用于增强成膜的水性底漆组合物及其使用方法
【专利说明】用于増强成膜的水性底漆组合物及其使用方法
[0001] 在复合结构的制造中，特别是在航空和汽车工业中，通常使用结构粘合剂将所制 造的金属结构体粘合至金属或复合粘合体或将经树脂浸溃的纤维状强化物的一或多个预 浸体铺层层压至所制造的金属结构体。在所述结构体被连接之后，粘合通常需要固化所述 结构粘合剂。通常，为确保最大程度的粘合强度，在即将粘合之前小屯、地清洁掉一个或多个 金属表面的污垢、±、油脂和金属氧化产物。不幸的是，该程序在大多数情况下通常无法使 用，因为清洁与粘合操作通常被长的停工时间段隔开。在运样的时间段期间，金属表面可能 变得水解的，降低了粘合物的粘合强度。克服运一困难的解决方法是将底漆施加至经清洁 的一个或多个金属表面上。
[0002] 常规的底漆通常是通过将热固性树脂溶解在挥发性有机溶剂中来制备，运样的有 机溶剂例如丙酬、异丙醇、四氨巧喃(THF)、甲基酸酬、乙二醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙醋等等。 运样的基于溶剂的底漆在固化之前被喷涂到金属表面上时可形成光滑的膜。然而，出于毒 理学和环境二者的原因，含有大量挥发性有机化合物（"V0C")的底漆的使用受到越来越多 的审查。因此，水基底漆变得更可取。然而，市售的包含环氧树脂的水基粘合底漆在其经由 喷涂施加时往往形成粉末(粉末状)涂层，且所得的风干膜在固化之前具有较差的抗刮擦性 或抗摩擦性。如果底漆在固化之前被刮掉，则运在结构粘合中可成问题。抗刮擦性或抗摩擦 性与风干后的底漆膜在对上面具有底漆膜的金属部件进行处理期间的抵抗刮擦或摩擦(即 通过摩擦被移除）的能力相关。
[0003] 使用底漆的另一重要的考虑因素是在金属表面与被粘合至金属表面的材料之间 形成的接头的耐用性和抗腐蚀性。运在结构应用（如飞机结构）中尤为重要，因为运些接头 被暴露于宽范围的具有极端溫度、高湿度和高腐蚀性海洋环境的环境条件下。为了避免接 头失效并符合严格的商用客机和货机标准，结构部件的经粘合剂粘合的接头必须耐受恶劣 的环境条件，并且具体而言是耐腐蚀和耐潮湿、含盐环境中的解体，特别是来自海沫或除冰 材料的那些。运些接头的失效通常开始于水扩散通过粘合剂，然后腐蚀底层的金属结构。
[0004] 仍然需要一种使用底漆调配物粘合金属结构体的方法，所述底漆调配物可通过喷 涂形成基本上光滑的膜，且同时符合环境法规、提供高粘合性能和腐蚀保护。
[0005] 概述
[0006] 本文公开了一种在经由可固化的粘合剂将金属表面粘合至第二基材之前将单组 分的水基粘合底漆组合物施加至第一基材的金属表面上的方法。所述粘合底漆组合物是一 种含有水、一种或多种环氧树脂、一种或多种固化剂、硅烷化合物、少量碳酸亚丙醋(PC)和 任选的添加剂的水基分散体。
[0007] 附图简述
[0008] 图IA是示出根据一个实施方案的由包含碳酸亚丙醋的调配物形成的底漆膜的表 面的摄影图像。
[0009] 图IB是示出由不含溶剂的对照调配物形成的底漆膜的表面的摄影图像。
[0010] 图2是示出根据另一实施方案的由包含碳酸亚丙醋的调配物形成的底漆膜的表面 的摄影图像。
[00川详述
[0012] 本公开的粘合底漆组合物提供给金属材料、特别是用于航空工业中的侣和侣合金 腐蚀保护和增强的粘合能力。已经发现，碳酸亚丙醋的存在通过能够形成在固化前抗刮擦 并抗摩擦且在固化后抗溶剂擦拭的光滑底漆膜来增强所述底漆组合物的成膜。另外，碳酸 亚丙醋可W通过与所述底漆组合物中的某些水溶性固化剂/催化剂反应而起到缓冲剂的作 用，W稳定并提供中性的抑(约7±0.5)。一些水溶性固化剂和催化剂(例如咪挫)往往溶解 于所述水基底漆组合物中W形成具有高碱性抑的溶液，从而对底漆膜至金属表面的粘合产 生负面影响。因此，碳酸亚丙醋是所述底漆组合物中的多功能组分。
[0013] 本公开的一个方面设及在将金属表面粘合至第二基材之前将所述水基粘合底漆 组合物施加至第一基材的金属表面上的方法。所述粘合底漆组合物是固含量为1〇%-25% 且含有W下物质的水基(或水性)分散体:水、一种或多种热固性树脂、一种或多种固化剂/ 一种或多种催化剂、硅烷化合物W及少量的碳酸亚丙醋(PC)dPC的量W重量百分数计小于 基于组合物总重量的15重量％ (重量百分数），优选在1重量％-10重量％的范围内。在一些 实施方案中，PC的量可W是约10-15g/L的水基底漆组合物。可W通过喷涂将所述粘合底漆 组合物施加至金属表面上W形成光滑、连续的底漆膜。在此上下文中，术语"光滑"是指基本 上不含可感知的凸起、团块或凹痕且外观不呈粉末状的具有均匀的表面的膜。此外，经喷涂 的底漆膜能够在环境溫度(2rC-26°C)下30分钟或更短时间、例如15-30分钟被风干。由于 PC的负载量较低，因此所述底漆组合物容易符合当前的OSHA(职业安全和健康管理局 (Occupational Safety and 胎alth Adminishation))和REACH(关于化学品的注册、评 估、许可和限审|]'法案（Registration,Evaluation,Authorization and Restriction of 化emicals))的要求。目前，碳酸亚丙醋在美国被认为是非VOC化合物。
[0014] 对于金属基材至另一基材(金属或复合基材)的粘合剂粘合而言，可通过喷涂或刷 涂将本公开的水基底漆组合物施加至金属表面上W形成可固化的底漆膜。在环境溫度下在 少于30分钟内被风干后，所述可固化的底漆膜抗刮擦和摩擦。优选在施加所述底漆组合物 之前预处理所述金属表面，W增强所述金属表面至随后施加的底漆膜的粘合，并提供给所 述金属表面耐腐蚀性。在粘合总成(assembly)之前，在烘箱中在升高的溫度(例如在250 °F 或350T下保持一小时）固化所述底漆膜。然后通过在所述金属基材的经底涂的表面与第二 基材之间提供可固化、聚合物粘合膜将所述金属基材的经底涂的表面粘合至第二基材。所 述第二基材可W是另一种金属基材或由包埋于基质树脂中或经基质树脂浸溃的增强纤维 构成的复合基材。可将粘合剂施加至所述第二基材的表面上，或可选择地，可将粘合剂施加 至第一基材的经底涂的表面上。然后使所得的总成在升高的溫度下经受固化W固化所述粘 合剂，并因此产生粘合的结构。固化可W通过将热和压力施加至所述总成来实施。配制所述 底漆组合物W使得它可W与可在250-35(TF(12rC-177°C)的范围内的溫度下固化的常规 可固化、聚合物粘合剂(特别是，基于环氧化物的粘合剂)相容。
[0015] 本文所用的术语"基材"包括具有任何形状和构造的层和结构体。
[0016] 如本文所用的术语"固化"是指通过化学添加剂、紫外福射或热实现的聚合物链的 交联来硬化聚合物材料。"可固化"材料是指能够被固化、即变得硬化的那些材料。
[0017] 当所述第二基材是由增强纤维和基质树脂构成的复合基材时，所述基质树脂可W 是部分或完全固化或未固化的。当所述基质树脂在所述粘合剂连接两个基材之前是未固化 的或仅部分固化时，在粘合阶段期间所述基质树脂的完全固化与所述粘合剂的固化同时进 行。
[0018] 可将所述底漆组合物W若干层施加（例如通过喷涂）至金属表面直到实现所希望 的膜厚度。例如，所施加的底漆组合物的量应使得经固化的底漆膜可具有约0.0001英寸至 约0.0003英寸(或0.1密耳至0.3密耳)的厚度。
[0019] 本文所公开的水基底漆组合物优选包含无机或有机腐蚀抑制剂，W进一步改善长 期防腐性能。
[0020] 为增强金属表面至随后施加的聚合物底漆膜的粘合，可W在向其上施加所述底漆 组合物之前预处理所述金属表面。合适的表面处理包括本领域技术人员已知的湿式蚀刻、 阳极氧化(如憐酸阳极氧化(PAA)和憐酸/硫酸阳极氧化(PSA))和溶胶-凝胶工艺。合适的表 面处理的更具体的实例是ASTM D2651，其包括用肥皂溶液清洗，然后湿式蚀刻，然后用酸进 行阳极氧化。本文所公开的水基底漆组合物被配制成与运些不同的表面处理相容。
[0021] PAA通常设及使用憐酸(例如ASTM D3933)来形成金属氧化物表面，且PSA通常包括 使用憐酸-硫酸来形成金属氧化物表面。阳极氧化产生了所述底漆组合物可W渗透其中的 多孔、粗糖表面。粘合主要源自粗糖表面和底漆膜之间的机械联锁(interlocking)。
[0022] 溶胶-凝胶工艺通常设及