CN101328387A - 一种改性自固化型无铬锌基防腐涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种改性自固化型无铬锌基防腐涂料，由改性基料、颜料两种组分混合配制而成：按质量分数计，所述改性基料的组分和含量：硅溶胶：37.3％－53.6％；氢氧化钾：4.1％－5.7％；硅丙乳液：9.0％－13.2％；颜料分散剂：0.3％－1.0％；成膜助剂：0.2％－1.1％；高效水性涂料消泡剂：0.05％－0.2％；其余为去离子水或蒸馏水。按质量分数计，所述颜料的组分和含量：鳞片状锌粉：10.1％－24.2％。一种改性自固化型无铬锌基涂料的制备方法，包括：改性基料的制备、涂料的制备。依照本发明所提供方法制得的自固化型无铬锌基涂料具有高耐蚀性能、绿色环保、低能耗等有益效果。

Description

一种改性自固化型无铬锌基防腐涂料及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及金属表面绿色防腐涂料技术，具体为一种改性自固化型无铬锌基防腐涂料及其制备方法。

二、背景技术

由于富锌涂料具有良好的耐候性和可焊接性，现已成为金属表面保护最普遍、最重要的底漆，被广泛应用于大气、海洋环境中的桥梁、船舶、储罐、输油管道、户外钢结构等的防腐。富锌涂层属牺牲型涂层，借助锌粉的强活性可对铁基体起到阴极保护作用，锌粉腐蚀后产物又可填充漆膜的孔隙、封闭涂膜的损伤部位起到屏蔽腐蚀介质的作用，因此尽管富锌涂层很薄仍可较好地阻止钢铁的锈蚀。

与工艺成熟的传统热喷锌相比，富锌涂料具有工艺简单、操作灵活、涂层孔隙率低等突出优势。富锌涂层中球形锌粉用量一般在85％-90％之间才能起到很好的电化学保护作用，而基料用量少将难以保证成膜物的黏结性。根据成膜基料不同，可将富锌涂料分为有机富锌涂料和无机富锌涂料。无机成膜物以硅酸盐为主，并具有水溶性，有利于环境保护，其缺点是干燥慢、固化受温度和湿度影响较大。

二十世纪七十年代初，美国开发出了片状锌基铬盐防护涂层技术，即达克罗技术，该涂层是将片状锌粉和铝粉、铬酐、润湿剂、分散剂、还原剂、去离子水及其他助剂组成的混合液搅拌均匀后涂敷于工件表面，然后在300℃下固化而成的。与球状粉相比，片状锌粉在涂膜中平行交叠排列，大大减少了水和腐蚀介质在涂膜中的渗透，相同涂覆面积、防腐性能的片状锌粉用量仅为球状锌粉的1/3～1/2。由于达克罗技术与电镀锌和热浸镀锌相比，具有污染小、高耐蚀、无氢脆、润滑性等优点，因此在汽车领域得到了相当广泛的应用。目前达克罗涂层技术在国际上发展迅速，其应用已扩展到医药、电力、石油化工及军工行业，三十多个国家具有达克罗技术专利权。然而，达克罗涂层仍然存在六价铬污染问题。欧盟1999年制定的EOLVD车辆报废条例就对六价铬的含量进行了严格限制。欧洲2000/53/EG中规定，从2003年7月1日起，在欧洲生产和销售的每辆汽车中，六价铬(Cr⁶⁺)的含量不得超过2g。2002年6月27日欧洲修改了2000/53/EG中的规定，规定从2007年7月1日起汽车上使用的防腐涂层中不允许含有Cr⁶⁺，世界上工业发达国家的汽车行业中许多品牌车辆亦率先制定了无铬涂层的技术标准。

随着人们环境保护意识的增强，对重金属和含挥发性有机溶剂的限制越来越严格，无铬锌基涂料(俗称无铬达克罗)，尤其是水性富锌涂料，将成为绿色防腐涂料行业发展的主流，并逐渐应用到诸多工业领域中金属结构及零部件的腐蚀防护。针对水性无机富锌涂料的实际开发与应用现况，目前应重点解决以下几个问题：(1)以基料的选择、改性为重点，以获得耐蚀性、耐冲击性、柔韧性、自固化性更佳、满足更广泛应用的涂层；(2)以颜料的选择、形态、改性为重点，从而获得特殊性能提高的涂层。

三、发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高耐蚀性能、绿色环保、低能耗的自固化型无铬锌基涂料及其制备方法。

技术方案：一种改性自固化型无铬锌基防腐涂料，由改性基料、颜料两种组分混合配制而成：按质量分数计，所述改性基料的组分和含量：硅溶胶：37.3％-53.6％；氢氧化钾：4.1％-5.7％；硅丙乳液：9.0％-13.2％；颜料分散剂：0.3％-1.0％；成膜助剂：0.2％-1.1％；高效水性涂料消泡剂：0.05％-0.2％；去离子水或蒸馏水：其余。按质量分数计，所述颜料的组分和含量：鳞片状锌粉：10.1％-24.2％。

上述的硅溶胶为固含量24wt％-25wt％、稳定剂Na₂O含量0.3wt％、pH9.0-9.5的硅溶胶。

上述的硅丙乳液为玻璃化温度36℃、最低成膜温度31℃、固含量48±2％、pH7.0-9.0的硅丙乳液。

上述的颜料分散剂为固含量40％、pH8.0的水性颜料分散剂。

上述的消泡剂为固含量100％、比重0.85-0.93的水性涂料消泡剂。

上述的鳞片状锌粉的片厚是0.1μm-0.3μm、片径是5μm-8μm。

一种改性自固化型无铬锌基涂料的制备方法：

改性基料的制备工艺：按质量分数计，将硅溶胶37.3％-53.6％、氢氧化钾4.1％-5.7％、蒸馏水1％-19.5％投入容器中搅拌反应，获得高模数硅酸钾溶液后，加入有机硅丙乳液9.0％-13.2％、高效水性涂料消泡剂0.05％-0.2％、成膜助剂0.2％-1.1％、水性颜料分散剂0.3％-1.0％和蒸馏水0％-19.55％搅拌分散均匀，即得到有机乳液改性基料；涂料的制备：将质量分数10.1％-24.2％的鳞片状锌粉加入改性基料中，充分搅拌10min-40min，用蒸馏水调节涂料黏度，80目标准筛过滤后即得到无铬锌基防腐涂料；涂料的固化：将除油除锈干净的金属试样喷砂后，室温浸涂1min-5min，漆膜在室温下放置20min即可表干，自固化20min～24h后可形成附着力强、耐盐雾、耐水、耐高温的无铬锌基耐蚀涂层。

有益效果：

1、本发明的锌基防腐涂料中改性基料组分中使用硅溶胶和氢氧化钾反应的方法制备模数为5的高模数硅酸钾溶液，此方法操作简单，获得的溶液稳定，储存0d-5d溶液的黏度无大变化，用涂-4粘度计测，维持在10s-19s；且溶液的浓度可用蒸馏水调节，从5wt％-30wt％。

2、本发明的涂料所用的改性硅酸盐溶液，含有硅醇键，在固化时不仅和颜料中的锌可以生成化学键、靠近基体的硅醇键还和基体上的铁元素反应生成化学键，从而形成的涂层与基体之间的结合力不仅包括传统的范德华力、机械螯合力，还包括化学键力，故而涂层和基体结合得更加牢固，粘结强度从传统富锌涂层的3-4级可以提高到0-1级。

3、本发明中用硅丙乳液对高模数硅酸钾溶液进行改性，使鳞片状锌粉分散变得容易，一般搅拌5min-30min即可得到均匀涂料；改性后的涂料的成膜性更佳，采用浸涂方式涂覆试件时，试样表面无流挂、漏涂、针孔等缺陷；另外，涂层的物理性能如粘结强度得到提高，可以达到0级；有机乳液加入后，和无机硅酸盐溶液相互贯穿结合，形成致密的涂层，涂层的耐蚀性提高，阴极保护作用试验中耐中性盐雾96h后涂层完好，耐酸性也提高一倍。

4、本发明使用改性硅酸钾溶液为粘结剂取代达克罗中的铬酸盐，实现了涂料和涂层的完全无铬化，成为真正的生态环保涂料。

5、本发明的涂料所采用的粘结剂，含有高模数的硅酸钾溶液，将其与颜料金属锌在一定的空气湿度(不高于85％)和温度(5℃-40℃)下配制成涂料，常温浸涂1min-5min，金属表面漆膜在室温下放置20min即可表干，20min-24h内即可完全自固化，无需在高温烘烤，形成的涂层与基体结合牢固、能对基体起到良好保护作用，很大程度上节约了能源。

6、本发明的涂料以蒸馏水为溶剂，不同于传统的溶剂性涂料，不会向空气中挥发任何有害物质，也大大节约了能源；另外，涂料的黏度可以通过蒸馏水来调节，从而可以控制涂层的厚度以及选择涂覆的方式。

7、本发明的涂料所用的颜料是片厚(0.1μm-0.3μm)、片径(5μm-8μm)都很小的鳞片状锌粉，与球状锌粉(颜料浓度85％-90％)相比，可以大大降低颜料的含量到10.1％-24.2％，节约成本；形成的涂层是多层锌粉叠加而成，涂层的屏蔽效果更好，从而涂层的耐蚀性更高；且鳞片状锌粉的漂浮性好，在涂料中不易沉淀，可以更容易分散均匀，涂料性质更加稳定。

四、具体实施方式

以下实施例所用试剂：

TH30-B硅溶胶	南京通海科技有限公司
		KR-237硅丙乳液	南京康怡达涂料化工有限公司
TH-400水性颜料分散剂	南京通海科技有限公司
		TH-504水性涂料高效消泡剂	南京通海科技有限公司
鳞片状锌粉	泰州科创高分子有限公司

实施例1

改性基料的制备，按质量分数计，称取37.3％的硅溶胶(固含量25％)、4.1％的氢氧化钾、19.5％的蒸馏水加入三口烧瓶中，在恒温50℃-60℃下搅拌10min，之后与9.0％的硅丙乳液混合，搅拌40min，加入0.2％的成膜助剂和0.05％的消泡剂及0.3％的分散剂，充分搅拌60min，静置2h后，得到乳白色的分散均匀的改性基料。

使用时，称取质量分数10.0％的鳞片状锌粉，在搅拌的情况下慢慢加入基料中，搅拌50min后，用19.55％的蒸馏水调节涂料的黏度，用80目的标准筛过滤，即得到锌基防腐涂料。将除油除锈干净的试件喷砂后，浸入涂液中1min-5min，取出自然沥干，在试件表面形成均匀无流挂的涂膜。

涂膜在室温下20min即可表干，24h后涂层实干，形成的涂层厚度在35μm左右，涂层划格试验粘结强度达到0级，与基体粘结牢固，耐盐雾能力达到500h，耐高温400℃24h涂层完好，耐水性测试40℃240h涂层完好。

实施例2

改性基料的制备，按质量分数，取40.5％的硅溶胶、4.3％的氢氧化钾、14.7％的蒸馏水加入三口烧瓶中，在恒温50℃-60℃下，电动搅拌10min，之后与9.7％的硅丙乳液混合，电动搅拌30min，加入0.5％的成膜助剂和0.09％的消泡剂及0.5％的分散剂，充分搅拌60min，静置2h，即得到分散均匀的乳白色硅丙乳液改性基料。

使用时，称取质量分数13.3％的鳞片状锌粉，在搅拌的情况下慢慢加入基料中，搅拌30min后，用16.41％的蒸馏水调节涂料的黏度，用80目的标准筛过滤，即得到锌基防腐涂料。将除油除锈干净的试件喷砂后，浸入涂液中1min-5min，取出自然沥干，在试件表面形成均匀无流挂的涂膜。

该涂膜在室温下20min即可表干，24h后涂层实干，形成的涂层厚度在50μm左右，涂层划格试验粘结强度达到0级，与基体粘结牢固，耐盐雾能力达到800h，耐高温400℃24h涂层完好，耐水40℃240h涂层完好。

实施例3

改性基料的制备，按质量分数计，取41.5％的硅溶胶、5.1％的氢氧化钾、9.42％的蒸馏水加入三口烧瓶中，在恒温50℃-60℃下，电动搅拌10min，之后与10.6％的硅丙乳液混合，电动搅拌30min，加入0.7％的成膜助剂和0.13％的消泡剂及0.65％的分散剂，充分搅拌60min，静置2h，即得到分散均匀的乳白色硅丙乳液改性基料。

使用时，称取质量分数17.4％的鳞片状锌粉，在搅拌的情况下慢慢加入基料中，搅拌20min后，用14.5％的蒸馏水调节涂料的黏度，用80目的标准筛过滤，即得到锌基防腐涂料。将除油除锈干净的试件喷砂后，浸入涂液中1min-5min，取出自然沥干，在试件表面形成均匀无流挂的涂膜。

该涂膜在室温下20min即可表干，24h后涂层实干，形成的涂层厚度在80μm左右，涂层划格试验粘结强度达到0级，与基体粘结牢固，耐盐雾能力达到1000h，耐高温400℃24h涂层完好，耐水40℃240h涂层完好。

实施例4

改性基料的制备，按质量分数，取46.5％硅溶胶、5.4％的氢氧化钾、3.45％的蒸馏水加入三口烧瓶中，在恒温50℃-60℃下，电动搅拌10min，之后与11.7％的硅丙乳液混合，电动搅拌30min，加入0.95％的成膜助剂和0.16％的消泡剂及0.84％的分散剂，充分搅拌60min，静置2h，即得到分散均匀的乳白色硅丙乳液改性基料。

使用时，称取质量分数21.3％的鳞片状锌粉，在搅拌的情况下慢慢加入基料中，搅拌15min后，用9.7％的蒸馏水调节涂料的黏度，用80目的标准筛过滤，即得到锌基防腐涂料。将除油除锈干净的试件喷砂后，浸入涂液中1min-5min，取出自然沥干，在试件表面形成均匀无流挂的涂膜。

该涂膜在室温下20min即可表干，24h后涂层实干，形成的涂层厚度在100μm左右，涂层划格试验粘结强度达到0级，与基体粘结牢固，耐盐雾能力达到1300h，耐高温400℃24h涂层完好，耐水40℃240h涂层完好。

实施例5

改性基料的制备，按质量分数计，取53.6％的硅溶胶、5.7％的氢氧化钾、1％的蒸馏水加入三口烧瓶中，在恒温50℃-60℃下，电动搅拌10min，之后与13.2％的硅丙乳液混合，电动搅拌30min，加入1.1％的成膜助剂和0.2％的消泡剂及1.0％的分散剂，充分搅拌60min，静置2h，即得到分散均匀的乳白色硅丙乳液改性基料。

使用时，称取质量分数24.2％的鳞片状锌粉，在搅拌的情况下慢慢加入基料中，搅拌10min后，用80目的标准筛过滤，即得到锌基防腐涂料。将除油除锈干净的试件喷砂后，浸入涂液中1min-5min，取出自然沥干，在试件表面形成均匀无流挂的涂膜。

该涂膜在室温下20min即可表干，24h后涂层实干，形成的涂层厚度在120μm左右，涂层划格试验粘结强度达到0级，与基体粘结牢固，耐盐雾能力达到1600h，耐高温400℃24h涂层完好，耐水40℃240h涂层完好。

本发明的改性自固化无铬锌基防腐涂料具有多种保护功能，耐蚀性高，具有高的抗划伤和自愈合能力；有优异的耐水、耐酸、耐高温性；以水为溶剂对环境无污染；涂层常温自固化，能耗低；不含有铬的粘结剂，对环境和人体无伤害，可以取代达克罗涂层的某些用途。由于该涂料安全环保、制备方法简便、能源消耗少、成本低，其突出的生态、节能特性及防腐、耐水、耐高温性能，将推动其广泛应用于大气、海洋环境中的桥梁、船舶、储罐、输油管道等大型户外金属结构的表面防腐，应用前景良好。

Claims (7)

1.一种改性自固化型无铬锌基防腐涂料，其特征在于：由改性基料、颜料两种组分混合配制而成，各组分组成为：

a.按质量分数计，上述改性基料的组分和含量：

硅溶胶                  37.3％-53.6％

氢氧化钾                4.1％-5.7％

硅丙乳液                9.0％-13.2％

颜料分散剂              0.3％-1.0％

成膜助剂                0.2％-1.1％

高效水性涂料消泡剂      0.05％-0.2％

去离子水或蒸馏水        其余

b.按质量分数计，上述颜料的组分和含量：

鳞片状锌粉              10.1％-24.2％。

2.根据权利要求1所述的改性自固化型无铬锌基防腐涂料，其特征在于：

所述的硅溶胶为固含量24wt％-25wt％、稳定剂Na₂O含量0.3wt％、pH9.0-9.5的硅溶胶。

3.根据权利要求1所述的改性自固化型无铬锌基防腐涂料，其特征在于：

所述的硅丙乳液为玻璃化温度36℃、最低成膜温度31℃、固含量48±2％、pH7.0-9.0的硅丙乳液。

4.根据权利要求1所述的改性自固化型无铬锌基防腐涂料，其特征在于：

所述的颜料分散剂为固含量40％、pH8.0的水性颜料分散剂。

5.根据权利要求1所述的改性自固化型无铬锌基防腐涂料，其特征在于：

所述的高效水性涂料消泡剂为固含量100％、比重0.85-0.93的水性涂料消泡剂。

6.根据权利要求1所述的改性自固化型无铬锌基防腐涂料，其特征在于：

所述的鳞片状锌粉的片厚是0.1μm-0.3μm、片径是5μm-8μm。

7.一种改性自固化型无铬锌基涂料的制备方法，其特征在于：

a.改性基料的制备工艺：按质量分数，将硅溶胶37.3％-53.6％、氢氧化钾4.1％-5.7％投入容器中搅拌反应，获得高模数硅酸钾溶液后，加入有机硅丙乳液9.0％-13.2％、高效水性涂料消泡剂0.05％-0.2％、成膜助剂0.2％-1.1％、水性颜料分散剂0.3％-1.0％和其余蒸馏水搅拌分散均匀，即得到有机乳液改性基料；

b.涂料的制备：将质量分数10.1％-24.2％的鳞片状锌粉加入改性基料中，充分搅拌10min-40min，用蒸馏水调节涂料黏度，80目标准筛过滤后即得到无铬锌基涂料。