CN108473790A - 水基富锌预构造底漆 - Google Patents

Abstract

用于金属基材的水基双组分底漆至少包含以约1:3的比例混合的第一部分和第二部分。底漆的第一部分可以基本不含挥发性有机化合物，并且所述第一部分包含：以第一部分的总重量为基准计，含量为约20重量％至80重量％的胶体二氧化硅；硅烷偶联剂，其选自环氧硅烷、巯基硅烷和具有对环氧基团有活性的官能团的改性硅烷，以第一部分的重量为基准计，所述硅烷偶联剂的量为约0.05重量％至约15重量％；以及含量为约0.1重量％至约2重量％的纤维素醚。第二部分可以包含约50重量％的锌粉。底漆可以是常规可喷涂的，用于大型造船操作。

Description

水基富锌预构造底漆

相关申请

本申请要求2015年5月22日提交的题为“水基无机富锌的可焊接预构造底漆”的美国临时申请号62/165,677的优先权。

发明领域

本发明涉及用于涂敷金属基材的富锌底漆涂料组合物，例如，所述金属基材为在造船、石油化工储罐构建、水储存和处理储罐制造、以及结构钢材中使用的那些金属基材。更具体地，富锌底漆涂料组合物是水基富锌可焊接预构造底漆几乎不含有乃至不含有挥发性有机化合物(VOC)或有机乳胶树脂，为终端使用者在VOC或有害空气污染物(HAPS)排放受限的设备中提供增加的灵活性。

背景技术

通常，用于对在造船中使用的预构造金属基材进行涂敷的底漆组合可能包含难闻的溶剂和有机树脂材料。这些组合物可能在施用时将溶剂和VOC释放到环境中，或者阻碍组合物满足各种工业标准，例如，用于烟密度、可焊性和孔隙率的工业标准。此外，在现有的底漆组合物中有机树脂材料的存在可能促进霉菌或其他生物体的生长。

不包含难闻溶剂和有机树脂成分的底漆组合物通常由硅酸钾制成。尽管不存在基于溶剂的系统的问题，但是现有的硅酸钾底漆组合物具有粘附性质，使得其难以实施标准常规或无气喷涂应用。因此，开发如下水基底漆组合物将是有利的：所述水基底漆组合物不含有害挥发性有机化合物、溶剂、硅酸盐和有机树脂成分的，但具有粘附性质，如耐候性、快速干燥时间、防腐蚀性、长适用期、高速可焊性和所需的应用性能，使其适用于在涂覆预构造金属基材中使用。

概述

在一实施方式中，用于金属基材的双组份底漆是水基的，并且包含第一部分，所述第一部分包含：以第一部分的总重量为基准计，含量为约20重量％至80重量％的胶体二氧化硅；硅烷偶联剂，其选自环氧基硅烷、巯基硅烷和具有对环氧基团有活性的官能团的改性硅烷，以第一部分的重量为基准计，所述硅烷偶联剂的量为约0.05重量％至约15重量％；以及含量为约0.1重量％至约2重量％的纤维素醚。

底漆还可以包含含有至少50％锌粉的第二部分。第一部分和第二部分以约1:1的比例存在于双组份水基底漆中。此外，双组分底漆通常是无机的，基本不含挥发性有机化合物以及有机胶乳树脂。

详述

在一实施方式中，水基富锌底漆(“水基底漆”)可以用于在金属基材用于例如造船之前对金属基材进行涂敷。水性底漆可以通过常规和无空气施用方式进行喷涂，施用后快速干燥，保护金属基底免受腐蚀，提供耐候性，具有长适用期，并且可以用于其中船的构造需要高速焊接的场合。为了说明的目的，该水基底漆可以被称为用于在造船中使用的组合物。然而，应理解该水基底漆在需要上述特征的环境中具有许多应用。

更具体地说，水基底漆可以包含双组份系统。双组份系统可以由第一部分A和第二部分B构成，其通常在施用水基底漆之前以1:1的比例混合。水基底漆的部分A可以使用新颖的溶胶-凝胶技术产生。部分B可以含有至少百分之五十(50％)的锌粉。

用于产生部分A的溶胶-凝胶工艺包括将无机颗粒分散到胶体溶液(溶胶)中。随后，该溶液用作用于整体网络(或凝胶)的前体，其中固体颗粒和液体(水)相互分散。通常，溶胶-凝胶工艺用于生产非常薄的涂层，其受限于无机材料的粒度，例如约100至约220nm。然而，令人惊讶的是，本发明人发现：溶胶-凝胶工艺可以用来制造干厚度(在水蒸发之后)约0.5至约1.0密耳的和湿厚度(施用时)约1.0至约2.0密耳的水基底漆。

水基前体的部分A通常是无机的，所得的部分A组合物基本上不含挥发性有机化合物和有机胶乳树脂。应理解，如果组合物基本不含一种组分，则表示该组合物包含小于1.0％的该组分。部分A可以通过混合i)胶体二氧化硅、ii)硅烷偶联剂、和iii)纤维素醚产生。水基底漆的部分A还可以包含煅制二氧化硅、粘土增稠剂、表面活性剂、防沫剂(消泡剂)、和阻蚀剂。

在一实施方式中，胶体二氧化硅具有小粒度分布，使其能够在系统内单分散。不限于理论，可能是胶体二氧化硅的使用导致了水基底漆更好的粘合剂粘附性。以A部分组合物的重量为基准计，胶体二氧化硅可以约二十(20)重量％至约八十(80)重量％存在。合适的胶体二氧化硅可以包括以商标和LUDOX^TM从杜邦公司市售可得的那些。

硅烷偶联剂被认为改进了部分A组合物的表面粘附性。以部分A系统的重量为基准计，其通常以约0.05重量％至约15.0重量％的量存在于部分A中。硅烷偶联剂可以选自：环氧基硅烷、巯基硅烷和具有对环氧基团有活性的官能团的改性硅烷。

更具体地，硅烷偶联剂可以包括但不限于：环氧基硅烷，例如，γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3,4-环氧环己基乙基三甲氧基硅烷、3,4-环氧环己基乙基甲基二甲氧基硅烷；氨基硅烷，例如，氨基甲基三乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)氨基甲基-三甲氧基硅烷、氨基甲基二乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)甲基三丁氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-氨基异丁基三甲氧基硅烷、N-双(β-羟乙基)-γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基-β-甲基丙基三甲氧基硅烷；巯基硅烷，例如，γ-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基乙基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基乙基二乙氧基硅烷、β-巯基丙基二甲基甲氧基硅烷、β-巯基乙基甲基二甲氧基硅烷、β-巯基乙基三乙氧基硅烷；以及改性硅烷。改性硅烷可以通过约一(1)摩尔的上述环氧基硅烷与约0.1至1摩尔的上述具有对环氧基团有活性的官能团(例如羟基、氨基、亚氨基、或巯基)的氨基硅烷或巯基硅烷反应进行制备。在一实施方式中，硅烷偶联剂可以是有机环氧基硅烷，例如，Silquest A-189，购自迈图高新材料集团公司(Momentive Performance Materials,Inc.)。

纤维素醚可以用于帮助稳定部分A组合物的粘度，并改进了膜的形成，使得在施用时由水基底漆形成更厚的膜。在一实施方式中，纤维素醚以部分A系统的约0.1重量％至约2重量％的2重量％存在。纤维素醚可以选自如下、但不限于如下：甲基纤维素、甲基乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、(羟乙基)甲基纤维素、以及它们的混合物。在实践中，发现这些纤维素醚的特定粘度范围呈现出对胶体二氧化硅出乎意料的稳定性和界面性质，提高了稳定性并改进了无空气应用。在一实施方式中，改性纤维素醚(例如，购自陶氏化学公司)与粘土增稠剂的组合提供了改进的性能。粘土增稠剂可以用作流变改性剂，并可以约0.05重量％至约0.5重量％的量存在。合适的粘土增稠剂可以包括Bentone AD，一种锂蒙脱石粘土，购自Elementis Specialties公司。

任选地，水基底漆的部分A还可以包含煅制二氧化硅成分，例如，CAB-O-SIL M5，购自卡伯特公司(Cabot Corporation)。煅制二氧化硅成分可以约1.0重量％至约5.0重量％的量存在。在另一实施方式中，部分A还可以包含其他添加剂，例如，表面活性剂、防沫剂(消泡剂)、和阻蚀剂。即，阻蚀剂可以用于防止底漆施用时形成闪锈。在一实施方式中，合适的消泡剂可以包括Tego Foamex 810、BYK-022,BYK-024，购自赢创有限公司资源效率有限公司(Evonik Resource Effciency GmbH)。

水基底漆的部分B包含约50重量％至约100重量％的锌粉(或锌尘)。锌粉的重量百分比基于部分B的总重量确定。部分B还可以包含各种填料，包括碳酸钙、高岭土和替代的阻蚀剂。

水基底漆可以通过以1:1比例混合部分A和部分B来进行制备。双组份系统可以作为单独部件提供给客户，其可以在施用之前进行混合。在施用之前，客户可能需要进一步搅拌或摇晃容器以完全整合系统的两个部分。水基底漆可以具有长适用期，约24小时至约72小时，因此使用者关闭其机器的频率下降。此外，水基底漆通常干燥约10分钟就能触碰，并且干燥约3小时就能用于处理。

实施例

在一实施例中，通过混合约24.39％的去离子水、约0.71％Anti-Terra 250表面活性剂和约0.01％Tego Foamex 810防沫剂来制造水基底漆的部分A。在搅拌下向水、表面活性剂、和防沫剂的溶液缓慢加入约2.19％的CAB-O-SILM5煅制二氧化硅、约胶体二氧化硅、以及额外的2.14％去离子水。拆去容器的侧面和盖子，并将混合物搅拌约15分钟。随后，容器的侧面和盖子用额外的1.86％去离子水进行洗涤，以形成胶体二氧化硅溶液。然后，将加热至约140F最低温度的约3.61％去离子水与约0.55％的Methocel A4C混合。将纤维素醚混合物与胶体二氧化硅溶液混合，并搅拌6分钟。在6分钟后，将约7.32％的冷去离子水加入到所获得的胶体二氧化硅溶液中。随后，将溶液另外混合20分钟。

将约0.02％的Foamex 810和约0.35％的Surfynol 440表面活性剂边搅拌边缓慢加入该溶液中。并且，将约1.86％去离子水、约0.04％的Halox570防蚀剂、以及约0.01％的氨水的预混合溶液加入至该溶液中。将该溶液搅拌10分钟。向所得到的溶液中加入另外的32.80％的胶体二氧化硅材料以及约0.30％的氟表面活性剂。

将约0.55％的Silquest 189硅烷偶联剂加入胶体二氧化硅溶液中，以形成所获得的基质。最后，将约0.22％的流变改性剂(Bentone AD锂蒙脱石粘土)与约8.56％去离子水预混，并加入基质中。然后将基质搅拌约25分钟，随后用约1.58％去离子水冲洗容器的侧面和盖子以形成部分A。然后在24小时内将部分A置于容器中并通过50微米的过滤器。发现所获得的部分A在75℉+/-2℉时的粘度约为40-50KU，重量/加仑为8.67-9.07。

当完成时，部分A以1:1的比例与富锌部分B成分混合。在一实施方式中，部分B包含约86％锌粉、约10％碳酸钙、约4％polygloss 90粘土的混合物。

发现所得到的水基底漆具有约59％的固体含量，约1.7密耳的湿膜厚度，约0.6密耳的干膜厚度，分别干燥5分钟、10分钟、3小时和7天，干燥至能触摸、能处理、表面涂层、完全固化。还发现底漆的适用期为约72小时，并且保质期约为9个月。进一步确定，当干燥时，底漆的锌含量为约46％。

通过工业中常用的方法进行耐水性测试，并且发现所获得的底漆在干燥仅仅一小时后具有出色的早期耐水性。同样确定了由于底漆中缺少有机成分，并没有霉菌形成的问题。

最后发现，当施用于金属基材并干燥时，底漆达到或超过了烟密度的工业标准。通常，烟密度根据ASTM E662“由固体材料产生的烟的比光密度”来计算。烟密度测试用于测定材料(如油漆涂层)在暴露于热源时产生烟雾的倾向。

对于说明书或权利要求书中使用术语“含有”或“包括”，在用作权利要求中的过渡词使用的术语时，其是指包含性的类似于术语“包含”。此外，对于术语“或”、(例如A或B)的使用，是指“或B或两者”。当申请人打算表示“只有或B而不是两者”时，则使用术语“仅A或B但不是两者”。因此，在此使用术语“或”是包含性的而不是专用的。见Bryan A.Garner，《现代法律用语词典624》(A Dictionary of Modern Legal Usage 624)(1995年第二版)。而且，对于说明书或权利要求书中使用术语“在……中”或“至……之中”，意图另外表示“在……上”或“至……之上”。对于说明书或权利要求中使用的术语“基本上”，是指在制造中考虑的可用的精确度或谨慎的程度。对于说明书或权利要求书中使用的术语“可操作地连接”，是指所标识的部件以执行指定功能的方式连接。如在说明书和权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。最后，术语“约”与数字一起使用时，是指包括数字的±10％。换句话说，“约10”可表示9至11。

如上所述，通过本申请的实施方式介绍本发明，并且相当详细地描述了这些实施方式，但它们不应局限或以任何方式限制所附权利要求书的范围。受益于本申请，其他的优势和修改对本领域的技术人员显而易见。因此，广义来看，本申请不仅限于所示的具体细节、说明性示例或所提及的任何设备。在不脱离本发明总体构思的精神或范围的情况下，可以背离这些细节、实例和装置。

Claims (18)

1.一种用于金属基材的双组分底漆，其特征在于，所述双组分底漆是水基的，并且包含：

a.第一部分，其中，所述第一部分包含：

i.以第一部分的总重量为基准计，含量为约20重量％至约80重量％的胶体二氧化硅；

ii.硅烷偶联剂，其选自环氧硅烷、巯基硅烷和具有对环氧基团有活性的官能团的改性硅烷，以第一部分的重量为基准计，所述硅烷偶联剂的量为约0.05重量％至约15重量％；以及

iii.含量为约0.1重量％至约2重量％的纤维素醚；以及

b.含有至少50％锌粉的第二部分；

其中，第一部分和第二部分以约1:1的比例存在于双组份水基底漆中。

2.如权利要求1所述的双组分底漆，其特征在于，所述第一部分基本不含挥发性有机化合物以及有机乳胶树脂。

3.如权利要求1所述的双组分底漆，其特征在于，所述第一部分进一步包含流变改性剂；其中，以第一部分的总重量为基准计，流变改性剂是以约0.05重量％至约0.5重量％的量存在的粘土增稠剂。

4.如权利要求3所述的双组分底漆，其特征在于，所述第一部分进一步包含煅制二氧化硅。

5.如权利要求1所述的双组分底漆，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自：环氧基硅烷、氨基硅烷、巯基硅烷和改性硅烷。

6.如权利要求5所述的双组分底漆，其特征在于，所述环氧基硅烷选自下组：γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3,4-环氧环己基乙基三甲氧基硅烷、3,4-环氧环己基乙基甲基二甲氧基硅烷、以及它们的组合。

7.如权利要求5所述的双组分底漆，其特征在于，所述氨基硅烷选自下组：氨基甲基三乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)氨基甲基-三甲氧基硅烷、氨基甲基二乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)甲基三丁氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-氨基异丁基三甲氧基硅烷、N-双(β-羟乙基)-γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基-β-甲基丙基三甲氧基硅烷、以及它们的组合。

8.如权利要求5所述的双组分底漆，其特征在于，所述巯基硅烷选自下组：γ-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基乙基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基乙基二乙氧基硅烷、β-巯基丙基二甲基甲氧基硅烷、β-巯基乙基甲基二甲氧基硅烷、β-巯基乙基三乙氧基硅烷、以及它们的组合。

9.如权利要求1所述的双组分底漆，其特征在于，纤维素醚选自下组物质的醚：甲基纤维素、甲基乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、(羟乙基)甲基纤维素、以及它们的混合物。

10.如权利要求1所述的双组分底漆，其特征在于，所述双组分底漆在固体含量占双组分底漆的至少40重量％的情况下是可喷涂的。

11.一种用于水基底漆分散体的粘合剂组合物，其特征在于，所述粘合剂组合物是基本上不含挥发性有机化合物和有机胶乳树脂的溶胶-凝胶制剂，并且其包含：

a.以第一部分的总重量为基准计，含量为约20重量％至约80重量％的胶体二氧化硅；

b.硅烷偶联剂，其选自环氧硅烷、巯基硅烷和具有对环氧基团有活性的官能团的改性硅烷，以第一部分的重量为基准计，所述硅烷偶联剂的量为约0.05重量％至约15重量％；以及

c.含量为约0.1重量％至约2重量％的纤维素醚。

12.如权利要求11所述的粘合剂组合物，其特征在于，所述粘合剂组合物进一步包含流变改性剂；其中，以第一部分的总重量为基准计，流变改性剂是以约0.05重量％至约0.5重量％的量存在的粘土增稠剂。

13.如权利要求11所述的粘合剂组合物，其特征在于，所述粘合剂组合物进一步包含煅制二氧化硅。

14.如权利要求11所述的粘合剂组合物，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自：环氧基硅烷、氨基硅烷、巯基硅烷和改性硅烷。

15.如权利要求14所述的粘合剂组合物，其特征在于，所述环氧基硅烷选自下组：γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3,4-环氧环己基乙基三甲氧基硅烷、3,4-环氧环己基乙基甲基二甲氧基硅烷、以及它们的组合。

16.如权利要求14所述的粘合剂组合物，其特征在于，所述氨基硅烷选自下组：氨基甲基三乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)氨基甲基-三甲氧基硅烷、氨基甲基二乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)甲基三丁氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-氨基异丁基三甲氧基硅烷、N-双(β-羟乙基)-γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基-β-甲基丙基三甲氧基硅烷、以及它们的组合。

17.如权利要求14所述的粘合剂组合物，其特征在于，所述巯基硅烷选自下组：γ-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基乙基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基乙基二乙氧基硅烷、β-巯基丙基二甲基甲氧基硅烷、β-巯基乙基甲基二甲氧基硅烷、β-巯基乙基三乙氧基硅烷、以及它们的组合。

18.如权利要求11所述的粘合剂组合物，其特征在于，纤维素醚选自下组物质的醚：甲基纤维素、甲基乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、(羟乙基)甲基纤维素、以及它们的混合物。