一种一体化水性锈转化涂料及其制备方法与流程

2021-02-02 16:02:14|

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本发明属于涂料领域，具体涉及到一种一体化水性锈转化涂料及其制备方法。

背景技术：

在自然环境下，钢等金属材料暴露在大气中，由于受到雨水、氧气和其他因素的影响，容易腐蚀生锈从而缩短使用寿命。针对金属的腐蚀问题，目前常采用防腐涂层来抑制腐蚀的进一步发生。但是，传统涂层在涂装前需要对金属表面进行彻底地除锈处理，施工周期长，时效低，特别是对某些工艺管线、设备、容器除锈处理存在一定的安全隐患。而锈转化涂料可以在不彻底喷砂除锈的前提下，通过涂料中的锈转化剂与铁锈中的铁氧化物反应，形成稳定的化合物附着在金属表面，实现金属锈层转变为稳定的防腐涂层，达到对金属表面除锈和保护的作用。

目前，锈转化涂料主要分为油性和水性涂料两类，已报道的水性锈转化涂料大多都是基于单宁酸和磷酸的混合物。但是，过量的酸会引入大量的活性基团，导致涂层的不稳定性和耐水性；另外，过量的余酸也会进一步腐蚀钢材基体。

此外，传统涂料多采用“底漆+面漆”的形式，需要综合考虑底漆与基材或铁锈、面漆与底漆之间的附着能力，施工工艺复杂，施工效率较低。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种一体化水性锈转化涂料。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种一体化水性锈转化涂料，包括，水性聚氨酯树脂、锈转化剂、丙三醇、氮丙啶固化剂、三聚磷酸铝、滑石粉、绢云母、消泡剂、dn-2005聚氨酯增稠剂、阴离子型有机硅润湿剂和去离子水；其中，以各原料质量为百分百计，所述水性聚氨酯树脂含量为40～60％，锈转化剂含量为4～8％，丙三醇含量为2～4％，氮丙啶固化剂含量为6～10％，三聚磷酸铝含量为5～10％，滑石粉含量为3～6％，绢云母含量为3～8％，消泡剂含量为0.3～1％，dn-2005聚氨酯增稠剂含量为0.5～1％，阴离子型有机硅润湿剂含量为0.5～1％，去离子水含量为20～30％。

作为本发明所述一体化水性锈转化涂料的一种优选方案，其中：所述锈转化剂，包括，3,4,5-三羟基苯甲酸、三乙醇胺和4-二甲氨基吡啶；其中，

以各原料质量百分比计，所述3,4,5-三羟基苯甲酸含量为23.5％～25％，所述三乙醇胺含量为68％～72％，所述4-二甲氨基吡啶含量为3.5％～5％。

作为本发明所述一体化水性锈转化涂料的一种优选方案，其中：所述锈转化剂，其制备方法，包括，

油浴中，依次加入三乙醇胺、3,4,5-三羟基苯甲酸和4-二甲氨基吡啶，经二次升温反应得到；其中，

第一次升温反应，油浴升温至80℃～85℃，搅拌反应1～1.5h；

第二次升温反应，油浴升温至100℃～120℃，搅拌反应2.5～3.5h。

作为本发明所述一体化水性锈转化涂料的一种优选方案，其中：所述水性聚氨酯树脂，其固化量35％。

作为本发明所述一体化水性锈转化涂料的一种优选方案，其中：所述滑石粉、绢云母，粒径为200～400目。

作为本发明所述一体化水性锈转化涂料的一种优选方案，其中：所述消泡剂，为阴离子型有机硅消泡剂dn-4305，粘度＜4000/mpa·s。

作为本发明所述一体化水性锈转化涂料的一种优选方案，其中：所述阴离子型有机硅润湿剂ph值8，固含量为1％。

因此，本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法，包括，按照配方将去离子水、三聚磷酸铝、滑石粉、绢云母，1000～1200rpm搅拌均匀5～10min制得颜料填浆；然后加入水性聚氨酯树脂、锈转化剂、丙三醇、固化剂混合，600～800rpm搅拌均匀时间为15～20min后，再加入消泡剂、增稠剂、润湿剂，600～800rpm搅拌均匀10～15min，即可制得一体化水性锈转化涂料。

本发明有益效果：

(1)本发明制得的涂料溶剂为水，无毒无害，不含苯、酮等有机溶剂，不含重金属有毒有害物质，voc有机挥发物少，无刺鼻气味，绿色环保，而且不具有可燃性，危险系数低。本发明制得的涂料一次性涂覆，不区分底漆和面漆，极大地降低了施工难度和成本。

(2)本发明制得的涂料对施工对象表面处理要求低，不需进行喷砂，去除表面浮锈即可，可带锈施工，节约成本；本发明制得的涂料为水性涂料，具有较强的渗透性，可以很快的渗透到锈蚀的钢铁，具有较强的附着力；涂料体系中各组分分散性好，成膜后结构致密，没有孔隙等缺陷，具有较强的耐腐蚀性。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明中的原料：氮丙啶固化剂、润湿剂购自广州亨缌克新材料有限公司，增稠剂和消泡剂购自惠州华盛源新材料有限公司，其他原料，均为普通市售。

本发明原理：没食子酸广泛存在于水果和植物当中，含有羧基和多个临位的羟基。其所含的羟基可以与钢材上铁锈中的fe³⁺发生反应，生成一种稳定的含有-c-o-fe键的致密螯合物，该螯合物能够稳定的附着在钢铁表面，在将铁锈转化的同时，阻隔外界腐蚀介质向基材内部扩散，阻止铁锈的发展。锈转化剂与涂料体系各组分溶解度参数相近，可以很好的互溶，经固化剂固化后涂层表面平整光滑。

实施例1

本实施例提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法：

(1)制备锈转化剂：在装有转子、温度计和冷凝管的三口烧瓶中加入29.8g三乙醇胺，将油浴装置升温至85℃，加入18.8g没食子酸及2.43g4-二甲氨基吡啶，并保持该温度下搅拌反应1h左右，待没食子酸和对甲苯磺酸完全溶解后，将体系升温至120℃，维持该温度通过转子搅拌反应3.5h，降温出料得到锈转化剂；

(2)制备水性锈转化涂料：在烧杯中加入30.0g去离子水，在1200rpm搅拌条件下依次加入8.0g三聚磷酸铝、6.0g滑石粉、5.0g绢云母，持续搅拌10min分散均匀后所得即为颜料填浆；

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入4.2g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例2

本实施例提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法：

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入6.4g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例3

本实施例提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法：

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入7.6g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例4

本实施例提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法：

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入6.4g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及7.6g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例5

本实施例提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法：

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入6.4g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及5.4g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

对比例1

(3)另取烧杯加入40.0g水性丙烯酸树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入6.4g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

对比例2

(3)另取烧杯加入40.0g水性丙烯酸树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入6.4g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及7.6g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

本发明附着力测试：实验选用qfd型电动漆膜附着力试验仪测试附着力。根据gb/t1720-1979，锈转化剂实干后在恒温恒湿的条件下，将试片固定在试验台上，转真的尖端刺透锈转化薄膜，形成闭合回路指示灯亮起，表示转针接触到金属底材。同时在进行圆滚划线时，要保证指示灯常亮，确保转针针尖一直刺透涂层。划线结束后，用软毛刷去除漆屑，用放大镜观察划痕并评级。如果某个部分格子70％以上未破坏，就认为该部分完好，否则为损坏，其中一级附着力最佳，七级附着力最差。

本发明硬度测试：实验选用qhq-a型铅笔硬度计测试硬度。根据gb/t6739-2006，试验前，按标准要求准备铅笔，将铅笔固定在仪器上，铅笔尖端放置在锈转化薄膜表面，夹角为45°，试验时，以0.8m/s的速度推动仪器运动10mm距离，检查涂层表面是否出现划痕，如果未出现，更换较高硬度的铅笔直至出现划痕；反之，降低铅笔硬度至不再出现划痕。以未出现划痕时，铅笔的最大硬度表示涂层的铅笔硬度。

本发明耐冲击性测试：实验选用tcj-ⅱ型弹性冲击器测试耐冲击性能。根据gb/t1732-1993，按标准规定将试片薄膜朝上平放到试验台上，提升重锤至滑筒的某一高度后松开，重锤自由落于冲头上。提起重锤，取出试片，用放大镜观察判断锈转化膜有无损坏。以未破损时，重锤落下的最大高度表征耐冲击性能。

将本发明实施例1～5以及对比例1～2制得的涂料，直接涂覆在预生锈的钢板上(1cm²对应涂覆锈转化剂0.3g)，在室温下干燥，然后通过各种实验方法测定涂料的性能，结果见表1。

表1

由表1可以看出，本发明中水性聚氨酯树脂与氮丙啶固化剂协同效果更佳，水性聚氨酯树脂具有良好的耐水性。对比例1和对比例2中使用水性丙烯酸树脂，使用氮丙啶固化剂后，表面不能完全固化，各项性能测试结果差。而实施例1～实施例5改变其中锈转化剂和固化剂的含量，通过测试结果可以看出，实施例3效果最佳，锈转化剂含量的提高会使得钢铁表面铁锈转化效果更明显，涂层的耐腐蚀性能显著提高。实施例4和实施例5改变了固化剂的含量，固化剂含量过高会导致涂层脆化，耐冲击性能差。总之，本发明制得的一体化水性锈转化涂料具有良好的锈转化能力和防腐蚀效果，相比较对比例性能有显著提升。

实施例6

本实施例提供一种一体化水性锈转化涂料的制备方法：

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入8.5g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例7

(1)制备水性锈转化涂料：在烧杯中加入30.0g去离子水，在1200rpm搅拌条件下依次加入8.0g三聚磷酸铝、6.0g滑石粉、5.0g绢云母，持续搅拌10min分散均匀后所得即为颜料填浆；

(2)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入7.6g单宁酸，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例8

(2)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入3.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入7.6g植酸，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

直接涂覆在预生锈的钢板上(1cm²对应涂覆锈转化剂0.3g)，在室温下干燥，然后通过各种实验方法测定涂料的性能，实施例3和实施例6～8制得涂料测定的结果见表2。

表2

从表2可以看出，锈转化剂添加量的提升可以使钢铁表面锈转化效果更加明显，但锈转化剂添加量过大，涂料的附着力、硬度以及耐冲击性能降低，可能由于随着锈转化剂添加量的增大，其他组分如固化剂、添加剂的含量就会减少，必然造成涂料性能的下降，同时锈转化剂添加量过大，固化后整个涂料内部发生开裂，附着力和硬度都会变差。同时，将锈转化剂替换成传统的单宁酸或值酸后，制得的涂料性能明显降低，可能由于单宁酸和值酸的酸性远强于没食子酸，在以水为溶剂的体系中会释放出h⁺，一定的吸水率会对铁锈下的金属造成进一步的腐蚀，导致涂料的耐盐雾性能降低，用量也很难控制。另外，单宁酸和值酸可以与金属离子螯合形成高度交联的羧酸铁网络，但是单宁酸和值酸的渗透型很差，不能均匀稳定地存在于整个涂料体系中，因此以单宁酸和值酸替换本发明中自制的锈转化剂会使得涂料的抗冲击性能、硬度以及附着力性能降低。本发明优选特定的锈转化剂，实现涂料的抗冲击性能、硬度以及附着力性能达到最佳水平。

实施例9

(1)合成锈转化剂：在装有转子、温度计和冷凝管的三口烧瓶中加入29.8g三乙醇胺，将油浴装置升温至85℃，加入18.8g没食子酸及2.43g4-二甲氨基吡啶，并保持该温度下搅拌反应1h左右，待没食子酸和对甲苯磺酸完全溶解后，将体系升温至100℃，维持该温度通过转子搅拌反应3-3.5h，降温出料得到锈转化剂。

(2)制备水性锈转化涂料同实施例3。

实施例10

(1)合成锈转化剂：在装有转子、温度计和冷凝管的三口烧瓶中加入29.8g三乙醇胺，将油浴装置升温至85℃，加入18.8g没食子酸及2.43g4-二甲氨基吡啶，并保持该温度下搅拌反应1h左右，待没食子酸和对甲苯磺酸完全溶解后，将体系升温至140℃，维持该温度通过转子搅拌反应3-3.5h，降温出料得到锈转化剂。

(2)制备水性锈转化涂料同实施例3

实施例11

(1)合成锈转化剂：在装有转子、温度计和冷凝管的三口烧瓶中加入44.7g三乙醇胺，将油浴装置升温至85℃，加入18.8g没食子酸及3.2g4-二甲氨基吡啶，并保持该温度下搅拌反应1h左右，待没食子酸和对甲苯磺酸完全溶解后，将体系升温至120℃，维持该温度通过转子搅拌反应3-3.5h，降温出料得到锈转化剂。

(2)制备水性锈转化涂料同实施例3。

直接涂覆在预生锈的钢板上(1cm²对应涂覆锈转化剂0.3g)，在室温下干燥，然后通过各种实验方法测定涂料的性能，实施例3和实施例6～8制得涂料测定的结果见表3。

表3

从表3可以看出，实施例9相对于实施例3附着力和硬度较差，是因为将反应体系降为100℃后，该酯化反应没有达到反应温度，反应不完全，目标产物生成率低，锈转化效果差，涂料防腐性能差。实施例10将体系温度升至140℃，该温度下三乙醇胺不断被氧化，没有生成目标产物，各项性能都较差。实施例11中，将三乙醇胺与没食子酸摩尔比调整为3:1，该条件下三乙醇胺量过多，反应酯化率较低，反应物种含有较多的三乙醇胺，使得涂料固化时间增长，锈转化效果不明显，防腐性能较差。

实施例12

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入7.6g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

实施例13

(3)另取烧杯加入40.0g水性聚氨酯树脂，在800rpm搅拌下加入5.2g丙三醇，搅拌20min后加入步骤(2)中配好的颜料填浆，800rpm条件下搅拌20分钟，再加入7.6g(1)中制备好的锈转化剂，在800rpm搅拌条件下加入0.5g消泡剂、0.5gdn-2005聚氨酯增稠剂、0.5g润湿剂以及6.5g氮丙啶固化剂，800rpm搅拌30min后制得可以直接涂装的水性锈转化涂料。

直接涂覆在预生锈的钢板上(1cm²对应涂覆锈转化剂0.3g)，在室温下干燥，然后通过各种实验方法测定涂料的性能，测定结果见表4。

表4

由表4可以看出，本发明选用聚氨酯树脂作为成膜剂，该成膜剂为一种高沸点物质，选用丙三醇作为成膜助剂可以显著降低聚合物的最低成膜温度，促使高分子化合物塑性流动和弹性变形，改善其拒接性、耐候性，同时使涂料具有良好的贮存稳定性。实施例12未添加丙三醇作为成膜助剂，虽然固化剂的添加也会使涂料固化，但大大增加了固化时间，相同时间内涂料未固化，各性能较差，防腐蚀效果差。实施例13中丙三醇添加过量，超出最佳范围，使得涂料固化后变脆，弹性变形能力降低，出现龟裂现象，耐冲击性和耐腐蚀性能都有所下降。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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