水性硅酸盐涂料:终极环保涂料

硅酸盐涂料是碱金属硅酸盐 由天然物质如沙和碱制成. 碱金属硅酸盐 是由二氧化硅(SiO2)和锂、钠或钾的碳酸盐生成硅酸盐(SiO2/Na2O). 根据其配方,这些卓越的涂料可以有多种好处,包括:

  • 没有石油的基础
  • 出色的耐久性
  • 抗紫外线
  • 耐酸雨
  • 硬度高
  • 特殊的耐磨性
  • 杰出的硬度
  • 不易燃的
  • 粘附于多种基材
  • 高透湿性和透气性(可以是优点也可以是缺点)
  • 与矿物表面的化学结合
  • 耐热性(大多数硅酸盐基涂料的软化点为~ 1,200F)
  • 金属耐热漆(硅酸盐与铜混合), 镍, 铬或不锈钢粉末)
  • 良好的化学和物理性能
  • 零VOC

研究涂层材料

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硅酸盐基涂层的类型

硅酸盐基涂层的类型包括 硅酸盐,silicate-organic乳液 最后 sol-silicate.

硅酸盐基涂层类型的化学结构. 在勘探者知识中心了解更多.

可溶性硅酸盐 包括元素周期表1A组的元素(Li, Na, K). 由于硅酸盐是基于碱金属氧化物和二氧化硅,它们的溶液是碱性的. 随着碱金属硅的摩尔重量比的增大,硅与碱金属的摩尔重量比增大 pH 降低:

硅图:碱摩尔重量比. 在勘探者知识中心了解更多关于水性硅酸盐涂料.

相应的, 将碱金属硅酸盐与有机乳剂混合时, 对于大多数有机基乳剂来说,使用较高的硅与碱金属比例以获得最佳的稳定性和8 - 10的可行pH值是很重要的.

粘度 of 硅酸钠 solutions is a function of concentration, density and ratio of sodium: silicon. 较高或较低的比例增加粘度,最小粘度达到2.0重量比.

从结构的角度来看, 水传播的 硅酸盐 are glasses that have a wide variety of molecular structures in which the anions are monomers, 二聚体, 三聚, 支链, 和环结构, 以及其他三维网络. 碱金属(Li+, Na+ 和K+)附着在阴离子(Si - O -)上,形成复杂的碱硅酸盐.

Diagrams of silicate chemical structures - learn about 水传播的 silicate 涂料 in the 探勘者 知识中心.

在碱硅酸盐溶液中有两个平衡态,其中包括一个 酸碱平衡:

硅酸平衡的化学式. 在勘探者知识中心了解水性硅酸盐涂料.

以及 冷凝polymerization-depolymerization平衡:

硅酸盐缩聚解聚平衡的化学公式-在勘探者知识中心了解水性硅酸盐涂料.

不可逆反应也发生在多价阳离子,如Ca++ 也可能包括Mg++, Fe, Mn.

The ratio of alkali metal oxide to silica has a significant effect on 涂层 properties as illustrated in the table below:

较高的比率(高SiO2 低纳科3, e.g. 3.75比1)给出:较低的比率(Low SiO2 高纳科3, e.g. 2比1)给出:
低粘度更高的比重
干燥速度快更大的溶解度
固化速度快高pH值
对低温的敏感性增加更容易受到水的影响
涂层具有较高的耐化学性更高的粘性和约束力

商业上可用的硅酸盐通常按1的比例生产.5或更高. 涂料的基础上 硅酸钠 需要催化剂才能使用 环境治,但易受影响 粉化. Solutions of 硅酸钠 can react or cure with dissolved polyvalent ions including Ca++, Al+++ 和Mg++形成不溶性硅酸盐.

  • 钾硅酸盐 是自我固化,但反应慢吗.
  • 锂硅酸盐 具有较低的水溶性,用于减少水溶性副产品和 粉化.
    • 开花为淡白色, 粉末:一种物质(石头)表面的粉末沉积, 混凝土, 砖 and mortar) caused from mineral-rich water percolating to the surface through capillary action. 风化层通常由石膏、盐或方解石组成.

矿物碳酸钙(e.g. 方解石)与可溶性硅酸盐反应性低, 而沉淀碳酸钙则具有较高的反应活性. 硅酸钠的粘度很高 胶体二氧化硅 (stabilized silica particles less than < 100nm in size) have viscosities closer to that of water. pH has a major impact on the viscosity of 胶体二氧化硅 and form gels at a pH < 7 and a Sol when a pH is >7. Liquid sodium and 硅酸钾s also can be reacted with a variety of acidic or heavy metal compounds to produce solid, 不溶键或膜.

用酸性物质中和碱硅酸盐.g.(硫酸铝)使二氧化硅聚合并形成凝胶. 这就在发生胶凝的表面上产生一个键或膜. 可以以这种方式使用的化学固化剂包括:矿物酸和有机酸, 二氧化碳气体, 以及碳酸氢钠、磷酸一钠等酸性盐.

Silicate-emulsion油漆 由低水平的有机聚合乳液(~5%)和碱硅酸盐组成. 在硅化反应完成之前,乳液有助于提高耐水性, 这可能需要数周时间. 高含量的有机乳剂通常是不兼容的.

硅酸盐乳胶漆的典型成分包括:

  • 有机添加剂,如相容表面活性剂
  • 少量合适的聚结溶剂
  • 增稠剂(e.g. 羟乙基纤维素,或HEC),稳定剂和改性剂
  • 在较高pH值下稳定的乳剂,包括:
    • 聚合物的水分散体,如:
      • 丁苯
      • 聚苯乙烯
      • 氯丁橡胶
      • 聚氯乙烯
      • 聚醋酸乙烯酯
      • 丙烯腈共聚物
      • 丙烯酸聚合物和共聚物
    • 无机粘合剂如硅酸钾和填充颜料
    • 无机耐碱颜料

由于硅酸盐涂料一般不柔韧, they can be flexibilized by the addition of 1 to 5% by weight of glycerine or other polyhydric alcohols. 可使用高达30%的山梨醇, 需将硅酸盐溶液稀释,避免过度增稠.

橡胶格也可以用作增塑剂. 细碎土与类似填料的掺入,可在一定程度上提高粘土的柔韧性. 硅酸盐乳剂涂料也可配制用于铝, 镀锌钢, 钢, 石头, 砖, 混凝土, 之前粉刷过的表面使用了乳胶漆.

Sol-silicate油漆 是硅溶胶和硅酸钾的混合物吗. 有机粘结剂以10%或更低的百分比加入. 与其他大多数硅酸盐涂料不同, 硅溶胶涂料通过物理和化学结合与非矿物基质. 硅溶胶是溶解在酸性pH下的二氧化硅的稀溶液.

来源和进一步阅读:

显著提高传输效率

最初发表在 欧洲涂料杂志11 - 2018

用于非导电基板和复杂几何形状上静电喷涂的增强型技术. 通过自我Fozdar, 罗纳德·Lewarchik, 澳门买球排行App有限责任公司, 美国, 和Vijay Mannari, 东密歇根大学, 美国.

轻型汽车是塑料和高分子复合材料的重要市场, 在过去的五十年里有了显著的增长. 在其他原因, 这是由于与金属相比较便宜, 能够塑造复杂的几何形状, 减少体重, 由于减轻了重量,燃油经济性也提高了. 各种塑料和复合材料用于汽车内饰, 外壳, 电气系统, 动力系统和发动机部件. 其复杂的几何形状和基材的不导电性质意味着涂层不能使用静电喷涂, 是什么限制了传统喷涂方法的应用. 传统的液体涂层喷涂方法会造成传输效率的显著损失(根据基体的几何形状,约损失40- 60%)。, 所以这里有一个明显的市场机会.

Powder 涂料 have been identified as the most suitable and eco-friendly 涂料 for 塑料 because, 例如:

  • 无有害挥发性有机化合物
  • 更高的首次传递效率(高达90- 95%),
  • 过喷可重复使用/回收.
  • 优异的膜性能(坚韧、耐用、坚硬、耐刮伤)
  • 较低的加工时间和能量要求.
  • 一步法加工制程.
  • 但是粉末涂料塑料和复合材料也带来了一定的挑战,例如:
  • 采用静电喷涂的粉末涂料

塑性塑料和复合材料.
ą在低表面能的塑料上粘附粉末涂层.
ą选择正确的粉末化学,在低温下固化

由于塑料和复合材料的热偏转温度低.

澳门买球已经开发了一种方法来克服这些挑战.
使用CAPs,无需预热和等离子处理 和化学蚀刻塑料衬底同时改善薄膜 外观及使用效率.

结果一览

  • A new conductive adhesion promoter (CAP) technology for application in a continuous/conveyorised production line, 干的很快.
  • UV固化以及低温固化(LTC)粉末和液体涂层现在可以均匀地应用于塑料复合材料的re- ess/Faraday cage领域.
  • 在低膜厚的无孔衬底上,cap工作效率更高.
  • cap可以显著提高液体或粉末涂层对复杂几何形状塑料复合材料的转移效率.
图1导电材料表面电阻率分类.

地表电阻率是关键

图1 根据表面电阻率对导电材料进行分类. 为粉末涂料在塑料基材上的成功应用, surface resistivity of the substrate has to be less than 108 Ohm/Square (from our previous work published in 欧洲涂料日报》 20171). 这将它置于导电、静态耗散的范围 图1. (澳门买球将成功的应用程序定义为统一的外观, 薄膜的形成和粉末颗粒的沉积在基板上以及在应用时没有直接视线的凹槽区域.)

表面电阻率分级量化:

Anti-static
衰减率(秒衰减),在12%相对湿度下5000到50v
标准:MIL PRF 8705d, NFPA 56A

静态耗散(ESD)
表面电阻率(欧姆/平方)
表面电阻(欧姆)
标准:ASTM D257, ESD STM11.11日,IEC 60079 - 0

导电
体积电阻率(Ohm-cm)
表面电阻率(欧姆/平方)
标准:ASTM D257

EMI / RFI屏蔽
屏蔽效果(衰减分贝)
标准:ASTM D4935

图2: (Left) Uncoated polycarbonate/ABS composite; (Right) polycarbonate/ABS coated with UV curable powder 涂层.

澳门买球评估了不同类型的导电剂,如四分之一 三元铵化合物(QAS)、炭黑、石墨烯等 导电纳米粒子. 确定最合适的电导率 Ity agent,澳门买球制定了实验设计和涂布各种 多孔与无孔、不导电的基材不同 各种负载下的导电剂. 它们的表面电阻率为 给出了 表1 & 图5 & 6. 这些结果显示很少或没有 差异是由于所有衬底的变化都非常小.

除了电导率,使用QAS有几个缺点- 是的,因为它们与湿度、工艺和温度有关. 它们的迁移性质并不能保证足够的灵活性或粘性 面漆与基材的接触. 对于导电炭黑,显著 高负载需要得到足够低的表面电阻率,以便 粉末涂层形成一层均匀的薄膜,使其变质 薄膜的机械性能.

表1 还表明,如果澳门买球加载导电剂超过一定的点,那么表面电阻率的下降不一定是实质性的或线性的. We need to find the optimum amount for porous substrates (such as MDF) and non-porous substrates (e.g. 聚碳酸酯、PC/ABS、玻璃、木塑复合材料,多孔性较差).

Figure 3: (Left) Uncoated 木-plastic composite (WPC); (Right) 木-plastic composite coated with UV curable powder 涂层.
图4: Cohesive failure of powder 涂层 on 木-plastic composite after Positest pull-off adhesion test.
图5:表面电阻率的对数(欧姆/平方)Vs. 总配方固体中电导率的百分比.

塑料上的粘附涂层

The 涂料 and ink industry faces the challenge of the adhesion of liquid and powder 涂料 to 塑料, 尤其是热塑性烯烃. 传统方法如火焰处理, 电晕放电, 气体等离子体, UV exposure and chemical oxidation can be used to oxidise the surface of the substrate to promote adhesion. 表面氧化增加了对表面能的极性贡献,产生了更多的极性成键位点,而不显著改变分散贡献. 涂层最好在处理后不久应用,因为氧化产生短命的自由基物种,并且部分可逆. A major difficulty with ‘radiative’ techniques is achieving uniform surface coverage without over-treating, which introduces chain-scission and can lead to cohesive failure within the surface of the substrate.

The amount of halogen in the modified polymeric adhesion promo- tor determines the compatibility with various 油漆 systems. 一旦聚合物粘附促进剂与导电纳米颗粒分散, it associates with 塑料 and composite substrates via dispersion interaction and adheres to it. 卤化材料和接枝的官能团增加了CAP的极性,促进了CAP与基体和粉末/液体表面涂层的界面粘附.

图6:表面电阻率(欧姆/平方)对. 导电纳米颗粒对总配方固体的负载百分比.
图7: (Left) Uncoated curved porcelain tile; (Right) curved porcelain tile coated with low temperature cure powder 涂层 with texture finish.
Table1:Surfaceresistivityofcoatedsubstrateusingdifferenttypesofconductivityagentatvariousloadings.
Table 2: Heat deflection temperature of different 塑料 and type of powder 涂层 that can be used.

衬底类型影响很大

Not all plastic substrates can withstand the high curing temperatures of conventional powder 涂层, 160-200 °C. 在这样的高温下,大多数塑料往往会软化、降解甚至融化. 在基材的热偏转温度以下应用和固化粉末涂料是安全的. The heat deflection temperature is a measure of poly- mer’s ability to bear a given load at elevated temperatures.

方法

将cap应用于PC/ABS、MDF、木塑复合材料 干膜厚度为10-14 μm的弧形瓷砖 喷嘴处空气压力为20psi的喷枪. 他们干/治愈 室温下静置3 ~ 5分钟.

一种可紫外光固化的光滑白色环氧粉末涂料(图2 & 3)和低温固化织构黑色混合(环氧/聚酯)粉末涂料(图7),用静电喷枪涂在涂有CAP的基片上. UV固化粉末首先在120°C下融化3-4分钟,然后使用带中压h -球的传送带UV烘箱固化, 低温固化粉在130℃下固化5分钟.

为了确定界面附着力,进行了正拉脱附着力试验. 用20 mm的胶轮进行了多次粘附试验,以确定涂层失效的界面和发生失效的力/面积. The dry film thickness of the CAP and the cured powder 涂层 were measured using Positector B100/ B200, 超声波薄膜测厚仪(表3, 图4 & 8).

澳门买球现在在哪里?

  • cap确保静电喷涂设备所喷涂的带负电荷的粉末颗粒得到充分的消散,并促进界面附着力.
  • 在低膜厚的无孔衬底上,cap工作效率更高. On porous substrates higher film thickness may be required since some of the material would be absorbed by a porous substrate.
  • CAPs使粉末涂层成功应用于各种塑料复合材料(均匀性), 膜的形成, 能够覆盖凹槽区域, 等.).
  • CAPs可以显著提高对具有复杂几何形状的塑料复合材料涂覆液体或粉末的转移效率.
图8:Positest拉离附着力测试的图形表示, ASTM D4541 -粉末涂料内的粘结失效, 无界面粘结失效.
表3:ASTM D4541 Positest AT-A拉脱附着力测试.

问Atman Fozdar 3个问题

你如何定义“传统”和“非传统”基质?
目前的静电应用技术只允许金属基板(本质上是导电的,需要接地消散静电)成功地涂粉. 导电粘附促进剂(CAP)技术使粉末涂料成功地应用于非导电或非传统基板,如玻璃, 陶瓷, 塑料, 复合材料, 木, 女警官等. 通过使基板表面导电和提高粉末涂层与基板之间的界面附着力, which was not possible otherwise with conventional Quaternary Ammonium Salts and other approaches.

除了轻型车辆外,还有哪些塑料涂层应用是可行的?
汽车用塑料复合材料只是展示CAP技术的例子之一. 几乎, 任何塑料基板或复合材料(用于电器), 建设, medical or industrial areas) that can withstand 120 °C (melting temperature of powder) can be powder coated. 澳门买球预计木塑复合材料市场的巨大潜力,以及回收塑料的更有效的涂层应用,具有更高的首次传递效率和零VOC.

What are the most important challenges that must be overcome before commercialisation of this technology?
澳门买球正在研究MDF等多孔基质的优化配方. 此外,零VOC水性版CAP大约需要8-10分钟才能干燥/固化. 澳门买球正在评估其他聚合物,以减少干燥/固化时间,以便能够在连续/传送带环境中使用,以提高生产率.

参考文献

[1] Fozdar.Mannari V. “Development of Low VOC Static Dissipative Coat- ing for Powder Coating Non-Traditional Substrates.欧洲涂料杂志,2017年4月.

特写图片:来源:Dmitry Perov - stock.adobe.com

无热无光? 无问题-与固化剂的常温固化涂料

环境养护 by definition relies on conditions that are available in an ambient environment such as moderate temperature, 自然光线, 水分和空气. 从使用赭石为基础的洞穴涂料40,大约4万年前,早期埃及人所使用的,这是由颜料组成的, wax and eggs; humans have been searching for and developing new chemistries and ingredients to provide improved performance of 涂料 applied at ambient conditions.

墙上的油漆色板-在勘探者知识中心学习固化剂如何提高环境固化涂料的性能.
版权: archidea / 123RF Stock照片

由自然产生的色素和 干燥油从亚麻籽, 罂粟籽, 核桃和红花, 印度和中国画家在5世纪到10世纪之间首次使用了环境固化交联颜料.

The proper use of curing agents (either or both single or two component types) can provide improved:

  • 抗化学腐蚀
  • 抗湿性
  • 附着力
  • 硬度
  • 耐蚀性
  • 耐气候性

本文将只介绍环境固化剂的一般考虑,重点介绍较新的化学物质或较少使用的化学物质. 正如之前勘探者的文章中提到的 常规环氧双组分(2K)涂料、双组份涂料 polyol-isocyanate技术 最后 湿固化硅烷功能交联剂和偶联剂, 这里不讨论这些技术.


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Isocyanate-free聚氨酯化学

According to the California Department of Public Health, exposure to isocyanates can cause asthma. Occupational asthma has overtaken asbestosis as the leading cause of new work-related lung disease. 在过去的几年中,出现了不使用异氰酸酯交联剂来形成聚氨酯的异氰酸酯技术,从而消除了异氰酸酯的暴露. 采用Isofree 2K技术 聚碳酸酯和聚醛 例如,包括提高喷涂罐寿命,快速固化和早期硬度. 不使用异氰酸酯交联剂形成聚氨酯的技术如下:

1. 六乙氧基甲基三聚氰胺+聚碳酸盐岩聚氨酯

Chemical reaction: Hexamethoxy methyl melamine + Polycarbonate -> Polyurethane

2. 聚碳酸酯+聚胺聚氨酯

Chemical reaction: polycarbonate + Polyamine -> Polyurethane

3. 聚氨基甲酸酯+聚甲醛聚氨酯

Chemical reaction: Polycarbamate + Polyaldehyde -> Polyurethane

反应1和反应2中聚氨酯的形成在室温下缓慢, 而#3的反应速率 聚碳酸酯与聚醛的交联反应 更温和的. 通过这种反应方式形成的聚氨酯具有更长的喷涂罐寿命,同时,与使用异氰酸酯交联剂相比,使用后的反应速度更快.

Ketimine-Epoxy

提供稳定的环氧胺单组分涂料的一种方法是利用环氧胺 受阻胺交联剂. 伯胺与酮反应生成酮胺. 酮胺不易与环氧基反应. 在有水的情况下, ketimines release the free amine plus ketone which is the reverse reaction of ketimine formation. Normally methyl ethyl ketone is used which upon application volatilizes quickly under ambient conditions, 然后胺与环氧树脂反应形成固化膜. A 水分清道夫 添加剂可以在使用前消除与水的反应.

化学反应:常温固化除湿剂

Ketimine-epoxy系统 在没有水的情况下是无限稳定的,因此可以允许单组分系统.

与不饱和基团交联

  • 丙烯酸低聚物可以作为交联剂,通过a 迈克尔加成反应. 由于反应很快,可使用受阻胺(酮胺)。. 一旦氯胺酮在水分的存在下畅通, it forms a primary amine that adds to the acrylate for the reaction of a primary amine and an acrylate. 见下面的说明.
在环境固化涂料中的化学反应-在勘探者知识中心了解更多
  • 丙烯酸低聚物也可以用 迈克尔加成反应 用乙酰乙酰化树脂和它们的烯胺类似物.
  • 乙烯聚合 -使用丙烯酸和/或甲基丙烯酸酯低聚物和适当的不饱和聚酯(使用富酸酯和/或马来酸酯基团)的涂料可用于双组分体系,并添加适当的自由基引发剂,如过氧化甲基乙基酮和促进剂,如环烷酸钴和二甲基苯胺.

其他常用于常温固化涂料的交联反应

硬化剂交联官能团树脂交联 集团交联集团
PolyaziridineR-COOH(羧基)乙酰脲
硅烷 三乙氧基硅烷和脂肪族环氧 双重自我治愈机制硅氧烷 & 环氧酯
碳化二亚胺 r n = C = N-RR-COOHn -尿素
异氰酸酯预聚物R-NCOR-OH(羟基)R-NH2(水与异氰酸酯反应生成的氨基)聚氨酯脲
酰肼电阻-电容= OKetone

来源: