000h，经涠洲岛热带海洋暴露试验＞3年无明显变化，经带锈涂装可以阻止金属基材-锈层进一步锈蚀恶化，有望应用于海洋高技术装备等领域的现场维护维保中，提升装备的可靠性及竞争力。
附图说明
图1为带锈涂装防腐蚀涂层部件样品(a)及截面微观形貌SEM图(b)；
图2为实施例1的带锈喷涂工艺下带锈涂装防腐蚀涂层的粘结强度(a)及拉拔破坏界面数码图(b)；
图3为实施例2的带锈稀释喷涂工艺下带锈涂装防腐蚀涂层的粘结强度(a)及拉拔破坏界面数码图(b)；
图4为实施例3的带锈浸涂工艺下带锈涂装防腐蚀涂层的粘结强度(a)及拉拔破坏界面数码图(b)；
图5为带锈喷涂工艺下带锈涂装防腐蚀涂层于涠洲岛热带海洋暴露试验3年(a)；暴露前后涂层表面的组成及形貌数码图(b)；
图6为带锈涂装防腐蚀涂层于海洋高技术装备(特种危化管道、涉海通信雷达)现场维护维保工程中的应用，a为管道、法兰系统部件防腐蚀；b为雷达锈蚀导轨自润滑耐磨防腐。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
实施例1一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法及应用效果验证
(1)将丙酮、乙酸乙酯及环己酮以1.2:4.2:1的体积比例混合制成混合溶剂，取氟聚合物(环球化工有限公司)按固含量30-35％(本实施例采用33％)分散于混合溶剂中，并研磨分散72h，取所制备的氟聚合物分散液，按40vol.％氟聚合物固体体积分数将其加入湿汽固化型聚氨酯树脂胶粘剂(上海树脂厂)分散体系中，搅拌均匀后制得带锈涂装防腐蚀涂料，其固含量为35wt.％。
(2)用与步骤(1)相同的混合溶剂稀释涂料，将其粘度控制为17s，另将锈蚀金属基材(Q235锈钢，表面粗糙度约为0.5-1μm，锈层厚度为5-15μm)用丙酮及石油醚等有机溶剂清洗、擦洗直至表面无油污或手印。然后从垂直15cm的距离处，使用W-101喷枪将涂-4杯粘度为17s的涂料(带锈涂装防腐蚀涂料)喷涂到锈蚀金属基材的表面上，间隔5min，重复喷涂4次，湿膜厚度为110μm，随后在25±2℃和相对湿度为50-70％的空气条件下固化60h，得到带锈涂装防腐蚀涂层，采用QNix 4500涂层厚度计测量涂层干膜的厚度为90μm。制备得到的带锈涂装防腐蚀涂层样品如图1(a)所示，其截面微观形貌如图1(b)所示。说明本实施例利用毛细力将高分子湿膜渗入并贯穿于锈层的微-纳米孔隙中，创新性地制备了一种聚合物-锈层-金属基材的三维空间互穿网络结构的带锈涂装防腐蚀涂层材料，使疏松、钝化的废旧锈层转变为致密、化学稳定的抗腐蚀表面，进而抑制氯离子腐蚀介质的吸附及渗入。
根据国标《GB/T 5210-2006色漆和清漆拉开法粘附力试验》的标准，对固化后的带锈涂装防腐蚀涂层进行涂层-铁锈粘结强度测试。用HY-914快速胶粘剂将铝锭以一定压力粘附在涂层试样表面，待胶粘剂固化24h后，用适当特定的工具沿着铝锭边缘切割涂层，然后用型号为F506-20D的粘附力仪将铝锭拔下，以去除锈蚀衬底上的涂层。其结果如图2(a)所示，粘附力为18.2MPa，说明采用带锈喷涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层具有优异的粘附力。
根据《GJB 150.11-86军用设备试验方法盐雾试验》的标准，对所构筑的带锈涂装防腐蚀涂层进行中性盐雾实验，将试样放入Q-Lab中性盐雾试验箱，其中加热箱的温度为35℃，盐水箱的温度为47℃，采用连续喷雾的试验方法，通过粘结强度评价带锈涂装防腐蚀涂层耐中性盐雾的性能。其结果如图2(a)所示，带锈喷涂工艺下，涂层粘附力为18.2MPa，经240h盐雾腐蚀破坏后，该涂层粘结强度仅下降9.6％，约为16.5MPa；如图2(b)所示，涂层拉拔破坏形式为内聚破坏，盐雾测试后转变为界面破坏；说明带锈喷涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层具有优异的耐腐蚀性能。
实施例2一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法及应用效果验证
(1)将丙酮、乙酸乙酯及环己酮以1.1:4:1的体积比例混合制成混合溶剂，取氟聚合物(环球化工有限公司)按固含量30-35％(本实施例采用33％)分散于混合溶剂中，并研磨分散60h，取所制备的氟聚合物分散液，按40vol.％氟聚合物固体体积分数将其加入湿汽固化型聚氨酯树脂胶粘剂(上海树脂厂)分散体系中，搅拌均匀后制得带锈涂装防腐蚀涂料，其固含量为35wt.％。
(2)用与步骤(1)相同的混合溶剂稀释涂料，将其粘度控制为13.3s，另将锈蚀金属基材(Q235锈钢，表面粗糙度约为0.5-1μm，锈层厚度为5-15μm)用丙酮及石油醚等有机溶剂清洗、擦洗直至表面无油污或手印。然后从垂直12cm的距离处，使用W-101喷枪将涂-4杯粘度为13.3s的稀释涂料喷涂到锈蚀金属基材的表面上，间隔5min，重复喷涂3次，湿膜厚度为100μm，随后在25±2℃和相对湿度为50-70％的空气条件下固化50h，得到带锈涂装防腐蚀涂层，采用QNix 4500涂层厚度计测量涂层干膜的厚度为85μm。
根据国标《GB/T 5210-2006色漆和清漆拉开法粘附力试验》的标准，对固化后的带锈涂装防腐蚀涂层进行涂层-铁锈粘结强度测试。用HY-914快速胶粘剂将铝锭以一定压力粘附在涂层试样表面，待胶粘剂固化24h后，用适当特定的工具沿着铝锭边缘切割涂层，然后用型号为F506-20D的粘附力仪将铝锭拔下，以去除锈蚀衬底上的涂层。其结果如图3(a)所示，粘附力为14.2MPa，说明材料带锈喷涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层具有优异的粘附力。
根据《GJB 150.11-86军用设备试验方法盐雾试验》的标准，对所构筑的带锈涂装防腐蚀涂层进行中性盐雾实验，将试样放入Q-Lab中性盐雾试验箱，其中加热箱的温度为35℃，盐水箱的温度47℃，采用连续喷雾的试验方法，通过粘结强度评价带锈涂装防腐蚀涂层耐中性盐雾的性能。其结果如图3(a)所示，带锈喷涂工艺下，涂层粘附力为14.2MPa，经240h盐雾腐蚀破坏后，该涂层粘结强度仅下降13％，约为12.3MPa；如图3(b)所示，涂层盐雾测试前后的拉拔破坏形式均为界面破坏；说明带锈稀释喷涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层具有显著的耐腐蚀性。
实施例3一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法及应用效果验证
(1)将丙酮、乙酸乙酯及环己酮以1:4.2:1的体积比例混合制成混合溶剂，取氟聚合物(环球化工有限公司)按固含量30-35％(本实施例采用33％)分散于混合溶剂中，并研磨分散50h，取所制备的氟聚合物分散液，按40vol.％氟聚合物固体体积分数将其加入湿汽固化型聚氨酯树脂胶粘剂(上海树脂厂)分散体系中，搅拌均匀后制得带锈涂装防腐蚀涂料，其固含量为35wt.％。
(2)用与步骤(1)相同的混合溶剂稀释涂料，将其粘度控制为17s，另将锈蚀金属基材(Q235锈钢，表面粗糙度约为0.5-1μm，锈层厚度为5-15μm)用丙酮及石油醚等有机溶剂清洗、擦洗直至表面无油污或手印。然后将锈蚀金属浸泡在粘度为17s的涂料中，浸泡3min后取出，间隔表干10min后，重复5次浸涂操作，得到带锈涂装防腐蚀涂层湿膜，湿膜厚度为120μm，随后在25±2℃和相对湿度为50-70％的空气条件下固化56h，得到带锈涂装防腐蚀涂层，采用QNix 4500涂层厚度计测量涂层干膜的厚度为95μm。
根据国标《GB/T 5210-2006色漆和清漆拉开法粘附力试验》的标准，对固化后的带锈涂装防腐蚀涂层进行涂层-铁锈粘结强度测试。用HY-914快速胶粘剂将铝锭以一定压力粘附在涂层试样表面，待胶粘剂固化24h后，用适当特定的工具沿着铝锭边缘切割涂层，然后用型号为F506-20D的粘附力仪将铝锭拔下，以去除锈蚀衬底上的涂层。其结果如图4(a)所示，粘附力为16.7MPa，说明采用带锈喷涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层具有优异的粘附力。
根据《GJB 150.11-86军用设备试验方法盐雾试验》的标准，对所构筑的带锈涂装防腐蚀涂层进行中性盐雾实验，将试样放入Q-Lab中性盐雾试验箱，其中加热箱的温度为35℃，盐水箱的温度为47℃，采用连续喷雾的试验方法，通过粘结强度评价带锈涂装防腐蚀涂层耐中性盐雾的性能。其结果如图4(a)所示，带锈喷涂工艺下，涂层粘附力为16.7MPa，经240h盐雾腐蚀破坏后，该涂层粘结强度仅下降9％，约为15.2MPa；如图4(b)所示，涂层盐雾测试前后的拉拔破坏形式均为内聚破坏；说明带锈浸涂工艺制备的带锈涂装防腐蚀涂层具有显著的耐腐蚀性。
实验例1带锈涂装防腐蚀涂层的实际应用效果验证
为了验证带锈涂装防腐蚀涂层的经济实用性，利用实施例1的方法制备厚度为50-60μm的带锈涂装防腐蚀涂层，然后利用北海涠洲岛热带海洋暴露试验站，考察涂层于高温、高湿、高盐、强紫外、强台风的热带海洋环境的防腐蚀寿命(图5(a))。经3年暴露试验，其厚度为50-60μm的涂层表面组成无明显变化、无锈蚀、无脱落(图5(b))。同时，选用中国某储罐区使用两年的生锈管道系统作为现场带锈涂装维护维保工程的应用对象，将带锈涂装防腐蚀涂料喷涂或刷涂到生锈管道和法兰外表面，涂层厚度约95μm，目前已防止约2000m2的管路和法兰锈蚀表面进一步腐蚀，且3年运行良好(如图6(a)所示)。此外，针对某航空航天涉海雷达滑轨关键部件的摩擦腐蚀技术瓶颈，将带锈涂装防腐蚀涂料喷涂或刷涂到锈蚀滑轨表面，其涂层厚度约30μm，该涂层具有自润滑耐磨功效，有效延长了其部件于海洋气氛工况下的动态防腐蚀寿命(如图6(b)所示)。上述试验结果进一步说明，本发明构筑的带锈涂装防腐蚀涂层有望应用于通信电子雷达系统、海洋工程高技术装备及核电海上风电装备领域的现场维护维保中，提升装备的可靠性及市场核心竞争力。
综上可见，本发明创新性制备了一种聚合物-锈层-金属基材的三维空间互穿网络结构的带锈涂装防腐蚀涂层，该涂层的粘附力>18.2MPa，中性盐雾腐蚀>6000h，热带海洋暴露试验＞3年无明显变化，具有优异的粘附力以及耐腐蚀性能，在通信电子雷达系统、海洋工程高技术装备及核电海上风电装备领域的现场维护维保中具有非常重要的应用前景。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将氟聚合物分散于由丙酮、乙酸乙酯及环己酮组成的混合溶剂中，研磨分散48-72h后制成氟聚合物分散液；
S2、将取步骤S1制备的氟聚合物分散液加入到湿汽固化型聚氨酯树脂胶粘剂分散体系中，均匀制得带锈涂装防腐蚀涂料；
S3、将步骤S2的带锈涂装防腐蚀涂料涂覆在已锈蚀金属基材表面，制得涂层湿膜，所得涂层湿膜经过常温固化后制得带锈涂装防腐蚀涂层。
2.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述丙酮、乙酸乙酯及环己酮的体积比为1-1.2:4-4.3:1。
3.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述氟聚合物分散液中，氟聚合物的体积分数为30-42vol.％。
4.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述带锈涂装防腐蚀涂料中，涂料的固含量为30-40wt.％，涂-4杯粘度为15-20s。
5.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述常温固化的相对湿度为10-100％，时间为48-72h。
6.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，固化后的带锈涂装防腐蚀涂层的厚度为20-100μm。
7.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，已锈蚀金属基材选自Q235锈钢，表面粗糙度约为0.5-1μm，锈层厚度为5-15μm。
8.根据权利要求1所述的一种带锈涂装防腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方法包括喷涂、浸涂、稀释喷涂或超声浸涂。
9.采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的带锈涂装防腐蚀涂层。
10.权利要求9所述的带锈涂装防腐蚀涂层在通信电子雷达系统、海洋工程高技术装备以及核电海上风电装备的现场维护维保中的应用。
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