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学术论文--防锈涂料用磷铁粉的有机表面改性处理

发布日期:2013年1月25日

防锈涂料用磷铁粉的有机表面改性处理

 

 

1、前言

钢铁制品的腐蚀不仅造成巨大的经济损失,同时也给人们的生命财产带来严重的安全隐患。对钢铁制品进行防腐处理是必不可少的工序。在众多的防腐蚀技术中,利用涂层防止金属腐蚀是一种最常用的方法,其中环氧富锌底漆以其优异的防腐性能得到广泛应用。为确保环氧富锌底漆发挥优异的防腐蚀性能,其锌粉含量占干膜质量比一般不低于77%,但是研究表明富锌底漆中只有25%的锌粉在阴极保护中起作用,其它锌粉基本属于浪费。提高锌粉的利用率,降低富锌底漆生产成本的同时又不减弱其防腐蚀性能就显得极为重要。

磷铁粉是一种新型无毒无公害的环保型功能性颜料及填充料。它是一种无毒、无臭、无异味、不燃不爆、灰黑色、超微细粉末,细度一般在500-1200目。 磷铁粉具有优异的防腐蚀性、导电性、导热性,广泛应用于无机富锌防锈涂料的生产中。磷铁粉在富锌防锈涂料中作补充之用,可替代20%80%的锌粉,能与金属锌粉一起叠加作用,达到更好的防腐性能。用磷铁粉和锌粉搭配使用制成的防腐涂料广泛用于汽车、船舶、码头的钢结构防腐。它不但可以取代部分锌粉以降低成本,还能避免或降低富锌涂料在进行电焊、切割等热加工时,容易释放出大量的氧化锌烟尘的几率。

磷铁粉防腐作用机理大致为:P2O5Fe3+离子和各种金属离子有更强的螯合力,在被涂物表面形成致密的钝化膜,对钢铁以及轻金属等的腐蚀具有极强的抑制作用。

 但是磷铁粉由于表面极性吸附的原因,在涂料中分散困难。因此在涂料生产过程中容易团聚、粘度大、难以快速分散,涂料储存过程中容易沉降,这就造成涂料生产困难和使用困难。要充分发挥磷铁粉的防腐性能,就必须对磷铁粉进行表面改性处理,以尽可能地提高其分散性能。

2.磷铁粉的油分散性

2.1.定义

    磷铁粉分散性是指磷铁粉在应用的树脂体系中能够分散开来并稳定存在的能力。它包括:润湿分散性和分散稳定性。

    润湿分散性表征磷铁粉在机械外力存在的情况下,能够在树脂体系中分散开来的难易程度。

    分散稳定性表征磷铁粉在无机械外力存在时,磷铁粉在树脂体系中保持分散状态的难易程度。  

2.2. 磷铁粉油分散性的影响因素

2.2.1润湿分散性

    磷铁粉的润湿分散性主要受分子间作用力、极性吸附、颗粒细度、颗粒形状、吸油量等因素影响。

分子间作用力:范德华力

极性吸附:极性基团(如羟基)所致

颗粒细度:粒径越小,分散性越好

颗粒形状:颗粒呈球形,有助于分散

吸油量:  吸油量低,有助于分散(体系粘度低,易润湿分散)。

2.2.2 分散稳定性

磷铁粉的分散稳定性主要受磷铁粉表面有机包膜剂与应用树脂之间的相容性所影响。要提高分散稳定性,良好的润湿分散性是前提。

相容性:相似相容或通过化学键链接,将磷铁粉与树脂连接在一起。

3.提高防锈涂料用磷铁粉的油分散性的解决办法

用于防锈涂料的磷铁粉,其粒径一般为500-1200目左右。这种细小颗粒具有极大的比表面积和吉布斯自由能,处于热力学不稳定的状态。当把磷铁粉加入到防锈涂料体系时,由于相邻粒子间的极性吸附和范德华力的作用,粒子有相互靠近,降低总比表面积和表面自由能的趋势,从而使磷铁粉颗粒从高度分散体向团聚体转化。对于未进行表面有机改性处理的磷铁粉,在与树脂一起磨浆时,磷铁粉很难分散,即使在高速搅拌时能分散开,一旦搅拌终止,它又会慢慢变成多聚体,防锈涂料行业称之为“颜料返粗”。

为了提高磷铁粉的分散稳定性,必须消除或削弱其表面极性和降低其表面自由能,提高磷铁粉与树脂的相容性。因此,建议采用具有较低自由能和易于扩展润湿的非离子性的硅醇类有机处理剂进行表面改性处理。这类有机处理剂一般含有长链脂肪链,可提高磷铁粉与树脂的相容性(最好选择分子结构与应用树脂相同或相似的有机处理剂),降低磷铁粉的表面张力以缩短磨浆时间;同时它还可以屏蔽磷铁粉表面的极性基团(如羟基),在磷铁粉表面生成位阻官能团,阻止磷铁粉颗粒相互靠近,增加团聚的难度,从而达到稳定分散的目的,防止“填料返粗”。

根据前述的防锈涂料要求,我们推荐使用PT-703粉体改性剂作为防锈涂料的有机包膜材料,它是纯有机硅材料生产,主要成分是硅烷预聚物和烷烃改性聚硅氧烷和少量硅醇聚合物,不含有任何传统有机物成分,具有耐温性好、润湿快、分散快等优点。它是专门针对防锈涂料用磷铁粉的特殊要求而开发的最新粉体改性剂。

4.磷铁粉的表面改性处理方法

4.1. 实验室使用方法

1)   在带有高速搅拌装置的烧杯中加入适量纯净水,开动搅拌,然后加入PT-703粉体改性剂,搅拌2分钟;

2)   加入磷铁粉,高速打浆15分钟;

3)   把磷铁粉浆料120度烘干;

4)   万能粉碎机预粉碎;

5)   气粉解聚;

6)   包装,制得成品;

7)   检测油分散性和吸油量。

实验记录:

磷铁粉

有机处理剂

有机处理剂比例

油分散性

吸油量

有机改性后

PT-703

1.0%

6.0

6.8

空白样

0

3.0

7.7

备注:油分散性和吸油量的测试方法见附录,参照钛白粉的检测方法。

从上述实验数据可以看出,经过PT-703粉体改性剂处理后的磷铁粉的分散性得到了大幅度的提高。

4.2.大生产使用方法:

 PT-703粉体改性剂在气流粉碎磨或雷蒙磨的进料口计量滴加或喷雾添加。

附录一:磷铁粉油分散性测试方法:

设备仪器及药品:

PM240-Ⅲ平磨仪,刮板细度仪(0-8),调刀,标准浆料,无水乙醇。

磷铁粉浆料制作方法:

1)   称量磷铁粉样品0.5克(精确到0.01克),标准浆料2克(精确到0.01克),亚麻仁油0.5克(精确到0.01克)待用;

2)   2克标准浆料和0.5克亚麻仁油转移到平磨仪上,把0.5克样品倒到浆料上 ,用调刀调匀,将浆料置于平磨仪中心,研磨;

3)   设定平磨仪转数为50/次,研磨4次,每次用调刀把平磨仪的俩个面上的浆料收集于平磨仪中心;

4)   磨好后浆料备用。

磷铁粉油分散性测试:

a)   用酒精和棉布擦干净刮板细度计;

b)   取一大滴磨好的浆料(以能充满沟槽并略多为宜)置于刮板细度计0刻度处;

c)   以双手拇指食指及中指持刮刀,使刮刀与刮板细度计表面垂直,以适宜的速度将刮刀由沟槽的深部向浅部拉过。

d)   立即(不超过5秒钟)横捏细度计并倾斜,使视线与沟槽平面成15-30度角对光观察沟槽中颗粒(4个以上)均匀显露处的刻度值,读数值即所测油分散性数值。

附录二:磷铁粉吸油量的测定:

设备及药品:

天平,调刀,玻璃板,精制亚麻仁油

测试方法:

准确称取1克(精确到0.01克)待测样品,置于玻璃板上,逐滴加入精制亚麻仁油,用调刀反复研压均匀,至样品完全润湿(样品能起团,轻压又能散),记录所消耗的精制亚麻仁油重量W

结果计算:

吸油量V=1/W 
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