CN202071468U - 一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板 - Google Patents

一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板。它包括面涂层、碳纳米管增强的底涂层、第一化学转换层、第一镀锌或镀铝锌层、基板、第二镀锌或镀铝锌层、第二化学转换层和碳纳米管增强的背涂层；基板上表面从下到上顺次设有第一镀锌或镀铝锌层、第一化学转换层、碳纳米管增强的底涂层和面涂层；基板下表面从上到下顺次设有第二镀锌或镀铝锌层、第二化学转换层、碳纳米管增强的背涂层。本实用新型通过对钢板彩色涂层进行碳纳米管增强改性，制备了高硬度涂层钢板，具有良好的弯曲加工性能，在各种复杂加工条件下，涂层不开裂、不剥离。

Description

一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板
技术领域
本实用新型涉及材料技术领域，具体的说，涉及一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板。
背景技术
彩色涂层钢板是指在基板上带有有机涂层的钢板，一般简称为彩涂板。彩色涂层钢板具有耐蚀性好，色彩鲜艳，外观美观，加工成型方便，强度高，成本较低等优点，广泛用于建筑家电和交通运输等行业，特别是建筑业，主要用做钢结构厂房、机场、库房和冷库等工业及商业建筑的屋顶墙面和门等。
经过二十多年的发展历史，彩色涂层钢板行业在我国得到极大发展，其产量以每年平均40％的速度增长，我国已成为世界彩色涂层钢板生产大国。但我国的彩钢产品的质量还处于低端，其耐久性、表观性以及功能性与国外同类产品还有一定的差距。传统彩色涂层钢板是以镀锌或镀铝锌基板为基材，经预处理脱脂、涂化学转化膜、涂底涂层/背涂层、涂面涂层后二次烘烤而成。普通彩色涂层钢板以环氧或聚酯或聚氨酯树脂作为底涂层的主要成膜物质，以聚酯或硅改性树脂或其他树脂作为面涂层的主要成膜物质。根据产品用途的不同对底涂层和面涂层成分相应搭配以满足不同使用场合对涂膜的性能要求。
随着经济的发展和生活水平的提高，彩色涂层钢板的应用领域不断扩大，高档彩色涂层钢板已被用于部分电器如机顶盒、部分家电用板如冰箱冷柜背侧板、太阳能热水器集水箱等。但传统的家电用彩色涂层钢板，因其漆膜较软而在加工或使用过程中极易损坏。因此，家电板使用的涂层钢板要求漆膜具有优异的机械性能，制备高硬度的涂层钢板能够克服这一问题。
碳纳米管是一类具有完美石墨结构的管形碳材料，直径一般从几个纳米到几十个纳米。碳纳米管以其较低的相对密度（仅为钢的1/6）、极高的拉伸强度（50-200 Gpa，是钢的100倍）、极高的弹性模量（高达600 Gpa）成为理想的增强材料，引起了研究人员的广泛关注。但由于碳纳米管具有巨大的比表面积，相互之间存在十分强的团聚作用，碳纳米管多以大量单根碳纳米管并排形成的束状形式存在，使得碳纳米管几乎不溶于所有的溶剂，致使碳纳米管作为增强材料很难分散在基体材料中。同时很难与基体材料形成有效的界面结合和实现有效的承载转换，这极大地限制了碳纳米管的实际应用。本实用新型以表面含胺基的碳纳米管作为增强材料添加到环氧树脂中，碳纳米管表面的胺基使之具有良好的分散性，防止团聚；同时还可在环氧树脂固化过程充当部分固化剂的作用，与环氧基团形成共价键，从而提高碳纳米管与环氧基体之间的结合力。制备碳纳米管增强的环氧树脂作为彩色涂层钢板的底涂层和背涂层，制备高硬度涂层钢板，可提高涂层的弯曲加工性能。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板。
碳纳米管增强的高硬度涂层钢板包括面涂层、碳纳米管增强的底涂层、第一化学转换层、第一镀锌或镀铝锌层、基板、第二镀锌或镀铝锌层、第二化学转换层和碳纳米管增强的背涂层；基板上表面从下到上顺次设有第一镀锌或镀铝锌层、第一化学转换层、碳纳米管增强的底涂层和面涂层；基板下表面从上到下顺次设有第二镀锌或镀铝锌层、第二化学转换层、碳纳米管增强的背涂层。
所述的第一化学转换层和第二化学转换层的材料为铬酸盐皮膜。所述碳纳米管增强的底涂层和碳纳米管增强的背涂层的材料是重量百分含量为5～10％碳纳米管增强改性的环氧树脂。所述碳纳米管增强的底涂层的厚度为4～6 μm。所述碳纳米管增强的背涂层的厚度为5～12 μm。所述面涂层的材料为聚酰胺改性聚酯树脂。所述面涂层的厚度为15～20 μm。
本实用新型通过采用碳纳米管增强改性的环氧树脂作为底涂层和背涂层，制备一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其优点主要有：具有良好的弯曲加工性能，在各种复杂加工条件下，涂层不开裂、不剥离。而且本实用新型的制备方法简单有效，非常适合于大工业生产。
附图说明
图1是碳纳米管增强的高硬度涂层钢板剖面结构示意图；
图中，面涂层1、碳纳米管增强的底涂层2、第一化学转换层3、第一镀锌或镀铝锌层4、基板5、第二镀锌或镀铝锌层6、第二化学转换层7、碳纳米管增强的背涂层8。
具体实施方式
如图1所示，碳纳米管增强的高硬度涂层钢板包括面涂层1、碳纳米管增强的底涂层2、第一化学转换层3、第一镀锌或镀铝锌层4、基板5、第二镀锌或镀铝锌层6、第二化学转换层7和碳纳米管增强的背涂层8；基板5上表面从下到上顺次设有第一镀锌或镀铝锌层4、第一化学转换层3、碳纳米管增强的底涂层2和面涂层1；基板5下表面从上到下顺次设有第二镀锌或镀铝锌层6、第二化学转换层7、碳纳米管增强的背涂层8。
所述的第一化学转换层3和第二化学转换层7的材料为铬酸盐皮膜。所述碳纳米管增强的底涂层2和碳纳米管增强的背涂层8的材料是重量百分含量为5～10％碳纳米管增强改性的环氧树脂。所述碳纳米管增强的底涂层2的厚度为4～6 μm。所述碳纳米管增强的背涂层8的厚度为5～12 μm。所述面涂层1的材料为聚酰胺改性聚酯树脂。所述面涂层1的厚度为15～20 μm。
本实用新型所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，以镀锌或镀铝锌基板为基材，采用以下步骤制备：1）喷淋脱脂；2）涂敷化学转化膜，烘干；3）辊涂碳纳米管增强改性的环氧树脂作为底漆、背漆，烘烤；4）辊涂聚酰胺改性聚酯树脂作为面漆，烘烤成型。
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
实施例1
（1）制备羧基化的碳纳米管（CNT-COOH）：在250 ml的烧瓶中加入5 g碳纳米管（CNT）和100 ml的浓硝酸，进行超声处理30 min。然后，在磁力搅拌下回流24 h。反应后，将回流后的液体冷却至室温，然后转移至大烧杯，并用200 ml去离子水进行稀释，以结束反应。稀释后的液体用0.22μm微孔滤膜进行真空抽滤，并用蒸馏水洗至滤液呈中性。收集滤纸上的产物，在60 ℃真空烘箱干燥12h，得到羧基化的碳纳米管（CNT-COOH）。红外结果证实所制得的产物具有预期的结果；
（2）制备胺基化的碳纳米管（CNT-NH2）：将4.5 g干燥后的CNT-COOH和10 ml亚硫酰氯加入至250 ml三颈瓶中在150 ℃下搅拌4 h，减压抽干溶剂。在得到的干燥的CNT-COCl中加入200 ml无水1，3-丁二胺在80 ℃下搅拌48 h。产物纯化和后处理：产物用0.22μm微孔滤膜进行过滤。然后用四氢呋喃（THF）洗5～6遍。收集滤纸上的产物，在100 ℃真空烘箱干燥12 h。得到4.4 g胺基化的碳纳米管（CNT-NH2）。红外结果证实所制得的产物具有预期的结果；
（3）将4 g表面胺基化的碳纳米管溶于50 mL丙酮中超声分散后，加入76 g环氧树脂及固化剂，磁力搅拌均匀，并搅拌均匀，升温至50°C。减压抽除溶剂，将混合液于真空下脱泡待用。这种重量百分含量为5％的碳纳米管增强改性的环氧树脂作为彩色钢板的底涂层和背涂层；
（4）采用镀铝锌基板为基材，一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板的连续自动化生产工艺流程如下所示：
开卷→喷淋脱脂→三道水洗→化学转化膜→烘干→底涂/背涂→烘烤→冷却Ⅰ→面涂→烘烤→冷却Ⅱ→检验→收卷；
喷淋脱脂采用碱性脱脂法，主要成分为氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠、硅酸钠等以及表面活性剂组成，槽液温度控制在55±5℃；喷淋压力2.0kg/cm2；有效喷淋时间为10秒； 
三道水洗中，第一、二道采用软化水，第三道水洗采用去离子水以保证基板表面清洁度；
涂敷铬酸盐皮膜形成第一化学转化膜和第二化学转换膜，烘干温度为80℃；
以步骤（3）中制备的碳纳米管增强改性的环氧树脂作为彩色钢板的底涂层和背涂层，控制底涂层/背涂层的烘烤温度为PMT224～232℃，底涂层厚度为4μm，背涂层厚度为5μm；
以聚酰胺改性聚酯树脂作为面涂层，面涂层烘烤温度为PMT216～224℃，面涂层厚度为15 μm；
（5）对碳纳米管增强的高硬度涂层钢板进行弯曲强度试验，按照彩色涂层钢板及钢带试验方法国家标准（GB/T13448―2006），测定T弯为0级。
实施例2
（1）制备羧基化的碳纳米管（CNT-COOH）：在250 ml的烧瓶中加入5 g碳纳米管和30 ml的浓硝酸，进行超声处理48 h。然后，在磁力搅拌下回流80 h。反应后，将回流后的液体冷却至室温，然后转移至大烧杯，并用200 ml去离子水进行稀释，以结束反应。稀释后的液体用0.22μm微孔滤膜进行真空抽滤，并用蒸馏水洗至滤液呈中性。收集滤纸上的产物，在120 ℃真空烘箱干燥10 h，得到羧基化的碳纳米管（CNT-COOH）。红外结果证实所制得的产物具有预期的结果；
（2）制备胺基化的碳纳米管（CNT-NH2）：将4.5 g干燥后的CNT-COOH和25 ml三溴化磷加入至250 ml三颈瓶中在150 ℃下搅拌4 h，减压抽干溶剂。在得到的干燥的CNT-COBr中加入200 ml无水乙二胺在80 ℃下搅拌48 h。产物纯化和后处理：产物用0.22μm微孔滤膜进行过滤。然后用四氢呋喃（THF）洗5～6遍。收集滤纸上的产物，在100 ℃真空烘箱干燥12 h。得到4 g胺基化的碳纳米管（CNT-NH2）。红外结果证实所制得的产物具有预期的结果；
（3）将4 g表面胺基化的碳纳米溶于50 mL丙酮中超声分散后，加入36 g环氧树脂及固化剂，磁力搅拌均匀，并搅拌均匀，升温至50°C。减压抽除溶剂，将混合液于真空下脱泡待用。这种重量百分含量为10％的碳纳米管增强改性的环氧树脂作为彩色钢板的底涂层和背涂层；
（4）采用镀铝锌基板为基材，一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板的连续自动化生产工艺流程如下所示：
开卷→喷淋脱脂→三道水洗→化学转化膜→烘干→底涂/背涂→烘烤→冷却Ⅰ→面涂→烘烤→冷却Ⅱ→检验→收卷；
涂敷铬酸盐皮膜形成第一化学转化膜和第二化学转换膜，烘干温度为100℃；
以步骤（3）中制备的碳纳米管增强改性的环氧树脂作为彩色钢板的底涂层和背涂层，控制底涂层/背涂层的烘烤温度为PMT224～232℃，底涂层厚度为6μm，背涂层厚度为12μm；
以聚酰胺改性聚酯树脂作为面涂层，面涂层烘烤温度为PMT216～224℃，面涂层厚度为20μm；
（5）对碳纳米管增强的高硬度涂层钢板进行弯曲强度试验，按照彩色涂层钢板及钢带试验方法国家标准（GB/T13448―2006），测定T弯为0级。

Claims (7)

1.一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于包括面涂层（1）、碳纳米管增强的底涂层（2）、第一化学转换层（3）、第一镀锌或镀铝锌层(4)、基板(5)、第二镀锌或镀铝锌层(6)、第二化学转换层(7)和碳纳米管增强的背涂层(8)；基板(5)上表面从下到上顺次设有第一镀锌或镀铝锌层(4)、第一化学转换层(3)、碳纳米管增强的底涂层(2)和面涂层(1)；基板(5)下表面从上到下顺次设有第二镀锌或镀铝锌层（6）、第二化学转换层（7）、碳纳米管增强的背涂层（8）。
2.如权利要求1所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于所述的第一化学转换层（3）和第二化学转换层（7）的材料为铬酸盐皮膜。
3.如权利要求1所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于所述碳纳米管增强的底涂层（2）和碳纳米管增强的背涂层（8）的材料是重量百分含量为5～10％碳纳米管增强改性的环氧树脂。
4.如权利要求1所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于所述碳纳米管增强的底涂层（2）的厚度为4～6 μm。
5.如权利要求1所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于所述碳纳米管增强的背涂层（8）的厚度为5～12 μm。
6.如权利要求1所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于，所述面涂层（1）的材料为聚酰胺改性聚酯树脂。
7.如权利要求1所述的一种碳纳米管增强的高硬度涂层钢板，其特征在于所述面涂层（1）的厚度为15～20 μm。
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