一種納米矽無機塗層的噴塗工藝的製作方法
2023-04-28 18:30:17 2
本發明涉及無機塗層的技術領域，尤其涉及一種納米矽無機塗層的噴塗工藝。
背景技術：
無機塗層，主要應用於五金件上如銅、鋁、不鏽鋼或鋁合金等，現有的納米矽無機塗層，其在成膜中由納米矽溶膠進行縮聚反應形成矽氧烷鍵連結而成的立體多孔網絡狀[—si—o—si—]n結構，矽氧烷鍵鍵能高、極其穩定，耐老化性能、耐溫性高，已經較廣的應用，但現有的納米矽無機塗層存在兩個問題：
1、光澤度較低：光澤度在10-30°之間，屬於啞光面，塗覆後會使基材失去原有的金屬光澤；
2、塗層厚度薄；塗層厚度在10～50μm之間，像具有類似無機矽酸鹽材料一樣致命的弱點——脆性大，塗層過厚(厚度超過約50μm)，在後期應用過程中由於熱脹冷縮極易出現龜裂現象；或者在噴塗之後的熱處理過程就會出現龜裂現象。
技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種納米矽無機塗層的噴塗工藝，通過塗料的製備和分段熱處理工藝，解決了現有無機塗層過厚時乾燥時容易有裂紋或後期使用時容易出現龜裂現象的技術問題，打破了現有無機塗層厚度僅能在10-50μm的技術局限。
為達此目的，本發明採用以下技術方案：
一種納米矽無機塗層的噴塗工藝，包括以下步驟：
a、塗料的製備：
塗料的原料配方包括矽溶膠和含羥基的有機改性劑，具體的製備為：首先將矽溶膠和有機改性劑按配比進行混合，熟化後獲得基料，向基料內加入防裂粉，攪拌均勻後獲得底漆，備用；
b、塗料噴塗：
將底漆噴塗於基材的表面；
c、分段熱處理：
將步驟b噴塗後的基材進行烘乾，其中烘乾依次包括預反應成膜階段和低溫燒結反應階段，所述預反應成膜階段為採用50℃-100℃烘烤2-30min；所述低溫燒結反應階段為採用100℃-150℃烘烤30-90min。
更一步的說明，底漆中矽溶膠和有機改性劑的質量之比為：1.0：1～2.0：1，防裂粉的添加量為矽溶膠和有機改性劑總質量的2％-15％。
更進一步的說明，所述步驟a中塗料的製備還包括面漆的製備，所述面漆的製備為按配比將矽溶膠和有機改性劑進行混合，熟化後獲得面料，備用；
步驟b中塗料噴塗為分層噴塗方式，所述分層噴塗方式為先將底漆均勻的噴塗於基材表面，乾燥後再噴塗面漆。
更進一步的說明，步驟b中底漆乾燥後還包括噴砂或打磨工序。
更進一步的說明，步驟b中底漆噴塗之後還包括中漆噴塗，中漆乾燥後再噴塗面漆，其中中漆的配方包括基料和防裂粉。
更進一步的說明，步驟b中底漆乾燥或/和中漆乾燥後還包括噴砂或打磨工序。
更進一步的說明，步驟b中採用熱處理或自然表幹的方式進行乾燥，其中熱處理方式為40℃-100℃烘烤1-30min。
更進一步的說明，所述底漆和面漆的配方中包括色漿，其中底漆中的色漿添加量大於面漆中的色漿添加量。
更一步的說明，底漆或中漆中的色漿的添加量為矽溶膠和有機改性劑總質量的20％-60％。
更進一步的說明，步驟a中矽溶膠和有機改性劑的攪拌採用球磨、超聲波、攪拌或超聲波和攪拌結合的方式進行熟化。
更進一步的說明，塗層噴塗的總厚度為10-120μm。
更進一步的說明，步驟c中預反應成膜階段和低溫燒結反應階段的溫度差範圍為40℃-80℃。
本發明的有益效果：
1、通過塗料的製備、分層塗覆以及分段熱處理工藝，由多孔網絡來使防裂粉和色漿均勻的分布於塗料中，可確保底層各性能的均一性，並由防裂粉來改善塗層的韌性，使本申請的塗層厚噴後不易出現龜裂，塗層厚度可提升至120μm，解決了現有無機塗層過厚時乾燥時容易有裂紋或後期使用時容易出現龜裂現象的技術問題，打破了現有無機塗層厚度僅能在10-50μm的技術局限；
2、通過底漆和面漆的結合，塗層的光澤度高，光澤度高達60-85°，與現有技術的無機塗層僅達10-30°的光澤度(即為啞光面)相比，本申請的塗層為亮光面，且塗層表面飽滿、美觀。
附圖說明
圖1是矽溶膠的粒子結構示意圖；
圖2是矽溶膠的粒子結構表面狀態的示意圖；
圖3是本發明的噴塗工藝的一個實施例的流程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖並通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
一種納米矽無機塗層的噴塗工藝，包括以下步驟：
a、塗料的製備：
塗料的原料配方包括矽溶膠和含羥基的有機改性劑，具體的製備為：首先將矽溶膠和有機改性劑按配比進行混合，熟化後獲得基料，向基料內加入防裂粉，攪拌均勻後獲得底漆，備用；
b、塗料噴塗：
將底漆噴塗於基材的表面；
c、分段熱處理：
將步驟b噴塗後的基材進行烘乾，其中烘乾依次包括預反應成膜階段和低溫燒結反應階段，所述預反應成膜階段為採用50℃-100℃烘烤2-30min；所述低溫燒結反應階段為採用100℃-150℃烘烤30-90min。
本申請的噴塗工藝，在基材表面噴塗底漆，其中，塗料製備中，塗料的原料配方包括矽溶膠和有機改性劑。
矽溶膠是二氧化矽膠體微粒在水中均勻擴散形成的膠體溶液，又名矽酸溶液，為鹼性溶液，ph值為10。矽溶膠屬於膠體溶液，無臭、無毒，分子式可表示為msio2·h2o，外觀為乳白色半透明液體。
矽溶膠的粒子結構和表面狀態如下圖1、2所示。矽溶膠粒子的內部結構為矽氧烷鍵(-si-o-si-)，表面層由許多矽氧醇基(-sioh)和羥基(-oh)所覆蓋，它們同膠體溶液中存在的鹼金屬離子一起形成擴散雙電層，粒子間的靜電作用對膠體溶液的穩定起重要作用。
優選的，有機改性劑為含有羥基的有機改性劑，其可以為含有羧基的改性聚矽氧烷或含有醯胺基的改性聚矽氧烷或草酸或檸檬酸等，其中的一種或者複合。
本申請先將矽溶膠和有機改性劑混合，進行熟化預反應，通過脫水縮合、放熱反應，並釋放出遊離水分子，反應為：
r—cooh(有機改性劑)+—sioh/—oh(矽溶膠)
由矽溶膠進行縮聚反應形成矽氧烷鍵連結而成的立體多孔網絡狀[—si—o—si—]n結構，獲得基料，其矽氧烷鍵鍵能高、極其穩定，耐老化性能、耐溫性高，另外，在底漆含有防裂粉，由於底漆也是先將矽溶膠和有機改性劑先進行熟化預反應，之後再加入防裂粉，其通過攪拌，防裂粉或其他填料分散進入[—si—o—si—]n結構的多孔網絡中，由多孔網絡來使防裂粉均勻的分布於塗料中，可確保底層各性能的均一性，並由防裂粉來改善塗層的韌性，此外，通過後期熱處理與前期熟化預反應階段的互穿反應，有機改性劑與矽溶膠進行脫水縮合反應，在矽溶膠部分矽氧醇基(-sioh)或羥基(-oh)上接枝形成帶「尾巴」的有機物，該反應產物穿插在主要結構多孔網絡狀[—si—o—si—]n結構的網格中；該反應產物既能提高聚矽氧烷網絡結構的柔韌性(不易脆裂)，又能改善矽溶膠的成膜性能。本申請的熱處理還分為了兩個階段，分別是預反應成膜階段和低溫燒結反應階段，預反應成膜階段，40-100℃熱處理2-50min，主要為有機溶劑(丙醇、乙醇)及水分的排出，成膜反應逐步進行，並形成具有一定強度的膜結構；低溫燒結反應階段，100℃-150℃熱處理30-90min，此階段為高沸點有機溶劑及水分的進一步排出，即充分進行上述成膜反應，直至完全反應(完全乾燥)，固結反應使強度、緻密度接近峰值，本申請通過分段熱處理，防止初期溫度過高，成膜反應過於劇烈，避免出現塗膜裂紋，使本申請的塗層厚噴後不易出現龜裂，塗層厚度可提升至120μm，解決了現有無機塗層過厚時乾燥時容易有裂紋或後期使用時容易出現龜裂現象的技術問題，解決了現有無機塗層厚度僅能在10-50μm的技術局限，現有技術中塗層塗覆超過50μm時，成品塗膜上就容易出現裂紋，後期應用時有龜裂現象。
更一步的說明，底漆中矽溶膠和有機改性劑的質量之比為：1.0：1～2.0：1，防裂粉的添加量為矽溶膠和有機改性劑總質量的2％-15％。
需要說明的是，防裂粉為納米纖維料，可以為納米級玻璃纖維或納米級尼龍纖維等，選用納米級別，使其更容易分散於塗料中，在乾燥、熱處理後均勻的分布在塗膜上。
更進一步的說明，其中烘乾依次包括預反應成膜階段和低溫燒結反應階段，所述預反應成膜階段與所述低溫燒結反應階段之間的轉化可以逐步升溫或直接調溫。
更一步的說明，所述步驟a中塗料的製備還包括面漆的製備，所述面漆的製備為按配比將矽溶膠和有機改性劑進行混合，熟化後獲得面料，備用；
步驟b中塗料噴塗為分層噴塗方式，所述分層噴塗方式為先將底漆均勻的噴塗於基材表面，乾燥後再噴塗面漆。
本申請的噴塗工藝，如圖3所示，至少分為了底漆和面漆的噴塗，在基材表面噴塗底漆，在底層塗膜表幹後加噴一層塗膜(面漆)。底漆一般是含有色漿或其他填料來用於覆蓋原基材表面的顏色，本申請用底漆的顏色來覆蓋基材原有的顏色，面漆則採用透明塗層或者少填料的配方來提高塗層的光澤度，通過底漆和面漆的結合，塗層的光澤度高，光澤度高達60-85°，與現有技術的無機塗層僅達10-30°的光澤度(即為啞光面)相比，本申請的塗層為亮光面，且塗層表面飽滿、美觀。
更一步的說明，步驟b中底漆乾燥後還包括噴砂或打磨工序。
通過噴砂或打磨，在各層的表面產生均勻細微的凹凸面，在凹凸面上再噴塗中漆或面漆，使層間的粘接更牢固，不會出現脫層現象，尤其是在底漆和面漆的銜接之間，通過細微凹凸面的設置，面漆噴塗時會自然流入凹孔內，成品後，如對其進行刮劃或撞擊等，即便是劃出痕跡，其痕跡處的光澤度基本沒有變化，痕跡的可觀察性大大的降低，如果不仔細觀察，也不會發現痕跡。需要說明的是，打磨使用砂紙打磨即可，噴砂使用現有技術即可，在此不再贅述。
更一步的說明，步驟b中底漆噴塗之後還包括中漆噴塗，中漆乾燥後再噴塗面漆，其中中漆的配方包括基料和防裂粉。
還包括中漆噴塗，中漆也含有防裂粉，進一步的提高塗膜的性能。通過中漆的加強層，使本申請噴塗工藝中噴塗厚度可進一步的增大，且成品後期應用不會出現龜裂現象。
更一步的說明，步驟b中底漆乾燥或/和中漆乾燥後還包括噴砂或打磨工序。通過噴砂或打磨，在各層的表面產生均勻細微的凹凸面，在凹凸面上再噴塗中漆或面漆，使層間的粘接更牢固，不會出現脫層現象，尤其是在中漆和面漆的銜接之間，通過細微凹凸面的設置，面漆噴塗時會自然流入凹孔內，成品後，如對其進行刮劃或撞擊等，即便是劃出痕跡，其痕跡處的光澤度基本沒有變化，痕跡的可觀察性大大的降低，如果不仔細觀察，也不會發現痕跡。需要說明的是，打磨使用砂紙打磨即可，噴砂使用現有技術即可，在此不再贅述。
更進一步的說明，如圖3所示，基材在噴塗之前，經過除塵處理和預熱處理，其中預熱處理為80℃5min，使底漆更快的流平和乾燥，提高底漆與基材的粘接性。
更一步的說明，步驟b中採用熱處理或自然表幹的方式進行乾燥，其中熱處理方式為40℃-100℃烘烤1-30min。
通過熱處理方式可更快的完成塗層的乾燥，節省時間。
更一步的說明，所述底漆和面漆的配方中包括色漿，其中底漆中的色漿添加量大於面漆中的色漿添加量。
塗膜的顏色主要由底漆來決定，中漆起到潤色加強作用，而面漆主要是提高塗膜的光澤度，因此麵漿不適合添加過多的色漿。其中對於有顏色要求的塗料，如果還設置有中漆，其底漆、中漆和面漆中色漿的添加量的大小為底漆＞中漆＞面漆，增設中漆噴塗，可確保完全覆蓋基材的原表色，可確保基材表面顏色的統一性。更一步的說明，底漆或中漆中的色漿的添加量為矽溶膠和有機改性劑總質量的20％-60％。
更一步的說明，步驟a中矽溶膠和有機改性劑的攪拌採用球磨、超聲波、攪拌或超聲波和攪拌結合的方式進行熟化。
其中，採用球磨方式時，需5-7h，採用超聲波方式時，需2h，採用攪拌方式時，需3-4h，採用超聲波和攪拌方式結合時，需0.5-2h，其中超聲波方式中反應的效果最佳，成膜性能比攪拌方式好。本申請通過長時間的攪拌、球磨或超聲波方式，讓矽溶膠和有機改性劑進行熟化預反應，通過充分反應來達到最佳的複合強度，提高塗膜的成膜性能。
更一步的說明，塗層噴塗的總厚度為10-120μm。
進一步的說明，步驟b中面漆的噴塗為2-3次。可通過重複多次噴塗中漆或面漆或分別噴塗厚的底漆、中漆和面漆來提高塗膜總的噴塗厚度，進一步的提高塗膜表面飽滿質感。另外，通過面漆的增塗，來提高塗膜的光澤度。
更一步的說明，步驟c中預反應成膜階段和低溫燒結反應階段的溫度差範圍為40℃-80℃。優選的，溫度差為50℃-60℃，避免層與層之間未進行邊界相容時就自固化，避免後期使用時容易出現脫層現象。
優選的，有機改性劑中還可以添加一些防汙劑、促進劑、流平潤溼劑或分散劑等。
實施例1
a、塗料的製備：
稱料：300g矽溶膠、200g有機改性劑、100g色漿(此處選用白色色漿，主要為超細鈦白粉)、25g防裂粉
基料的配置：將有機改性劑攪拌，並在攪拌的過程中添加矽溶膠，控制攪拌轉速約在400-800r/min，攪拌熟化反應時間為3h(其中為了防止攪拌過程中水分的散失，將料桶加蓋或者使用其他密封措施)，熟化後得到基料，並將該基料作為面漆；
底漆的配置：將上述製備的基料取250g攪拌，並在攪拌過程中依次加入色漿和防裂粉，充分攪拌20min，後靜置15min，備用。
b、塗料噴塗：
先噴底漆，厚度約為45μm，乾燥熱處理為：烘烤溫度：50℃，烘烤時間：3.5min；
乾燥後再噴面漆，厚度約為8～20μm；
c、分段熱處理：
將步驟b噴塗後的基材進行烘乾，其中烘乾依次包括預反應成膜階段和低溫燒結反應階段，所述預反應成膜階段為採用80℃烘烤45min；所述低溫燒結反應階段為採用150℃烘烤55min。
對比實施例1
a、塗料的製備：
稱料：300g矽溶膠、200g有機改性劑、100g色漿(此處選用白色色漿，主要為超細鈦白粉)、25g防裂粉
基料的配置：將有機改性劑攪拌，並在攪拌的過程中添加矽溶膠，控制攪拌轉速約在400-800r/min，攪拌熟化反應時間為3h(其中為了防止攪拌過程中水分的散失，將料桶加蓋或者使用其他密封措施)，熟化後得到基料，並將該基料作為面漆；
底漆的配置：將上述製備的基料取250g攪拌，並在攪拌過程中依次加入色漿和防裂粉，充分攪拌20min，後靜置15min，備用。
b、塗料噴塗：
先噴底漆，厚度約為45μm，自然晾乾乾燥後再噴面漆，厚度約為8～20μm；
c、分段熱處理：
將步驟b噴塗後的基材進行烘乾，採用120℃空烘烤80min。
對比實施例2
a、塗料的製備：
稱料：300g矽溶膠、200g有機改性劑、100g色漿(此處選用白色色漿，主要為超細鈦白粉)、25g防裂粉
基料的配置：將有機改性劑攪拌，並在攪拌的過程中添加矽溶膠，控制攪拌轉速約在400-800r/min，攪拌熟化反應時間為3h(其中為了防止攪拌過程中水分的散失，將料桶加蓋或者使用其他密封措施)，熟化後得到基料；
底漆的配置：將上述製備的基料取250g攪拌，並在攪拌過程中依次加入色漿和防裂粉，充分攪拌20min，後靜置15min，備用。
b、塗料噴塗：
噴底漆，厚度約為50μm；
c、分段熱處理：
將步驟b噴塗後的基材進行烘乾，其中烘乾依次包括預反應成膜階段和低溫燒結反應階段，所述預反應成膜階段為採用80℃烘烤45min；所述低溫燒結反應階段為採用150℃烘烤55min。
對比實施例3
a、塗料的製備：
稱料：300g矽溶膠、200g有機改性劑、100g色漿(此處選用白色色漿，主要為超細鈦白粉)、25g防裂粉
基料的配置：將有機改性劑攪拌，並在攪拌的過程中添加矽溶膠，控制攪拌轉速約在400-800r/min，攪拌熟化反應時間為3h(其中為了防止攪拌過程中水分的散失，將料桶加蓋或者使用其他密封措施)，熟化後得到基料，並將該基料作為面漆；
b、塗料噴塗：
噴面漆，厚度約為45μm；
c、分段熱處理：
將步驟b噴塗後的基材進行烘乾，採用120℃空烘烤80min。
對比實施例3隻噴塗面漆且只進行了單一階段的乾燥，經多次試驗證明，其最大限度僅可塗覆50微米的厚度，且當塗覆厚度為50μm時，後期乾燥過程中塗膜容易出現裂紋，不進行分漆分層塗覆和分階段熱處理的噴塗不能實現厚塗效果。
對上述實施例1和對比實施例1、2進行性能檢測，具體測試方法和依據標準如下表1：
表1
測試數據如下表2：
表2
以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護範圍的限制。基於此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發明的保護範圍之內。