一种用于碳钢金属表面的超疏水防腐涂层及其制备方法

1.本发明属于金属表面改性技术领域，具体涉及一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层及其制备方法。


背景技术：

2.碳钢金属因其导热性、导热性、高强度、高加工性等优点，在军工、国防、船舶等领域得到了广泛的应用。然而，在潮湿和腐蚀性的环境下，碳钢金属极易受到腐蚀，从而影响其正常工作。碳钢金属的腐蚀主要是由化学和电化学作用引起的，这种破坏造成了大量的经济损失，同时也造成了环境污染，资源浪费，阻碍了新技术的发展。因此，人们一直致力于探索碳钢金属的有效防护技术。
3.目前，碳钢材料的防腐措施有很多，如涂层保护法、缓蚀剂保护法、电化学保护法等。这种保护措施可以在一定程度上保护碳钢金属，但是一旦与水接触，就会在表面扩散，使得腐蚀离子更容易与基底接触，并导致涂层脱落，造成不可预见的腐蚀。
4.超疏水涂层区别于传统防护方法，具有优良的自清洁、抗覆冰和油水分离的性能。超疏水表面即接触水的接触角度超过150度，滚动角度低于10度。其抗腐蚀机理源自大自然，很多植物的叶片、动物的羽毛都有明显的疏水性。
5.经对现有技术的文献检索发现，中国申请公开号：cn 114213881 a、名称为“一种用于镁合金的超疏水防腐涂层及其制备方法”的专利中，在镁合金表面覆盖磷酸锶防腐涂层和超疏水涂层，改良镁合金的耐腐蚀性能。然而其制备超疏水涂层时使用机械搅拌不能使活性剂和有机溶剂混合完全。中国申请公开号：cn 114085590 b、名称为“一种在碳钢表面形成有机-无机杂化超疏水防腐涂层的方法”的专利中，在碳钢表面刮涂上涂膜液,待涂膜液达到半固化状态时﹐置于超疏水纳米si0,分散液中进行浸渍处理,取出加热固化,以在碳钢表面形成有机-无机杂化超疏水防腐涂层。然而此方法制备工艺繁琐，刮涂过程操作不便。
6.因此，制备一种用于碳钢表面的工艺简便，防腐性能优良的超疏水涂层至关重要。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种超疏水防腐涂层的制备方法，更具体涉及一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层的制备方法，通过制备超疏水防腐涂层，以解决在潮湿和腐蚀性的环境下，碳钢金属极易受到腐蚀的问题。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：
9.一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层的制备方法，包括如下步骤：
10.步骤(1)：对碳钢表面进行常规的预处理,使用砂纸对碳钢表面进行打磨,之后分别使用分析丙酮和分析乙醇对打磨后的碳钢进行干燥和脱脂。
11.步骤(2)：在聚二甲基硅氧烷中加入固化剂作为超疏水涂层的基体。
12.步骤(3)：将聚二甲基硅氧烷及固化剂，均匀涂抹在碳钢表面，经过干燥后，获得聚
二甲基硅氧烷涂层。
13.步骤(4)：将预定数量的纳米钛粉加入聚二甲基硅氧烷乳液中，并用机械搅拌器预混，以获得均匀的混合物。
14.步骤(5)：为了使金属添加剂均匀分散，使用三辊轧机将纳米钛粉进一步剪切分散在聚二甲基硅氧烷基体中。
15.步骤(6)：剪切分散后，将收集的纳米钛粉与聚二甲基硅氧烷混合物与固化剂混合，充分搅拌至形成混合凝胶。
16.步骤(7)：使用滴涂法将混合凝胶涂敷于聚二甲基硅氧烷涂层上，继续固化后，最终得到用于碳钢表面的超疏水防腐涂层。
17.进一步地，步骤(1)中依次用200～2000目的砂纸对碳钢表面进行打磨。
18.更具体地，步骤(1)中用砂纸进行机械抛光后，用分析乙醇清洗去除水分，然后用分析丙酮脱脂。
19.进一步的，步骤(2)中固化剂为道康宁184硅橡胶。
20.更具体地，步骤(2)中聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1。
21.进一步地，步骤(3)中聚二甲基硅氧烷及固化剂均匀涂抹在碳钢表面，在80℃下干燥2h，获得聚二甲基硅氧烷涂层。
22.进一步地，步骤(4)中纳米钛粉质量百分比浓度为1～30wt％，优选地，所述纳米钛粉质量百分比浓度为5～20wt％。
23.更具体地，步骤(4)中纳米钛粉的粒径为50～150nm，优选地纳米钛粉的粒径为70～130nm。
24.更具体地，步骤(4)中纳米钛粉粒径的组成为79.3nm:55.9％，99.9nm:31.8％，125.8nm:10.1％，158.4nm:1.8％，199.4nm：0.2％。
25.更具体地，步骤(4)中使用机械搅拌器以600rpm的速度预混合0.5h，以获得均质混合物。
26.进一步地，步骤(5)中三辊轧机的间距为10～30μm。
27.更具体地，步骤(5)中，将步骤(4)的混合物依次通过间距为20～40μm，10～30μm，5～20μm,0～10μm的间距设置。优选地，步骤(4)的混合物依次通过间距为25～35μm，15～25μm，5～15μm,0～5μm的间距设置。
28.更具体地，步骤(5)中将步骤(4)的混合物通过三辊轧机第一次5～20次，第二次5～20次，第三次5～20次，第四次5～30次。优选地，步骤(5)中，将步骤(4)混合物通过三辊轧机第一次5～15次，第二次5～15次，第三次5～15次，第四次10～20次。
29.进一步地，步骤(6)中固化剂为聚胺650#。
30.更具体地，步骤(6)中混合物与固化剂的质量比为10：1。
31.进一步地，步骤(7)中使用滴涂法将混合凝胶涂敷于聚二甲基硅氧烷涂层上。继续在80℃下固化3h，最终得到一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层。
32.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
33.1、碳钢金属有机防腐涂层的失效可能是由于侵袭性介质通过扩散穿透涂层并到达金属基体。到达的腐蚀性介质与金属基板发生反应，使涂层与基板之间的附着力受到破坏。也就是说，水在涂层中的扩散越困难，涂层的防护性能越好。纳米钛粉具有较高的离子
电阻，可以抑制阳极和阴极区域之间的外部流动。因此加入纳米钛粉的涂层，水在涂层中扩散困难，水的扩散系数减小，从而使涂层的防腐性能优越。
34.2、聚二甲基硅氧烷基体是一种低表面能聚合物，具有超疏水特性。超疏水表面粗糙的微纳结构填充了大量空气，阻止了腐蚀离子接触基体形成腐蚀。同时由于毛细效应，超疏水表面的低表面能会使表面的腐蚀液体被拉普拉斯压力挤出，不能润湿表面，从而对基底提供有效的保护。
35.3、在制备工艺上，为了使纳米钛粉均匀分散，使用三辊磨机将纳米钛粉剪切分散到聚二甲基硅氧烷基体中。三辊轧机的相邻轧辊以不同的角速度和方向旋转，轧辊之间的微米级间距可产生相当大的剪切力。当纳米钛粉与聚二甲基硅氧烷混合物通过狭窄间隙时，通过剪切力作用，使纳米钛粉均匀分散到聚二甲基硅氧烷基体中。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
37.图1为实施例1、实施例2的三辊研磨机工作示意图。
38.图2为实施例1、实施例2的液滴在超疏水表面的人润湿性效果图。
具体实施方式
39.下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地解释说明本发明的技术方案,从而使本领域技术人员能很好地理解和利用本发明,而不是限制本发明的保护范围。
40.本发明实施例中涉及到的实验方法、生产工艺、仪器及设备,其名称和简称均属于本领域内常规的名称,在相关用途领域内均非常清楚明确,本领域内技术人员能够根据该名称理解常规工艺步骤并应用相应的设备,按照常规条件或制造商建议的条件进行实施。
41.本发明实施例中使用的各种原料或试剂,并没有来源上的特殊限制,均为可以通过市售购买获得的常规产品。也可以按照本领域技术人员熟知的常规方法进行制备。
42.本发明以下实施例中,均以q235型碳钢(100
×
100mm)作为金属基材,给出了一种超疏水防腐涂层的制备方法。
43.本发明提供的一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层的制备方法，包括以下步骤:
44.步骤(1)：对碳钢表面进行常规的预处理,依次用200～2000目的砂纸对碳钢表面进行机械抛光后，用分析乙醇清洗去除水分，然后用分析丙酮脱脂。
45.步骤(2)：在聚二甲基硅氧烷中加入固化剂道康宁184硅橡胶作为超疏水涂层的基体。聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1。
46.步骤(3)：将聚二甲基硅氧烷及固化剂均匀涂抹在q235型碳钢表面，在80℃下干燥2h，获得聚二甲基硅氧烷涂层。
47.步骤(4)：将质量百分比浓度为5～20wt％，粒径组成为79.3nm:55.9％，99.9nm:31.8％，125.8nm:10.1％，158.4nm:1.8％，199.4nm：0.2％的纳米钛粉加入聚二甲基硅氧烷
乳液中，并用机械搅拌器以600rpm的速度预混合0.5h，以获得均质混合物。
48.步骤(5)使用三辊轧机将纳米钛粉进一步剪切分散在聚二甲基硅氧烷基体中。混合物依次通过间距为25～35μm(第一次通过5～15次)、15～25μm(第二次通过5～15次)、5～15μm(第三次通过5～15次)和0～5μm(第四次通过10～20次)的间距设置。
49.步骤(6)：剪切分散后，将收集的纳米钛粉与聚二甲基硅氧烷混合物与固化剂聚胺650#混合，混合物与固化剂的质量比为10：1，充分搅拌至形成混合凝胶。
50.步骤(7)：使用滴涂法将混合凝胶涂敷于聚二甲基硅氧烷涂层上。继续在80℃下固化3h，最终得到q235型碳钢表面的超疏水防腐涂层。
51.现根据本发明的制备方法详细描述如下实施例:
52.实施例1：
53.本实施例提供的一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层的制备方法,其特征在于,其包括以下步骤:
54.步骤(1)：对碳钢表面进行常规的预处理,依次用200～2000目的砂纸对碳钢表面进行机械抛光后，用分析乙醇清洗去除水分，然后用分析丙酮脱脂。
55.步骤(2)：在聚二甲基硅氧烷中加入固化剂道康宁184硅橡胶作为超疏水涂层的基体。聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1。
56.步骤(3)：将聚二甲基硅氧烷及固化剂均匀涂抹在q235型碳钢表面，在80℃下干燥2h，获得聚二甲基硅氧烷涂层。
57.步骤(4)：将质量百分比浓度为5wt％，粒径组成为79.3nm:55.9％，99.9nm:31.8％，125.8nm:10.1％，158.4nm:1.8％，199.4nm：0.2％的纳米钛粉加入聚二甲基硅氧烷乳液中，并用机械搅拌器以600rpm的速度预混合0.5h，以获得均质混合物。
58.步骤(5)使用三辊轧机将纳米钛粉进一步剪切分散在聚二甲基硅氧烷基体中。混合物依次通过间距为25μm(第一次通过15次)、15μm(第二次通过15次)、8μm(第三次通过15次)和3μm(第四次通过20次)的间距设置。
59.步骤(6)：剪切分散后，将收集的纳米钛粉与聚二甲基硅氧烷混合物与固化剂聚胺650#混合，混合物与固化剂的质量比为10：1，充分搅拌至形成混合凝胶。
60.步骤(7)：使用滴涂法将混合凝胶涂敷于聚二甲基硅氧烷涂层上。继续在80℃下固化3h，最终得到q235型碳钢表面的超疏水防腐涂层。
61.将实施例1制得的所述超疏水防腐涂层进行性能测试,结果如下:所述超疏水防腐涂层的涂层水接触角为150
°
,盐雾测试(astm b117)7天后未见腐蚀点。
62.实施例2：
63.步骤(1)：对碳钢表面进行常规的预处理,依次用200～2000目的砂纸对碳钢表面进行机械抛光后，用分析乙醇清洗去除水分，然后用分析丙酮脱脂。
64.步骤(2)：在聚二甲基硅氧烷中加入固化剂道康宁184硅橡胶作为超疏水涂层的基体。聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1。
65.步骤(3)：将聚二甲基硅氧烷及固化剂均匀涂抹在q235型碳钢表面，在80℃下干燥2h，获得聚二甲基硅氧烷涂层。
66.步骤(4)：将质量百分比浓度为10wt％，粒径组成为79.3nm:55.9％，99.9nm:31.8％，125.8nm:10.1％，158.4nm:1.8％，199.4nm：0.2％的纳米钛粉加入聚二甲基硅氧烷
乳液中，并用机械搅拌器以600rpm的速度预混合0.5h，以获得均质混合物。
67.步骤(5)使用三辊轧机将纳米钛粉进一步剪切分散在聚二甲基硅氧烷基体中。混合物依次通过间距为30μm(第一次通过10次)、20μm(第二次通过10次)、10μm(第三次通过10次)和5μm(第四次通过20次)的间距设置。
68.步骤(6)：剪切分散后，将收集的纳米钛粉与聚二甲基硅氧烷混合物与固化剂聚胺650#混合，混合物与固化剂的质量比为10：1，充分搅拌至形成混合凝胶。
69.步骤(7)：使用滴涂法将混合凝胶涂敷于聚二甲基硅氧烷涂层上。继续在80℃下固化3h，最终得到q235型碳钢表面的超疏水防腐涂层。
70.将实施例2制得的所述超疏水防腐涂层进行性能测试,结果如下:超疏水防腐涂层的涂层水接触角为142.3
°
,盐雾测试(astm b117)7天后未见腐蚀点。
71.以上结果证明,本发明一种用于碳钢表面的超疏水防腐涂层的制备方法具有优异的超疏水性能耐腐蚀能力。
72.以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改﹑等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。