本發(fā)明涉及涂料制備領(lǐng)域，具體涉及一種不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料。
背景技術(shù)：
不銹鋼是一種銀白色、有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、韌性及加工工藝性的合金鋼，廣泛應(yīng)運(yùn)于宇航、海洋、醫(yī)藥、核能、石化等行業(yè)，以精美的自然表面，展示美感和清潔感。
不銹鋼獲得日益廣泛的應(yīng)用的主要原因還是基于該系列材料的特點(diǎn)即耐腐蝕。不銹鋼最容易使人誤解的也正是它的名稱——不銹鋼。所謂的不銹是一個相對概念，在一些環(huán)境中是不銹的，但在另外一些介質(zhì)中則是不耐蝕的。多年來對不銹鋼耐蝕性的研究表明，不銹鋼之所以在某些環(huán)境中耐蝕，是與其鈍化性能有關(guān)，通常當(dāng)鉻含量達(dá)12％時，合金可達(dá)完全自鈍化能力，合金的鈍化能力在一定程度上決定著不銹鋼的耐蝕性。
不銹鋼鈍化處理的作用是提高不銹鋼在環(huán)境介質(zhì)中的熱力學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)過鈍化的不銹鋼，在金屬電位序中處于較正的位置，即與貴金屬相近，化學(xué)性能穩(wěn)定，而未鈍化的不銹鋼為活化狀態(tài)，處于電位較負(fù)的位置，與普通鋼鐵相近。不銹鋼的鈍化處理能預(yù)防不銹鋼的局部腐蝕，點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等都與表面狀態(tài)有關(guān)，鈍化可以消除各種腐蝕的萌生源，使臨界點(diǎn)腐蝕的電位變正。鈍化可以使不銹鋼表面具有足夠的清潔度，可以消除不銹鋼表面的金屬污染物，以及嵌入不銹鋼的雜質(zhì)，使金屬表面所含的鉻、鎳富集而穩(wěn)定。這些金屬污染物容易導(dǎo)致不銹鋼的腐蝕破壞。
根據(jù)不銹鋼合金的組成、加工狀態(tài)，可選擇適宜的鈍化工藝。但鈍化質(zhì)量既取決于鈍化工藝也取決于不銹鋼材料本身，不銹鋼的可鈍化性主要影響因素為：(1)不銹鋼所含元素對鈍化的影響，不銹鋼的鈍化能力取決于不銹鋼所含元素的可鈍化性，在組成元素中鉻、鎳屬于鈍化性強(qiáng)的元素，鐵的鈍化性則次之。一般的規(guī)律是含鉻高的優(yōu)于含鉻低的，含鉻鎳的優(yōu)于單純含鉻的，降低含碳量可提高鈍化性，加入鉬能提高鈍化膜的穩(wěn)定性，尤其能提高鈍化膜對氯離子的抵抗力。鋁、碳、硅等元素則對鈍化不利，硫、硒元素鈍化性能更差，若表面含有這些元素，應(yīng)預(yù)先去除才能鈍化。(2)不銹鋼金相結(jié)構(gòu)對鈍化的影響很大。奧氏體型、鐵素體型不銹鋼具有較均勻的組織，不必經(jīng)過熱處理的強(qiáng)化，可鈍化性很好。馬氏體型不銹鋼經(jīng)過熱處理強(qiáng)化，其金相組織為多相組織，可鈍化性不強(qiáng)，因而馬氏體型不銹鋼耐蝕性較低。(3)不銹鋼加工狀態(tài)對鈍化也有影響，經(jīng)過機(jī)械加工如切削、拋光、磨光后的光潔表面鈍化性最好，鑄造、噴砂、鍛造所得的粗糙表面，鈍化性最差。
包括不銹鋼在內(nèi)的金屬材料以其優(yōu)異的機(jī)械性能和工藝性能在材料領(lǐng)域占有重要地位。但金屬腐蝕也給人類社會造成了很大損失，除了大量鋼結(jié)構(gòu)處于戶外遭受大氣腐蝕之外，在海岸周邊及化工生產(chǎn)中的金屬設(shè)備受到的侵蝕尤為嚴(yán)重。針對金屬腐蝕問題，人們已經(jīng)采用多種技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，減緩或阻止金屬的腐蝕。其中最為有效最常用的方法是在金屬表面涂覆防腐蝕涂層，以隔絕腐蝕介質(zhì)與金屬基體，達(dá)到防腐的目的。
早期，人們認(rèn)為涂料防腐主要是在金屬表面形成屏蔽層，防止金屬表面與氧氣、水相接觸。后來，大量研究成果表面，由于涂層的微觀缺陷或者親水基團(tuán)形成的通路，使得涂層具有一定的透氣和滲水性，因此金屬表面腐蝕所需的水和溶解的氧還可以從涂層中獲得，涂層不可能對腐蝕介質(zhì)完全屏蔽。在涂料中加入鈍化型的防腐蝕顏料后，能夠在有水存在的情況下，離解出含有緩蝕作用的離子，形成致密的鈍化層，附著于金屬基體表面，從而抑制進(jìn)一步腐蝕的發(fā)生。當(dāng)腐蝕發(fā)生處存在的氧濃度達(dá)到一定值時，可以把電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的fe2+氧化成fe3+，再與oh-結(jié)合后生產(chǎn)氫氧化鐵，沉積于被保護(hù)基體表面形成鈍化層，抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，這個過程就是典型的鈍化作用。當(dāng)金屬表面的ph值呈堿性時，對鈍化反應(yīng)有利，當(dāng)ph值低于10時，要達(dá)到鈍化作用所需要的氧濃度比較不易滿足，因此在涂料中加入一定量的氧化劑作為防腐蝕顏料，如一直以來所使用的鉛酸鹽、磷酸鋅、鉻酸鹽等，都是利用鈍化緩蝕原理實(shí)現(xiàn)對不銹鋼的保護(hù)的。
如上所述，傳統(tǒng)防腐蝕顏料中最常用的品種有紅丹、鉛粉及各種鉻酸鹽，它們一般含有鉛、鉻及鎘等有毒金屬元素。雖然這類防腐蝕顏料在使用中表現(xiàn)出良好的防腐蝕性能，但是在生產(chǎn)和使用過程中，這些有毒有害的元素會危害環(huán)境，危害人類健康，許多國家已禁止使用。歐盟在2006年7月1日實(shí)施rohs指令，即《電氣、電氣設(shè)備中使用某些有害物質(zhì)的指令》，出口歐盟的電子電氣設(shè)備中，禁止使用或含有六種有害物質(zhì)，其中就包括六價鉻。
人們開始使用更為環(huán)保的新型防腐蝕顏料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防腐蝕顏料，鈍化緩蝕型防腐蝕顏料是應(yīng)用最為廣泛的防腐蝕顏料，磷酸鹽、鉬酸鹽、硼酸鹽等都源于這一類。其中磷酸鹽作為最為廣泛應(yīng)用的環(huán)境友好型防腐顏料，從1965年沿用至今，廣泛用于油性、水性防腐蝕涂料中。磷酸鋅顏料的防腐蝕機(jī)理較為復(fù)雜，主要是在腐蝕的初期，在金屬表面產(chǎn)生局部陰極和陽極，使溶解的鐵鹽和亞鐵離子發(fā)生水解而釋放出質(zhì)子，與正磷酸鋅發(fā)生反應(yīng)，最終生成不溶的磷酸亞鐵，從而形成fe-zn-p2o5致密鈍化膜。磷酸鹽系列的防腐蝕顏料，還包含聚合磷酸鋁、磷酸鈣等，實(shí)驗結(jié)果證明它們均在防腐蝕領(lǐng)域有出色的表現(xiàn)。
磷酸鋅是無毒防銹顏料中重要的組成部分。由于普通磷酸鋅的粒子較大(15-45μm)，其形狀呈磚型，表面積較小，分散性差，并且溶解度低且水解性差，防銹活性不足，形成有效保護(hù)膜的速度太慢，在偏堿性的水性底漆中，不能克服“閃銹”問題，防銹性能達(dá)不到傳統(tǒng)鋅鉻黃的水平，難以全面取代傳統(tǒng)的有害防銹顏料。基于上述原因，研究人員對普通磷酸鋅進(jìn)行了相關(guān)的改性工作，改性工作主要包括兩個方面：(1)物理改性，包括對磷酸鋅粒子的形狀、粒徑等物理性能改性。(2)化學(xué)改性，包括金屬的復(fù)合，表面預(yù)處理等化學(xué)方面的改性。通過與鋁、鉬、鈣、鐵等金屬復(fù)合改性而得到的磷酸鋅顏料被稱為第二代磷酸鹽防銹顏料。無論是通過物理改性還是化學(xué)改性，其最終均是在提高顏料的電化學(xué)防腐性能，顏料與漆膜的相容性，漆膜的屏蔽作用，漆膜與基材的附著力等方面的改進(jìn)。
不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料，是基于不銹鋼鈍化腐蝕機(jī)理的防腐蝕涂料的新一代產(chǎn)品。是在確保防腐性能的前提下，提高對透明度的要求。用戶對不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料提出了更加嚴(yán)格的性能指標(biāo)：①透明度90％以上，②與基體結(jié)合力為1級，③使用壽命15年以上?，F(xiàn)有涂料不能同時滿足以上要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明一種不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料，該涂料的透明度在90％以上，該涂膜與基體結(jié)合力達(dá)到1級，該涂料在海洋大氣條件下工作壽命15年以上。該涂料應(yīng)該是水性的，以水為分散介質(zhì)。對環(huán)境無污染，對人員的健康無損害。該涂料應(yīng)該是無毒的，即發(fā)明一種水性環(huán)保透明不銹鋼防腐蝕涂料。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
本文所涉及的不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料產(chǎn)品設(shè)計，遵循以下原則：
①基于不銹鋼的鈍化能力決定了不銹鋼材料耐蝕性的基本原理，本涂料在選材方面，確保涂層組成材料對不銹鋼基體材料表面鈍化膜的形成能力和穩(wěn)定性。
②考慮到環(huán)保要求，水性涂料是涂料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，所以在設(shè)計涂料的總體方案時，直接采用以水為溶劑的水分散體系。產(chǎn)品具有低voc釋放量、低氣味、對人體危害小，不燃，貯存、運(yùn)輸、使用過程中均具有安全性。
③采用無毒的第二代鉬改性磷酸鋅及微細(xì)化處理的聚合磷酸鋁做防銹顏料，確保涂料體系無毒化。
④選用水性聚氨酯體系，確保涂膜具有高的透明度和致密性，并且具有優(yōu)秀的耐候性、耐磨性、耐腐蝕性、耐低溫、能保證設(shè)備長久運(yùn)行。
⑤采用超細(xì)化技術(shù)，保證涂膜在具有優(yōu)異防腐性能的同時具有極高的透明性。
該不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料由甲、乙兩組份組成。甲組份由去離子水、金紅石型鈦白粉、改性磷酸鹽、三聚磷酸鋁、鉍鹽、稀土化合物、炭黑、丙烯酸分散體及多種助劑組成，乙組份由hdi三聚體、助溶劑組成。
考慮到設(shè)備多置于沿海地帶，還會受到風(fēng)沙的侵蝕、磨損等。固化劑選用聚醚親水改性的hdi三聚體中拼用部分聚酯改性的hdi三聚體。所述的聚醚改性親水的hdi三聚體為法國羅地亞公司的rhodocoatwt2102，所述的聚酯改性的hdi三聚體為德國拜爾公司的desmodurn3800。rhodocoatwt2102具有優(yōu)異的親水性，與水性丙烯酸樹脂極易混溶，而且保光耐候性較好。desmodurn3800具有高耐候性、耐磨性、抗化學(xué)腐蝕性和低溫柔韌性能。按照一定的比例混合可以提供涂膜較高的彈性和耐磨性，且耐候性也相當(dāng)優(yōu)異。
所述的成膜助劑為二丙二醇丁醚，丙二醇甲醚醋酸酯為助溶劑。成膜助劑具有增溶作用，能使丙烯酸分散體和固化劑進(jìn)一步反應(yīng)，提高交聯(lián)密度，使涂膜的綜合性能得到提高?？蓛?yōu)先使用具有較強(qiáng)的降低表面張力作用及較好的顏料潤濕性，同時又比較環(huán)保的丙二醇醚類和二丙二醇醚類溶劑，如二丙二醇丁醚。
由于涂料使用壽命較長，因此對涂膜性能要求相應(yīng)提高，成膜樹脂使用純丙類的羥基丙烯酸分散體，如拜耳(bayer)的bayhydrolxp2470丙烯酸分散體，可提供較好的耐候性，提高涂膜的耐久性。
在體系中引入鉬改性磷酸鋅和微細(xì)化處理的聚合磷酸鋁作為鈍化緩蝕型防腐蝕顏料。鉬改性磷酸鋅除了無毒優(yōu)點(diǎn)外，還具有顏色為白色，在樹脂中易分散，易于實(shí)現(xiàn)透明涂層。磷酸鋅zn3(po4)2.nh2o通常4個結(jié)晶水，加熱100℃后保留兩個結(jié)晶水，250℃時失去結(jié)晶水。能與涂料體系中的羧酸形成復(fù)合物，在涂層內(nèi)緩慢離解為磷酸根離子，縮合磷酸根離子，與金屬表面反應(yīng)，形成me-zn-p2o5復(fù)雜有粘性的化合物，使金屬鈍化。經(jīng)鉬改性之后，磷酸鋅的反應(yīng)活性極大改善，而且加入的鉬還可以提高鈍化膜的穩(wěn)定性，其防腐效果超過紅丹。磷酸鋅在涂料中總的顏料體積濃度一般是30％-35％，在同一涂層上具有防護(hù)與裝飾雙重作用。微細(xì)化處理的聚合磷酸鋁，白色微晶粉末，易于實(shí)現(xiàn)透明，能在底材表面形成覆蓋膜，使底材得到保護(hù)，聚磷酸鋁能釋放出絡(luò)合能力強(qiáng)的三聚磷酸根離子，與二價、三價鐵離子有很高的絡(luò)合能力，能在底材上形成mexfey(po4)2致密的鈍化膜。其次，由于alh2p3o10.2h2o中有兩個氫原子，呈弱酸性，能起二元酸作用，可以和金屬化合生成鹽類。經(jīng)過微細(xì)化處理的聚合磷酸鋁，能在不銹鋼基體上形成透明無毒防腐蝕涂層，其防腐能力可達(dá)紅丹或鋅鉻黃水平。
在體系中鉍鹽為乳酸鉍、三羥甲基丙酸鉍、氨基磺酸鉍、羥基磺酸鉍、烷基磺酸鉍。制備工藝步驟：
本發(fā)明涂料的制備工藝步驟如圖1所示
甲組份制備：在不斷攪拌去離子水的過程中加入0.1～1.0質(zhì)量份的防沉劑，高速分散10min，得到均一粘稠狀液體。然后加入0.1～1.0質(zhì)量份的潤濕劑分散劑、0.1～1.0質(zhì)量份的消泡劑攪拌、高速分散15min，依次加入5～30質(zhì)量份的金紅石型鈦白粉、5～30質(zhì)量份的三聚磷酸鋁、5～30質(zhì)量份的鉬改性磷酸鋅、0～2質(zhì)量份的鉍鹽、0～2質(zhì)量份的六硼化鑭分散均勻，研磨至細(xì)度＜0.1μm，過濾，中速攪拌下加入水性30～70質(zhì)量份的丙烯酸分散體、0.5～5質(zhì)量份的成膜助劑、0.1～5.0質(zhì)量份的消光劑，攪拌20-30min至均勻。加入增稠劑和去離子水調(diào)粘度、過濾、包裝。
乙組份制備：將80～90質(zhì)量份的固化劑與10～20質(zhì)量份的丙二醇甲醚醋酸鋅攪拌均勻、過濾、包裝。
不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料可直接涂覆于經(jīng)過預(yù)處理的清潔的不銹鋼表面，涂層厚度視防腐和透明度要求，可在20μm-50μm之間。也可以作為透明防腐涂層，涂于底涂層之上，以達(dá)到各種光學(xué)效果。當(dāng)涂層厚20μm時，與基體結(jié)合力一級，透明度90％以上，當(dāng)涂層厚50μm時，與基體結(jié)合力一級，透明度82％以上。
該不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料的設(shè)計、制備和使用過程中，在以下方面有所突破：①采用聚氨酯水性分散體系，采用無毒無害的鈍化緩蝕型防腐蝕顏料，經(jīng)過超細(xì)化工藝，制備成功的不銹鋼水性環(huán)保透明防腐涂料，與不銹鋼基體具有高的結(jié)合力和防腐蝕能力，同時達(dá)到90％以上的透明度。該涂料的設(shè)計、制造、涂裝工藝整體達(dá)到本領(lǐng)域的先進(jìn)水平。②基于鈍化緩蝕原理，使用白色或淺色的鉬改性磷酸鋅和超細(xì)處理的聚合磷酸鋁，制備不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料，其防腐性能優(yōu)秀，在涂料制備的理論和實(shí)踐上有新進(jìn)展。③涂料為水分散體系，并且采用無毒無害的原料、材料。從制造到使用的整個過程實(shí)現(xiàn)無害化、無毒化，將水性分散體的使用擴(kuò)展到不銹鋼透明防腐蝕涂料領(lǐng)域，在涂料制備技術(shù)上有創(chuàng)新。④采用超細(xì)化工藝，使涂層達(dá)到要求的防腐蝕性能的同時，實(shí)現(xiàn)高透明度，在涂料制造工藝技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。
附圖說明
附圖為本發(fā)明的制備工藝流程圖，具體為甲、乙組份制備工藝圖。
具體實(shí)施方式
表1為本發(fā)明的具體實(shí)施案例，原料配比表。
實(shí)例一
甲組份制備：在不斷攪拌去離子水的過程中加入0.5質(zhì)量份的防沉劑，高速分散10min，得到均一粘稠狀液體。然后加入0.5質(zhì)量份的潤濕劑分散劑、0.3質(zhì)量份的消泡劑攪拌、高速分散15min，再依次加入10.0質(zhì)量份的金紅石型鈦白粉、2.5質(zhì)量份的三聚磷酸鋁、7.5質(zhì)量份的鉬改性磷酸鋅、0.5質(zhì)量份的鉍鹽、0.5質(zhì)量份的六硼化鑭分散均勻，研磨至細(xì)度＜0.1μm，過濾，中速攪拌下加入55.0質(zhì)量份的水性丙烯酸分散體(xp2470)、1.5質(zhì)量份的成膜助劑、5.0質(zhì)量份的消光劑，0.5質(zhì)量份的增稠劑，攪拌20-30min至均勻，調(diào)粘度、過濾、包裝。
乙組份制備：將80～90質(zhì)量份的固化劑與10～20質(zhì)量份的丙二醇甲醚醋酸鋅攪拌均勻、過濾、包裝。
實(shí)例二
甲組份制備：在不斷攪拌去離子水的過程中加入0.2質(zhì)量份的防沉劑，高速分散10min，得到均一粘稠狀液體。然后加入0.75質(zhì)量份的潤濕劑分散劑、0.2質(zhì)量份的消泡劑攪拌、高速分散15min，再依次加入10.0質(zhì)量份的金紅石型鈦白粉、10.0質(zhì)量份的鉬改性磷酸鋅、0.5質(zhì)量份的鉍鹽、0.5質(zhì)量份的六硼化鑭分散均勻，研磨至細(xì)度＜0.1μm，過濾，中速攪拌下加入60.0質(zhì)量份的水性丙烯酸分散體(a145)、1.0質(zhì)量份的成膜助劑、2.0質(zhì)量份的消光劑，1.5質(zhì)量份的增稠劑，攪拌20-30min至均勻，調(diào)粘度、過濾、包裝。
乙組份制備：將80～90質(zhì)量份的固化劑與10～20質(zhì)量份的丙二醇甲醚醋酸鋅攪拌均勻、過濾、包裝。
實(shí)例三
甲組份制備：在不斷攪拌去離子水的過程中加入0.35質(zhì)量份的防沉劑，高速分散10min，得到均一粘稠狀液體。然后加入1.0質(zhì)量份的潤濕劑分散劑、0.25質(zhì)量份的消泡劑攪拌、高速分散15min，再依次加入10.0質(zhì)量份的鉬改性磷酸鋅、0.5質(zhì)量份的鉍鹽、0.5質(zhì)量份的六硼化鑭、7.5質(zhì)量份的沉淀硫酸鋇分散均勻，研磨至細(xì)度＜0.1μm，過濾，中速攪拌下加入60.0質(zhì)量份的水性丙烯酸分散體(xp2546)、1.5質(zhì)量份的成膜助劑、3.5質(zhì)量份的消光劑，1.0質(zhì)量份的增稠劑，攪拌20-30min至均勻，調(diào)粘度、過濾、包裝。
乙組份制備：將80～90質(zhì)量份的固化劑與10～20質(zhì)量份的丙二醇甲醚醋酸鋅攪拌均勻、過濾、包裝。
不銹鋼水性環(huán)保透明防腐蝕涂料可直接涂覆于經(jīng)過預(yù)處理的清潔的不銹鋼表面，涂層厚度視防腐和透明度要求，可在20μm-50μm之間。也可以作為透明防腐涂層，涂于底涂層之上，以達(dá)到各種光學(xué)效果。當(dāng)涂層厚20μm時，與基體結(jié)合力一級，透明度90％以上，當(dāng)涂層厚50μm時，與基體結(jié)合力1級，透明度82％以上。
上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并非對本發(fā)明保護(hù)的限制，所有領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，只要在此范圍內(nèi)或在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行放大或縮小實(shí)驗，都是本發(fā)明公開的內(nèi)容，都在本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。