制备和修复耐化涂层的方法
【专利说明】制备和修复耐化涂层的方法
[0001]相关申请
[0002]本国际申请要求2012年11月29日提交的题为“Methods for Preparing andRepairing Chemically-Resistant Coating”的美国临时专利申请号61/731，109 的优先权权益，该申请通过引用以其整体并入本文。
发明领域
[0003]本申请涉及制备和修复耐化涂层的方法，诸如称为搪瓷(porcelain enamels)和釉瓷(vitreous enamels)的那些。本申请还涉及具有耐化涂层的制品。
【背景技术】
[0004]例如由美国专利号5，387，439已知在钢基材上制备搪瓷涂层。’439专利解决了这类涂层的一个已知问题:它们的冲击强度通常很差。因此，当工具、五金器具、碎片或其它材料与涂层激烈接触时，或制品经历粗暴加工时，涂层可能会被损坏。如果破损涂层遭遇严苛的化学条件，诸如化学生产工艺中所存在的，下面的钢基材可能被侵蚀，且工艺将会因被侵蚀的钢而被污染。另外，钢基材最终将会损坏，且化学工艺不再被包含或防护而与钢外部的环境条件隔绝。’439专利公开了由于向涂层中加入无机纤维材料而具有改进的冲击强度的涂层。
[0005]即使如此，搪瓷涂层仍然易受碎裂、破坏和其它机械损坏。’439专利教导了工艺容器上的受损涂层可用容器的完全再玻璃化(第2栏第38?41行)或通过使用钽(金属和/或氧化物)栓(第8栏第14?19行)修正。正如可意识到的，整个容器的再玻璃化在修复工作和工艺停工期双方面都代表庞大的花费，这至少是因为需要将容器从工艺上拆除，通常运输到包括大型烘箱或窑炉的修复地点，再玻璃化，运输回来，并重新组装到工艺中。同时，钽补片(其通常用环氧树脂粘贴在受损部位上)可能会改变工艺环境的化学。采用非玻璃材料对玻璃衬里的设备的任何修复都会被认为是临时性的。因此，需要能得到耐化涂层的修复搪瓷涂层损伤的方法。另外，还需要无需完全再玻璃化的修复这种损伤的方法。还需要能在原位进行或以最少拆卸进行的方法。此外，还寻求易于在第一位置制备耐化涂层的方法。还需要具有耐化涂层(诸如，易于修复的耐化涂层)的制品。本发明的多个实施方案可符合那些需要中的一种或多种，由此解决了现有涂层制备和修复技术中潜在的技术问题。
【发明内容】
[0006]现在，申请人已出乎意料地发现了制备和修复耐化涂层的新方法。在一些实施方式中，那些方法涉及形成软化状态的底涂层(底涂层)，然后将涂层材料火焰喷涂沉积(flame-spray depositing)到该软化底涂层上，然后缓慢冷却涂层以缓解应力。那些方法可用于在第一位置制备耐化涂层，或者修复受损涂层，无论最初的涂层是否根据本发明的方法制成。有利地，本发明的一些实施方式允许在部分基材上形成新的保护性耐化涂层，后者与邻近的先前已有的涂层良好掺和。在其它实施方式中，该方法可用于根据需要将诸如以下的制品完全再玻璃化:反应容器、反应容器或其它容器的盖、挡板、温度计套管、搅拌器、搅拌器轴、管、热交换器、储罐或其它工艺设备。本发明的其它实施方式包括包含根据本发明制成的耐化涂层的制品。
[0007]因此，本发明的一些实施方式涉及在其上具有底涂层的基材上制备耐化涂层的方法，包括:将基材加热到第一温度，从而形成软化底涂层；将涂层材料火焰喷涂沉积到软化底涂层上；并且缓慢冷却基材，从而在基材上形成耐化涂层。
[0008]其它实施方式涉及在有此需要的基材上修复耐化涂层的方法，包括:将组合物施加到基材上的受损部位，其中所述组合物:(a)包括具有如下粒径分布的颗粒形式的底涂层材料:所述粒径分布使得至少约5wt%的颗粒小于44微米且至少约20wt%的颗粒大于150微米，和(b)底涂层材料包括熔块(frit)材料，所述熔块材料包括约48?约58wt%二氧化硅、约12?约22wt%氧化硼、约I?约9wt%氧化钾和约I?约9wt%氧化铝；烧灼组合物以在基材上形成软化底涂层；将涂层材料火焰喷涂沉积到软化底涂层上，其中所述涂层材料(a)为平均尺寸在约74?约177微米范围内的颗粒形式，和(b)包括约68?约74wt%:氧化娃、约0.5?约2.5?1:%氧化销、约7?约15wt%氧化钠、约I?约5?1:%氧化锂和约2?约9wt%氧化锆；并且缓慢冷却基材，从而修复基材上的耐化涂层。
[0009]其它实施方式涉及在基材上制备耐化涂层的方法:将组合物施加到基材上，其中所述组合物(a)包括底涂层材料，所述底涂层材料为具有如下粒径分布的颗粒形式:所述粒径分布使得至少约5wt%的颗粒小于44微米且至少约20wt%的颗粒大于150微米，和(b)所述底涂层材料包括恪块材料，所述恪块材料包括约48?约58wt%:氧化娃、约12?约22wt%氧化硼、约I?约9wt%氧化钾和约I?约9wt%氧化销；烧灼组合物以在基材上形成软化底涂层；将涂层材料火焰喷涂沉积到软化底涂层上，其中所述涂层材料:(a)为平均尺寸在约74?约177微米范围内的颗粒形式，和(b)包括约68?约74wt%:氧化娃、约
0.5?约2.5wt%氧化销、约7?约15wt%氧化钠、约I?约5wt%氧化钮和约2?约9wt%氧化锆；和缓慢冷却基材，从而在基材上制备耐化涂层。
[0010]其它实施方式涉及包括以下的制品:(a)金属基材；(b)底涂层，所述底涂层包括:二氧化硅、氧化硼、氧化钾和氧化铝；和(C)长条板(splats)形式的涂层，包括:二氧化硅、氧化铝、氧化钠、氧化锂和氧化锆。这样的制品可以是反应容器、盖、挡板、温度计套管、搅拌器、搅拌器轴、管、热交换器、储罐以及在化学、石化、食品、药物、塑料、化妆品、自来水处理和相关工业以及需要耐化表面的任何地方可用的其它部件。
【具体实施方式】
[0011]根据需要，在本文中公开了本发明的【具体实施方式】；然而，应理解所公开的实施方式仅是可以多种形式实施的本发明的范例。附图不必是按规定比例的，一些特征可能被夸大以显示具体部件的细节。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为权利要求的基础和作为教导本领域技术人员以多种方式采用本发明的代表性基础。
[0012]基材
[0013]如上所述，本发明的一些实施方式提供了在基材上制备或修复耐化涂层的方法。可使用任何合适的基材，诸如，例如，金属或金属合金。在一些情况中，基材包括钢。在一个实施方式中，基材是包含少于0.25wt%碳的冷乳低碳钢。因此，如A.S.Μ.E.Specificat1nSA285, Grade B或SA285M-82, Grade B中所公开的，这种钢经常包含不多于0.22wt%碳，不多于0.9wt %猛，不多于0.035wt %磷，不多于0.04wt %硫，和至少约98wt %铁。在其它实施方式中，基材是铁金属或其合金，诸如在Robert H.Perry等人的"ChemicalEngineers’Handbook, "Fifth Edit1n(McGraw-Hill Book Company, New York, 1973)第23-45到23-46页上公开的那些材料。因此，例如，基材可基本由以下材料组成:InconelAlloy 600、Inconel Alloy 610、Inconel Alloy 625、Inconel Alloy 700、Inconel Alloy702、 Inconel Alloy 705、 Inconel Alloy 713、 Inconel Alloy721、 Inconel Alloy 722、Inconel Alloy 乂_750 等。
[0014]无论在基材上制备还是修复涂层，基材均可需要预先清洁和准备。任何先前的耐化涂层可被整体或部分去除。例如，涂层中缺陷或碎裂周围的区域可被去除搪瓷以暴露原料金属。基材的表面通常包含许多瑕疵，尤其是在其已被焊接并正在被抛光或再抛光之后。因此，希望通过机械喷砂(mechanical blasting)制备这样的表面以去除诸如氧化物、结垢、凹陷、工具印痕等的瑕疵。
[0015]在一个实施方式中，可通过喷砂制备基材表面。如在Andrew
1.Andrews’ “Porcelain Enamels:The Preparat1n, Applicat1n 和 Properties ofEnamels,，，Second Edit1n (Garrard Press, Champaign, IL, 1961)第 198 ?211 页中公开的，可通过机械喷砂、通过压缩空气喷砂等来制备这样的表面。可使用常规磨料诸如沙子、钢砂、氧化铝砂等。在一个实施方式中，使用粒径小于40目的氧化铝砂。某些实施方式提供了通过喷砂处理(sand blasting)、喷铁砂(grit blasting)或二者的组合来清洁基材。喷砂可持续直到目测显示基材表面具有清洁、均匀灰色的外观，显示其已被清洁到足以促进底涂层与基材之间的粘附。
[0016]底涂层
[0017]底涂层可以是任何合适的材料。如本领域已知的，在某些实施方式中，底涂层可以是碱硼娃酸盐玻璃组合物(alkali borosilicate glass composit1n)，其用于增强基材与基材上后续涂层之间的高粘附。在仍然另外的实施方式中，底涂层可包含约10?约20wt%氧化硼，约40?约60wt%二氧化娃和约15?约25wt%碱金属氧化物(选自锂、钠、钾、铷、铯、纺的氧化物及其混合物)。
[0018]在一个实施方式中，底涂层包括约60?约65wt%二氧化硅。在另一个实施方式中，底涂层包括约10?约22被％氧化硼。另一个实施方式提供了如下底涂层，其包括:约I?约9?1:%氧化钾。另一个实施方式包括如下底涂层，其包括:约I?约9?1:%氧化销。仍然其它的实施方式包括如下底涂层，其包括:氧化钙、氧化钴、氧化镍、氧化锰、一种或多种碱金属氧化物(诸如，氧化锂、氧化钠、氧化铷、氧化铯、氧化纺或其组合)。
[0019]底涂层组合物可以任何合适的方式制备。例如，可使用混合机。任选地，合适的混合机也能碎磨，即，粉碎组合物或进一步减小组合物的粒径。或者可使用单独的粉碎机。因此，在一个实施方式中，合适的混合机是滚磨机，诸如，例如，管磨机、仓磨机、棒磨机、砾磨机、球磨机等。参见，例如，Robert H.Perry 等人的〃Chemical Engineers' Handbook, "FifthEdit1n (McGraw-Hill Book Company, New York, 1973)第 8-25 到 8-28 页。
[0020]施加到基材上随后烧灼以形成软化底涂层的底涂层组合物可采取浆料的形式。在一些实施方式中，将足够量的液体与固体材料一起添加到混合机中，使得形成包含约60?约70wt%固体材料的楽料。即，楽料包括约30?约40wt%液体。所述液体可包括任何合适的液体，诸如水，低分子醇，诸如甲醇、乙醇、丙醇或丁醇或者前述任何的组合。在某些实施方式中，这种浆料在混合机中的研磨持续到在一些实施方式中产生具有如下粒径分布的基本均勾的混合物:在一些实施方式中，其粒径分布使得楽料中至少5wt%的颗粒小于44微米且楽料中至少约20wt%的颗粒大于150微米。可定期从混合机中取出样品并使其经历粒径分析以确定浆料是否已具有所需的粒径分布。参见，例如，美国专利号4，282，006关于粒径分布测量的讨论。
[0021]在一些情况中，底涂层材料可通过例如以下方式制成:向混合机中装入包含以下的玻璃配合料(glass batch):约48?约58wt% (基于玻璃配合料的总重，干基)的二氧化娃、约12?约22wt%氧化硼、约9?约19wt%氧化