一种氟碳烯锌基粉末复合涂层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及重防腐粉末涂料涂装，具体涉及一种氟碳烯锌基粉末复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对涂料的需求和性能要求也越来越高了，特别是在高原、山地、沙漠、海洋等恶劣环境下，对涂料的防腐性能和使用寿命提出了更高的要求。

2、重防腐涂料具有使用寿命长，能够在苛刻的腐蚀环境下使用的优势，而得到广泛的应用，目前常用的重防腐涂料多为液态或粉末状环氧富锌底涂，在腐蚀环境中，它能够牺牲锌粉而保护金属基材，但传统的环氧富锌涂料中存在80%的锌粉才能使锌粉和金属基材以及锌粉和锌粉间形成良好的导电网络，对金属基材实现阴极保护的作用。然而，涂料中锌粉含量过高，制备出的涂层易产生多孔，导致其附着力降低，在生产和配置涂料时，锌在树脂中分散较为困难，液体涂料在保存、运输和使用时锌粉易发生沉淀，导致涂料中的锌分布不均匀，且漆膜的柔韧性差。

3、石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜新型二维材料，具有高比表面积、快速导电性、优异的力学特性和稳定性能，其层片状结构更有利于弥补涂层中锌之间、锌与金属基材间的电接触，形成更多的导电网络，增强涂层的阴极保护作用，是减少锌粉用量，提高涂层耐腐蚀性的理想材料。然而，由于石墨烯在固体防腐涂料中分散困难，且石墨烯大多是纳米级或微米级的材料，比较轻、薄，因此，将石墨烯应用于固体、粉末防腐涂料中，会出现喷涂困难，石墨烯不易吸附在金属基材表面的问题。现有的石墨烯重防腐涂料大多为溶剂型重防腐涂料，溶剂型重防腐涂料中含有大量的有机溶剂，这些有机溶剂在生产和施工的过程中会释放出来，对施工人员和环境造成很大的危害。目前，世界各国环境保护法规对涂料中挥发性有机溶剂(vocs)含量的限制日益严格。若简单地将石墨烯和粉末涂料组份进行机械物理混合，因石墨烯过轻的原因，造成混合分散不均匀，静电喷涂时石墨烯四处飘散，无法有效在基材和漆膜上实现附着，喷涂工艺无法实现，将石墨烯科学地融入粉末涂料中是行业急需解决的难题。因此，固体粉末石墨烯重防腐涂料的研发和创新迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种氟碳烯锌基粉末复合涂层及其制备方法和应用，能够减少锌粉的使用量，提高重防腐涂料漆膜的各项综合性能，且不含有挥发性有机溶剂。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种氟碳烯锌基粉末复合涂层，包括环氧石墨烯锌粉粉末底涂和氟碳粉末面涂，其中，环氧石墨烯锌粉粉末底涂包括石墨烯环氧树脂粉末、锌粉、酚类固化剂、固化促进剂、流平剂和附着力促进剂，其重量比依次为：（30-50）：（30-40）：（10-15）：（0.6-1）：（10-13）：（0.1-3）。

3、本方案的有益效果为：本技术方案通过在环氧石墨烯锌粉粉末底涂中添加石墨烯环氧树脂粉末，石墨烯环氧树脂粉末能够给底涂中提供石墨烯，石墨烯可在底涂涂层中组建超级电化学回路，并能充分利用涂层中的锌粉补充防腐所需电荷，从而增强了涂层的阴极保护作用，减少了锌粉的用量，同时，石墨烯的形貌为薄层片状结构，与环氧树脂交联时刻呈横向排列，起到结构交联及封闭作用，有效阻挡从面层到底层方向的分子渗透侵蚀，使得底涂的防电化学腐蚀、耐粉化、耐风化及耐酸雨侵蚀等性能得到大大提升，且延长了底涂的综合防腐寿命，可为后续中涂和面涂提供稳固的基础。由于锌粉用量的大幅度降低，有效的改善了传统环氧富锌底涂中涂层漆膜的“脆度”缺陷，进而有效提升底涂的附着力、硬度、韧性等综合性能，且提高了锌粉的分散能力，使得锌粉在涂料中分散的更加均匀，同时，能够减少锌资源的浪费。

4、本技术方案通过采用石墨烯环氧树脂粉末替代了传统的环氧树脂和石墨烯，解决了石墨烯在固体防腐涂料中分散困难，以及由于石墨烯轻薄而不适用粉体喷涂的技术难题，这一技术难题是人们渴望解决，而一直未得到解决的技术难题，通过采用石墨烯环氧树脂粉末替代了传统的环氧树脂和石墨烯，能够大量地减少锌粉的用量，提高重防腐涂料的各项综合性能，且不含有挥发性有机溶剂，这对重防腐涂料性能的提升、锌资源的节约、施工人员的健康以及环保都具有巨大的贡献；同时，由于石墨烯大多是纳米级或微米级的材料，比较轻、薄，将其应用于固体防腐涂料中，会出现喷涂、吸附困难的技术问题，特别需要指出的是，液体石墨烯重防腐涂料（不管是水性还是油性）中有机溶剂会对施工人员的身体健康和环境造成危害，本发明用粉体无溶剂粉末涂料替代溶剂型和水性石墨烯涂料，开创了石墨烯粉体重防腐涂料应用的先河。

5、本技术方案由于固化促进剂的加入，能够提升酚类固化剂的反应活性，使得固化后的涂膜具有优异的附着力、柔韧性、抗冲击性、光亮度、流平性及防腐蚀性能；本技术方案由于流平剂的加入，能够提升漆膜外观的平整度，同时，也能提升涂膜的滑爽性和抗挂伤性；本技术方案由于附着力促进剂的加入，能够为增强涂膜的附着力，同时，能够提升底涂中有机和无机颗粒成分交联集合的界面相容性和与金属基材的附着结合力。

6、本技术方案的面涂采用氟碳粉末面涂，氟碳粉末面涂是在聚酯面涂的基础上引入了氟碳树脂，让面涂具有较强的耐户外老化性能和疏水、易清洁等功能，使得由环氧石墨烯锌粉粉末底涂和氟碳粉末面涂组成的复合涂层具有优异的附着力和耐紫外、耐酸雨、耐老化性能。

7、底涂和面涂均为粉末状，因此，在喷涂或生产的过程中，不会释放挥发性有机溶剂，不会对施工人员的身体健康造成伤害，也不会造成环境污染。

8、进一步，石墨烯环氧树脂粉末中石墨烯的固含量为1%-3%。

9、本方案的有益效果为：石墨烯是在一步法生产环氧树脂的过程中加入的，石墨烯与环氧树脂分子相互包裹，形成合二为一的异质结构。

10、将石墨烯环氧树脂粉末中石墨烯的固含量设置为1%-3%，一方面，能够使得石墨烯在环氧树脂中的分散更加均匀；另一方面，使得石墨烯能够弥补涂层中锌之间、锌与金属基材间的电接触，形成更多的导电网络，增强涂层的阴极保护作用，减少锌粉的用量。

11、进一步，环氧石墨烯锌粉粉末底涂还包括消泡蜡、增光剂和安息香，其重量比依次为：（0.1-3）：（0.1-3）：（0.1-2）。

12、本方案的有益效果为：本技术方案通过在底涂中加入消泡蜡，能够有效消除熔融粉末涂料中的气泡，避免形成涂膜针孔缺陷，提高涂层的耐磨性和耐久度；通过在底涂中加入增光剂，能够显著的提高涂层的光泽度，增强覆盖力和附着力；通过在底涂中加入安息香进行涂层的脱气处理，能提升涂层固化后的综合性能。

13、进一步，锌粉为片状。

14、本方案的有益效果为：与球形锌粉相比，片状锌粉具有更强的遮盖能力、漂浮能力、屏蔽能力和金属光泽，用其配制的防腐涂料，锌粉呈鳞片状排列，片与片之间的平行搭接、接触方式为面接触，可有效提高锌与钢铁间以及锌颗粒互相之间的导电性，涂层致密、腐蚀路线延长，不仅降低了单位面积内的耗锌量和涂层厚度，而且提高了涂层的屏蔽性能和抗蚀性能；将片状锌粉加入本粉末底涂中，使得涂层具有低孔隙度和防渗透性，同时拥有更好的耐腐蚀性，在同等防腐效果下，使用片状锌粉系列产品制备出的涂料相比使用球状锌粉系列产品制备出的涂料，单位面积用锌量更少，更环保。

15、进一步，流平剂包括液态物质和固体粉末，液态物质为丙烯酸和有机硅中的任意一种，固体粉末包括气相二氧化硅、碳酸钙和硅微粉，气相二氧化硅、碳酸钙和硅微粉的质量比为（0.5-1）：（1-3）：（2-6），液态物质吸附在固体粉末上。

16、本方案的有益效果为：本技术方案的流平剂是发明人经过大量的试验制备的，由于现有的流平剂大多为液态的，不便于在粉末涂料中进行添加和分散，因此，发明人配置出特殊的固体粉末，将液态物质吸附在固体粉末上，制成备用料母粒，以便于其在环氧石墨烯锌粉粉末底涂中分散的更均匀。制成的流平剂能够提高漆膜外观的平整度、滑爽性和抗挂伤性，漆膜干燥后会在表面形成有机硅层，并不影响重涂，不影响耐水性，与环氧、丙烯酸和聚酯等树脂体系兼容性良好。

17、进一步，酚类固化剂包括长碳链树脂聚合物和反应基团，反应基团为酚基；固化促进剂为2-甲基咪唑。

18、本方案的有益效果为：本技术方案提供的酚类固化剂与石墨烯环氧树脂的相容性很好，且结构式和双酚a型环氧树脂接近，软化点为80-130℃，不足之处是反应活性较低，为了提高酚类固化剂的反应活性，适应快速固化的需求，在酚类固化剂中加入固化促进剂来提高反应速度，本技术方案的固化促进剂采用2-甲基咪唑，固化后的涂膜附着力、柔韧性、抗冲击性、光亮度、流平性及防腐蚀性能均很好，无毒性，还可用于与食品、饮用水等直接接触的涂料体系，对环境及人体友好；本技术方案将2-甲基咪唑作为固化促进剂，还具有抗泛黄和提高存储稳定性等综合性能。

19、进一步，环氧石墨烯锌粉粉末底涂的制备方法，包括以下步骤：

20、s1，预混，将石墨烯环氧树脂粉末、锌粉、酚类固化剂、固化促进剂、流平剂、附着力促进剂、消泡蜡、增光剂和安息香放入高速混合机中，转速为1500-3000r/min，混合时间为1-3min；

21、s2，挤出压片，将预混后的混合物加入双螺杆挤出机中，加热熔融挤出，加热温度为80-100℃，挤出速率为100-300s-1，冷却后再进行压片；

22、s3，粉碎筛分，将压片后的物料投入粉碎机中，粉碎机的转速为1500-2000r/min，粉碎后颗粒粒径d50为40-50μm，筛分粉碎后的颗粒，得到环氧石墨烯锌粉粉末底涂。

23、本方案的有益效果为：本技术方案经过预混→挤出→压片→粉碎→筛分的工艺来制取环氧石墨烯锌粉粉末底涂，使得底涂的各组分混合更加均匀，从而使得喷涂的底涂涂膜的性能更加稳定。最关键的是，环氧树脂中包裹的石墨烯可以在以上工艺中混合分散均匀，也不会在静电喷涂时四处飞散，解决了石墨烯在粉末涂料制备中的添加、混合和分散均匀、喷涂简单的难题，且静电喷涂上粉率高，施工简便。

24、本技术方案将粉碎机的转速设置为1500-2000转/分钟，既能防止转速过低，而造成生产效率低下，也能防止转速过高，环氧石墨烯锌粉粉末底涂在高速冲击和摩擦下，造成环氧石墨烯锌粉粉末底涂快速升温，并破坏环氧石墨烯锌粉粉末底涂中的分子材料的基本性能，甚至造成环氧石墨烯锌粉粉末底涂失效。

25、本技术还提供另一种技术方案，一种氟碳烯锌基粉末复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

26、步骤1，对金属基材的表面进行除锈处理，除锈等级达到sa2.5级，再进行磷化处理；

27、步骤2，静电粉末喷涂环氧石墨烯锌粉粉末底涂1-2道，并进行烘烤，干膜厚度为60-80μm，烘烤分为以下三个阶段：

28、步骤2.1，低温预热阶段：在2-3min内，从常温升温至100℃；

29、步骤2.2，高温区：在3-5min内，从100℃升温至180℃-200℃，并维持10-15min；

30、步骤2.3，降温区：缓慢降至常温，降温时间为10-20min。

31、步骤3，静电粉末喷涂氟碳面涂1-2道，并进行烘烤，干膜厚度为55-90μm，烘烤分为以下三个阶段：

32、步骤3.1，低温预热阶段，在2-3min内，从常温升温至100℃；

33、步骤3.2，高温区：在3-5min内，从100℃升温至180℃-220℃，并维持10-20min；

34、步骤3.3，降温区：缓慢降至常温，降温时间为10-20min。

35、本方案的有益效果为：将石墨烯融入到了环氧锌粉粉末涂料体系中，并实现了添加、混合、分散均匀，将锌粉从传统常规用量的60%以上减小到了30%-40%，同时不因锌粉的减少而降低防腐性能。相反，在锌粉用量减少的情况下，同时加入替代锌粉体积含量的其它高性能填料，可以大幅度提升底涂的漆膜综合性能，提升整体防腐性能。由于环氧底涂漆膜在户外酸雨、紫外等环境下无法长期胜任，所以在底涂涂层上再喷涂超耐候型氟碳面涂，以形成底面结合的涂层结构，实现涂层的组合防腐功效。

36、本技术方案中环氧石墨烯锌粉粉末底涂和氟碳面涂在烘烤的第三阶段都是缓慢降温至常温是为了防止涂膜极速降温而发生开裂。

37、本技术方案中氟碳面涂的加热温度控制在180℃-220℃，一方面，防止温度过高而使面涂变色，另一方面，防止温度过低，而造成涂层交联固化涂膜性能偏低。

38、本技术还提供另一种技术方案，一种氟碳烯锌基粉末复合涂层的应用，用于高速公路的防撞护栏涂装、桥梁钢结构涂装、船舶钢结构涂装、汽车钢结构涂装、风电钢结构涂装、光伏钢结构涂装、建筑钢结构涂装、工程机械涂装中。

39、本方案的有益效果为：将本技术方案提供和制备的氟碳烯锌基粉末复合涂层用于高速公路的防撞护栏涂装、桥梁钢结构涂装、船舶钢结构涂装、汽车钢结构涂装、风电钢结构涂装、光伏钢结构涂装、建筑钢结构涂装、工程机械涂装中，能够提高防撞护栏、桥梁钢结构、船舶钢结构、汽车钢结构、风电钢结构、光伏钢结构、建筑钢结构以及工程机械的耐紫外、耐酸雨、耐老化性能，并能满足c2-c4级环境下具有10-15年的免维护周期，大幅度降低和节约维护费用。