專利名稱：無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米技術、納米材料及化工靜電粉末涂料領域，具體涉及一種用于鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化靜電噴涂納米粉末涂料及其制備方法，屬于國際專利分類C09D5/03“粉末涂料”技術領域。
背景技術：
我國用于金屬表面噴涂的靜電粉末涂料工業(yè)近年有較快的發(fā)展，但是與先進國家相比，該工業(yè)產業(yè)領域的整體技術水平仍有較大的差距，尤其是靜電粉末涂料產品的技術性能和特殊功能作用方面存在著許多缺陷與不足。所以，我國涂裝業(yè)的主要技術設備和原材料，高質量及特殊功能性的涂料產品仍然依賴進口。利用納米技術和納米材料對傳統的靜電粉末涂料工業(yè)進行改造，是迅速提高我國靜電粉末涂料工業(yè)整體技術水平和提高靜電粉末涂料產品技術性能及使用功能的有效捷徑。
金屬材料表面進行涂裝處理的主要目的是為了防腐、增加防護功能(如阻燃、隔熱、絕緣等)和裝飾作用。但是，最基本最關鍵的還是為了防腐。在自然環(huán)境中，鋁及鋁合金、鎂合金和鋼基材會受到以自然界的光線、空氣和濕度(水份)的直接腐蝕或以上述三種形式為媒介的物理、化學和生物物質的深度腐蝕。由于使用傳統微米階段的技術和材料生產的傳統靜電粉末涂料對鋁及鋁合金、鎂合金和鋼基材表面進行的保護性涂裝，根本克服不了處于納米階段以下的，以分子、原子為基本狀態(tài)的光線、空氣和濕度(水份)的直接腐蝕，或以這三種形式為媒介的物理、化學和生物物質對鋁及鋁合金、鎂合金和鋼基材表面的深度滲透腐蝕。每年因金屬表面被腐蝕而給我國和世界涂裝工業(yè)及相關工業(yè)領域帶來的損失是十分驚人的，并且嚴重阻礙了我國和世界涂裝工業(yè)及相關工業(yè)產業(yè)的發(fā)展。
為了避免鋁及鋁合金、鎂合金、鋼基材表面被腐蝕，減少工業(yè)損失，我國沿用了國際慣用的傳統防腐工藝技術，在鋁及鋁合金、鎂合金表面鍍上一層金屬鉻，在鋼鐵材料表面鍍上一層磷，用鉻離子和磷進一步將上述金屬材料與外界的光線、空氣和水(濕度)隔離，完成防腐鍍層處理后，再在鉻鍍層和磷鍍層表面進行涂裝處理，并且參照國際標準，將鋁及鋁合金、鎂合金表面鉻化，鋼鐵表面磷化處理工藝技術和標準，制定成我國金屬材料表面涂裝的國家涂裝工業(yè)標準。
由此可知，傳統的金屬表面涂裝技術和涂裝材料，是根本起不到防腐作用的。而金屬材料在涂裝前，按照國家涂裝工業(yè)技術標準規(guī)定的鉻化和磷化鍍層工藝，不僅增加了企業(yè)的工業(yè)成本，更為嚴重的是鉻和磷的致癌物及毒害物質，隨著鉻化、磷化工藝產生的大量工業(yè)廢水排出，造成了嚴重的環(huán)境污染，危及了人們的生命健康和城市的發(fā)展。所以，世界貿易組織和我國政府及時報導了歐盟關于全面禁止所有含鉛、鎘、汞和六價鉻等六種有毒有害物質率先在家用電器設備及產品的使用和歐盟市場銷售的兩項禁令(簡稱“兩指令”)。歐盟“兩指令”的發(fā)布，危及到中國的家電產業(yè)利益，并將對中國的涂裝業(yè)、金屬材料與金屬表面技術領域產生了嚴重的影響，提高了上述產業(yè)國際貿易出口的門檻。為了實現改變鋁及鋁合金、鎂合金鉻化，鋼材磷化的傳統靜電噴涂粉末涂料的性能和防腐工藝，促使該工業(yè)企業(yè)領域的技術和產品全面升級換代，提高我國涂裝業(yè)整體技術水平，并且銷除因鉻化、磷化產生的工業(yè)污染和產品污染對環(huán)境和人體的毒害作用。這是本項目研究發(fā)明的主要目的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的，是提供一種納米技術和納米材料，以對傳統靜電粉末涂料進行改性處理，生產出一種鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼基材無需磷化的高致密性靜電噴涂納米粉末涂料。作為金屬涂裝無鉻化、無磷化防腐處理工藝技術的替代技術和方法。本發(fā)明可以在全面提升鋁及鋁合金、鎂合金、鋼基材表面涂裝的各項技術指標，增加新的功能的基礎上，實現消除因鉻化、磷化工藝處理產生的工業(yè)和產品對環(huán)境的污染和對人體的毒害危害。在消除鉻化、磷化造成的工業(yè)污染，發(fā)展環(huán)保涂裝工業(yè)的同時，達到維護綠色生態(tài)環(huán)境的目的。
本發(fā)明的技術方案如下。
一種無需鉻化磷化靜電噴涂納米改性粉末涂料，是將一定粒徑范圍內的粉體聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒中添加一定比例、一定粒徑范圍的無機復合納米粒子，對聚酯類和環(huán)氧類靜電噴涂粉末涂料進行改性處理。
所述的粉體聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒的粒徑應在0.5μm～50μm范圍內。
所述的無機復合納米粒子的量級在5nm～100nm范圍內。
所用的無機復合納米粒子必須經過“打開”和“表面修飾”的分散技術處理，按所需要的一定配比進行復合再造粒。
經過復合再造粒的無機復合納米粒子的粒徑與聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒的粒徑比例控制在(0.1～100)∶(100～100000)以內。
根據涂層的不同功能要求，無機復合納米粒子的成份分別選自納米氧化鈦、氧化銀、氧化鋅、氧化鋁、氧化硅、氧化鑭、鈰混合稀土和納米蒙脫土。
在聚酯或環(huán)氧樹脂粉末顆粒中添加無機復合納米粒子的比例為0.1～3％。
無需鉻化磷化靜電噴涂納米改性粉末涂料的制備方法，采取二次熔煉法進行制備，其過程如下(1)先將聚酯或環(huán)氧樹脂粉體顆粒與無機復合納米粒子進行熔煉組合，其步驟包括①將聚酯或環(huán)氧樹脂按上述粒徑規(guī)格進行粉碎后，按所述的納米量級要求和制作方法制成無機復合納米粒子，再按所述的比例，以100公斤作為一單位計量，裝入全密封攪拌容器中進行充分混合，攪拌均勻，得到無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂充分分散混合的預混粉料；②將無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂混合后的預混粉料裝入粉末涂料熔煉擠出設備中進行第一次熔煉、擠出、制片和破碎，得到無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒充分分散混合的合成料；(2)然后將無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹酯合成料與其它填充材料進行第二次熔煉組合，其制作過程如下①將無機復合納米與聚酯或環(huán)氧樹脂充分分散混合制備的合成料與所需的其它結構填充料或助劑按(50％～70％)∶(50％～30％)的比例，以100公斤作為一個單位計量，裝入全密封攪拌容器中進行充分混合攪拌均勻，得到靜電噴涂納米粉末涂料的預混粉料；②將上述預混粉料，第二次裝入粉末涂料熔煉、擠出設備中進行熔煉、擠出、制片和破碎，得到所述靜電噴涂納米粉末涂料的合成料；③將上述合成料，裝入全密封微型顆粒粉碎設備中進行研磨粉碎，研磨后的顆粒粒徑要求為30μm范圍之內，并完成全密封下的包裝，得到無需鉻化磷化的高致密性靜電噴涂納米粉末涂料產品。
本發(fā)明的技術原理由于傳統靜電噴涂粉末涂料的粒徑是在微米階段，用傳統技術工藝生產的這種粉末涂料噴涂的涂層不致密，根本無法阻止自然界光線、空氣和濕度(水份)的直接腐蝕或上述三種媒介形式的物理、化學和生物對被涂基材的深度滲透腐蝕，由于金屬被腐蝕后會造成涂裝涂層脫落。所以，就需要鍍上一層鉻或磷，用鉻離子或磷將上述腐蝕因素隔離，用以防止金屬被腐蝕、增加涂裝涂層的附著力。按本發(fā)明的制備方法在粉末涂料材料中添加了無機復合納米材料后，粉末涂料的性質和性能與未加無機復合納米材料以前發(fā)生了顯著變化。眾所周知，塑料(聚酯、環(huán)氧)材料本身易帶電，粒徑大的攜帶電荷多，因此帶電量大，靜電噴涂過程中，在電相力的作用下，粒徑大的塑料(聚酯、環(huán)氧)顆粒在空中的飛行速度快，首先飛落到被涂的金屬基材表面，在攜帶相同電荷靜電的相互排斥作用下，這些大粒徑的塑料(聚酯、環(huán)氧)顆粒均勻平整地排列吸附在金屬基材表面，粒徑小的在空中飛行的速度慢，隨后到達金屬基材表面。由于靜電的強吸收，在庫侖力作用下，粒徑小的顆粒只能依次填充到粒徑大的顆?？障独铮⒁酝瑯釉?，下一層依舊錯位排列吸附在第一層粉末涂層上。在上述電相力和庫侖力作用過程中，將含有無機復合納米粒子的不同粒徑的粉末涂料顆粒均勻、致密地吸附在金屬基材表面，形成致密粉末涂層。在高溫熔化、流平過程中，利用納米充分分散包裹特性，將微米粉末顆粒進行包裹后使其發(fā)生聚合性變，經固化后，使涂層更加致密、均勻、牢固地在金屬表面形成與外界環(huán)境完全隔離的高致密屏蔽保護涂層，達到鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化就能抵抗上述金屬被深度腐蝕的目的。
本發(fā)明技術方案的優(yōu)點如下1.采用了納米技術工藝和傳統技術工藝相結合的技術方案，制備出用于鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化的高致密度納米粉末涂料。實現取締金屬表面涂裝前的鉻化和磷化前處理工藝過程，以此消除因鉻化和磷化產生的工業(yè)和產品對環(huán)境的污染及對人體的毒害危害。達到維護綠色生態(tài)環(huán)境的目的。
2.利用納米技術工藝對傳統靜電粉末涂料技術工藝進行改造，全面提高靜電粉末涂料產品的技術性能及使用功能，促使該工業(yè)企業(yè)領域的技術和產品升級換代。
3.本發(fā)明方案使得在制備和使用這種鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化的高致密性靜電噴涂納米粉末涂料時，無需更換傳統生產設備。
本發(fā)明提高和增加了粉末涂料的技術性能和使用功能，促使傳統的靜電粉末涂料技術產品升級換代，促進我國涂裝工業(yè)產業(yè)的發(fā)展。
本發(fā)明的納米技術產品的良好性能與傳統技術產品對比，本發(fā)明的產品和方法具有良好的性能，體現在1.由于納米涂層的高致密性形成的金屬型材與外界環(huán)境完全隔離的高致密屏蔽保護涂層，型材無需鉻化或磷化，就能達到防腐的目的。
2.在納米充分分散滲透特性的作用下，改變了涂層與基材的附著機理，使涂層與被處理基材的附著力極強。
3.在納米聚合作用下，涂層硬度增加，壓痕硬度可以達到100～180，是傳統粉末涂料的2～3倍。
4.涂層表面更加致密、光潔，涂層表面抗劃痕、耐摩擦性大大增加。
5.涂層的強度、韌性、抗沖擊力和抗剪切力以及抗冷、熱疲勞性能大幅度提高，飽和視覺和彈性效果十分顯著。
6.涂層具有良好的屏蔽紫外線性能，保證產品抗老化功能更加穩(wěn)定持久。
7.納米的光觸媒催化作用，可以使涂層具有自清潔功能和殺菌除臭功能效果。
8.在納米材料的作用下，納米涂料產品攜帶靜電的能力大為增強。在噴涂生產過和中，納米粉末涂料的上粉率大幅度提高。保證了型材陰角內側凹處被涂料完全覆蓋，沿邊效果良好。同時提高了生產工效，降低了粉末涂料的消耗。
9.納米改性粉末涂料產品噴涂加工工藝性能好，上粉率高、落粉少，涂層表面致密、光滑，平整、細膩，觸摸感覺和外觀視覺比普通型粉末涂料質量好，為型材生產加工企業(yè)增加市場竟爭力。
10.納米材料表現出極強的抗外界物理干擾性能，保持對環(huán)境的穩(wěn)定性，在納米粒子充分分散包裹特性作用下，有效的抑制材料內源性有害物質分子釋放和抗外界有害物質的吸附，這種超然的穩(wěn)定效果，將綠色環(huán)保材料的技術指標提高到一個新的標準。


圖1展示了經過分散技術處理的納米粒子的顯微圖象；圖2是本發(fā)明的工藝流程示意圖。
具體實施例方式
1.對微米材料和納米材料粒徑與粒徑比的設計要求(1)微米粉末涂料材料的粒徑要求
①聚酯或環(huán)氧樹脂材料顆粒粒徑為0.5μm～50μm內；②其它顏填料、助劑顆粒粒徑應在35μm以上。
(2)納米材料粒徑的要求無機納米粒子的量級為5nm～100nm以內。
(3)無機復合納米材料粒徑與微米材料粒徑比要求經過再造粒后的無機復合納米顆粒徑與聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒的粒徑比例為(0.1～100)∶(100～100000)以內。
2.對無機復合納米材料的技術要求本發(fā)明中所使用的無機復合納米材料中各種材質的納米粒子，必須經“打開”和“表面修飾”技術處理后，能夠充分分散的納米材料，并且按不同功能所需要的一定配比進行復合再造粒。
3.對微米材料和無機復合納米成份的要求(1)對微米材料成份的要求使用的是傳統粉末涂料的基本結構成份(略)。
(2)對無機復合納米材料成份的要求根據涂料不同功能的要求，無機復合納米材料的成份分別由納米氧化硅、氧化銀、氧化鋅、氧化鈦、氧化鋁、氧化鑭、鈰混合稀土和納米蒙脫土等。
4.納米粉末涂料的成份比例(1)聚酯或環(huán)氧樹脂材料中添加的無機復合納米材料的比例為0.1～3％范圍內；(2)含無機復合納米粒子的聚酯或環(huán)氧樹脂材料與其它顏填料或助劑的比例為(50％～70％)∶(50％～30％)。
5.制備方法本發(fā)明的一種鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化、鋼無需磷化的高致密性納米改性粉末涂料是采取二次熔煉法制備的。
如圖2工藝流程圖所示，制備過程如下(1)按照本發(fā)明的工藝流程設計，先將聚酯或環(huán)氧樹脂粉體顆粒與無機復合納米粒子進行熔煉組合。其步驟如下①先將聚酯或環(huán)氧樹脂材料，按0.5μm～50μm粒徑規(guī)格進行粉碎；將量級內的無機納米材料首先進行“打開”和“表面修飾”的分散技術處理，根據粉末涂料的功能需要，按所需的材料比例和粒徑要求進行復合再造粒；然后將聚酯或環(huán)氧樹脂材料和無機復合納米粒子按97％∶3％比例，以100公斤作為一個單位計量，裝入全密封攪拌容器中進行混合攪拌均勻，得到聚酯或環(huán)氧樹脂與無機復合納米粒子充分混合的預混粉料；②將聚酯或環(huán)氧樹脂與無機復合納米粒子充分混合的預混粉料裝入粉末涂料熔煉、擠出設備中進行第一次熔煉、擠出、制片和破碎，其熔煉設備和制備過程為公知技術。得到聚酯或環(huán)氧樹脂與無機復合納米粒子充分分散混合的合成料。
(2)按照本發(fā)明的工藝流程設計，然后將聚酯或環(huán)氧樹酯與無機復合納米合成料與粉末涂料的其它填充料進行第二次熔煉組合，其制作過程如下①將聚酯或環(huán)氧樹脂與無機復合納米混合制備的合成料與粉末涂料所需的其它結構的顏填料和助劑按65％∶35％的比例，以100公斤作為一個單位計量，裝入全密封攪拌容器中攪拌均勻，得到按權利要求1所敘的鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化、鋼無需磷化納米粉末涂料的預混粉料；其它結構的顏填料和助劑為公知的材料和配方，省略敘述。
②將鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化的納米粉末涂料預混粉料，第二次裝入粉末涂料熔煉、擠出設備中進行熔煉、擠出、制片和破碎，其熔煉設備和制備過程同上述為公知性的，略述。得到鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化靜電噴涂納米粉末涂料的合成料；③將鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化靜電噴涂納米粉末涂料的合成料，裝入全密封微型顆料粉碎設備中進行研磨粉碎。本設備裝置屬粉末生產企業(yè)通用的設備，略述。研磨后的粒徑規(guī)格為30μm以下，并完成密封下的包裝，得到按權利要求1中所敘的鋁及鋁合金、鎂合金無需鉻化，鋼無需磷化的高致密性靜電噴涂納米粉末涂料產品。
權利要求
1.一種無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于是將一定粒徑范圍內的粉體聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒中添加一定比例、一定粒徑范圍的無機復合納米粒子，對聚酯類和環(huán)氧類靜電噴涂粉末涂料進行改性處理。
2.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于所述的粉體聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒的粒徑應在0.5μm～50μm范圍內。
3.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于所述的無機復合納米粒子的量級在5nm～100nm范圍內。
4.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于所用的無機復合納米粒子必須經過“打開”和“表面修飾”的分散技術處理，按所需要的一定配比進行復合再造粒。
5.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于經過復合再造粒的無機復合納米粒子的粒徑與聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒的粒徑比例控制在(0.1～100)∶(100～100000)以內。
6.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于根據涂層的不同功能要求，無機復合納米粒子的成份分別選自納米氧化鈦、氧化銀、氧化鋅、氧化鋁、氧化硅、氧化鑭、鈰混合稀土和納米蒙脫土。
7.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料，其特征在于在聚酯或環(huán)氧樹脂粉末顆粒中添加無機復合納米粒子的比例為0.1～3％。
8.按照權利要求1所述的無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料的制備方法，其特征在于采取二次熔煉法進行制備，其過程如下(1)先將聚酯或環(huán)氧樹脂粉體顆粒與無機復合納米粒子進行熔煉組合，其步驟包括①將聚酯或環(huán)氧樹脂按上述粒徑規(guī)格進行粉碎后，按所述的納米量級要求和制作方法制成無機復合納米粒子，再按所述的比例，以100公斤作為一單位計量，裝入全密封攪拌容器中進行充分混合，攪拌均勻，得到無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂充分分散混合的預混粉料；②將無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂混合后的預混粉料裝入粉末涂料熔煉擠出設備中進行第一次熔煉、擠出、制片和破碎，得到無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒充分分散混合的合成料；(2)然后將無機復合納米粒子與聚酯或環(huán)氧樹脂合成料與其它填充材料進行第二次熔煉組合，其制作過程如下①將無機復合納米與聚酯或環(huán)氧樹脂充分分散混合制備的合成料與所需的其它結構填充料或助劑按(50％～70％)∶(50％～30％)的比例，以100公斤作為一個單位計量，裝入全密封攪拌容器中進行充分混合攪拌均勻，得到靜電噴涂納米粉末涂料的預混粉料；②將上述預混粉料，第二次裝入粉末涂料熔煉、擠出設備中進行熔煉、擠出、制片和破碎，得到所述靜電噴涂納米粉末涂料的合成料；③將上述合成料，裝入全密封微型顆粒粉碎設備中進行研磨粉碎，研磨后的顆粒粒徑要求為30μm范圍之內，并完成全密封下的包裝，得到無需鉻化磷化的高致密性靜電噴涂納米粉末涂料產品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無需鉻化磷化靜電噴涂納米粉末涂料及制備方法。用于鋁、鋁合金、鎂合金、鋼的靜電噴涂。采取二次熔煉法制備而成。首先，在一定粒徑范圍內的粉體聚酯或環(huán)氧樹脂顆粒中添加一定比例、一定粒徑范圍的無機復合納米粒子，進行第一次熔煉、擠出、制片、破碎。然后，將含有無機復合納米粒子的聚酯或環(huán)氧樹脂與其它填充料，按一定比例混合，進行第二次熔煉、擠出、制片、破碎，再經超細粉碎研磨制出。充分利用電相力和庫侖力，將含有無機復合納米粒子不同粒徑的粉末涂料顆粒，均勻致密地吸附在金屬基材表面，形成高致密涂層。
文檔編號C09D167/00GK1710001SQ200510089870
公開日2005年12月21日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權日2005年8月10日
發(fā)明者張立德, 咸才軍, 薛晨晨, 嚴素榮, 張寶忠 申請人:北京市中科捷達技術研究所