一种地铁紧固件用水性防腐涂层及其制备方法与流程

本发明涉及金属表面防腐涂料，具体为一种地铁紧固件用水性防腐涂层及其制备方法。

背景技术：

1、地铁管片与轨道板等基础设施长期处于高湿度、盐雾侵蚀以及杂散电流密集的复杂环境中，这对紧固件的长效防腐性能提出了极其严苛的要求。与此同时，地铁工程在进行管片拼接及轨道铺设作业时，需要依靠精准的预紧力控制来保障整体结构的安全稳定性，从而要求紧固件表面需要具备卓越的防腐屏蔽能力。

2、为规避传统电镀锌或热浸锌工艺带来的氢脆断裂风险，水性无铬锌铝防腐涂层凭借其良好的阴极保护作用，在轨道交通紧固件领域得到了广泛应用。在常规的工业应用中，为了满足工程安装对摩擦学指标的具体要求，技术人员通常会向这类水性防腐涂液中直接物理混入聚四氟乙烯等高分子润滑材料。这类多相混合涂液在涂覆于紧固件基底后，需要依赖300摄氏度以上的超高温烧结环境，促使内部的无机硅酸盐骨架发生彻底的缩聚与陶瓷化，从而完成防腐涂层的最终交联成膜。

3、然而现有的涂层，其片状金属粉体在水相分散介质中具有表面反应活性，接触水分易发生还原反应并析出大量氢气，导致涂液剧烈发泡乃至涨罐失效。在复杂液相混合阶段，酸性硅醇体系与碱性物质一旦直接接触，氢离子浓度的瞬间激变会致使硅醇基团的缩聚速率呈现不受控的飙升，涂液局部快速生成不可逆的树脂结块，高分子增稠网络也随之发生休克性凝胶化，彻底丧失涂覆所需的流动性，且聚四氟乙烯液中的表面活性剂及树脂组分在此高温下剧烈分解气化，急剧膨胀的气流直接冲破正在交联的无机骨架，在涂层内部留下密集的微观爆裂孔隙。因此，本发明提供了一种地铁紧固件用水性防腐涂层及其制备方法，以解决现有技术中存在的不足之处。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种地铁紧固件用水性防腐涂层及其制备方法，解决了现有水性防腐涂层在引入聚四氟乙烯以调节摩擦系数时，往往会面临一系列工艺与性能上的矛盾。水相分散过程中金属粉体易发生析氢反应，且多组分混合阶段容易因酸碱度突变引发硅醇快速缩聚与聚合物凝胶化，使涂液丧失流动性的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种地铁紧固件用水性防腐涂层，采用如下的技术方案：

4、一种地铁紧固件用水性防腐涂层，所述水性防腐涂层由包含以下重量份组分的原料制备而成：提供预锚定与低摩擦基质的a组分包含去离子水130至170份，聚乙烯醇8至12份，植酸钠3至5份，第一段钝化用二水合钼酸钠0.3至0.8份，冰醋酸，添加量以调节局部体系ph至6.5～7.0为准，片状锌粉220至260份，片状铝粉30至50份，水性聚四氟乙烯分散液40至60份；提供酸性共水解与邻二醇衍生物的潜伏态b组分包含去离子水250至320份，二丙二醇甲醚30至50份，硼酸1.5至3.0份，冰醋酸的添加量以调节该组分酸碱度至3.0至3.5为准，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷50至70份，正硅酸乙酯20至40份；提供碱性缓冲与缓蚀宿主的c组分包含去离子水45至70份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷15至25份，第二段钝化用二水合钼酸钠1.0至2.0份；提供延迟热触发交联作用的d组分包含碳酸锆铵溶液10至20份。

5、通过采用上述技术方案，a组分依托植酸钠与二水合钼酸钠建立起金属粉体的表面钝化基础，b组分在酸性条件下提供硅氧烷网络前驱体及开环衍生物。为促使体系交联，c组分赋予了体系所需的碱性环境及氨基交联活性点，配合d组分提供的高价金属交联中心。上述原料在特定工艺下复合，能够在金属表面构建防腐屏蔽层，在此基础上无机硅烷骨架与聚乙烯醇网络相互交织，形成兼具致密物理阻隔作用与低摩擦特性的防护涂层，满足地铁紧固件的防护需求。

6、优选的，所述聚乙烯醇的聚合度为500至600，醇解度为87%至89%；所述水性聚四氟乙烯分散液由聚四氟乙烯微粒与水混合构成，且聚四氟乙烯在所述水性聚四氟乙烯分散液中的质量占比为55%至65%；所述碳酸锆铵溶液由碳酸锆铵与水混合构成，且碳酸锆铵折算为二氧化锆在所述碳酸锆铵溶液中的质量占比为18%至22%。

7、通过采用上述技术方案，特定聚合度与醇解度的聚乙烯醇能够提供适宜的分子链长度与羟基密度，从而保障成膜阶段的网络交联强度。此外，规定固含量的水性聚四氟乙烯分散液确保体系内具备充足的低摩擦微粒，结合设定质量占比的碳酸锆铵溶液所提供的交联反应中心，使得最终成膜结构具有稳定的物理与化学性能。

8、优选的，所述a组分中片状锌粉与片状铝粉的质量比为4.4至8.6比1；所述b组分中γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷与正硅酸乙酯的质量比为1.25至3.5比1；所述a组分中的去离子水分为第一部分去离子水和第二部分去离子水，所述第一部分去离子水与第二部分去离子水的质量比为1.6至2.0比1；所述聚乙烯醇由所述第一部分去离子水混合溶解得到，所述植酸钠、第一段钝化用二水合钼酸钠、片状锌粉和片状铝粉由所述第二部分去离子水混合构成。

9、通过采用上述技术方案，限定的锌铝质量比能够在提供牺牲阳极保护的同时维持涂层内部的导电通路，而特定的硅烷单体配比确保了共水解体系中柔性基团与刚性四官能团交联节点的平衡。为了解决物理干扰问题，本方案将去离子水分段使用并对溶解对象进行物理隔离，避免聚乙烯醇高分子链对金属粉体初期钝化锚定过程产生空间位阻干扰。

10、第二方面，本发明提供一种地铁紧固件用水性防腐涂层的制备方法，采用如下的技术方案：

11、一种地铁紧固件用水性防腐涂层的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤s1、将a组分中的去离子水分为第一部分去离子水和第二部分去离子水，且所述第一部分去离子水与第二部分去离子水的质量比为1.6至2.0比1；将聚乙烯醇加入所述第一部分去离子水中加热溶解，制得聚乙烯醇液；将植酸钠与第一段钝化用二水合钼酸钠加入所述第二部分去离子水中，滴加冰醋酸调节酸碱度，加入片状锌粉与片状铝粉搅拌分散；将前述聚乙烯醇液加入该体系中，加入水性聚四氟乙烯分散液搅拌，制得作为预锚定浆料的a组分；

13、步骤s2、抽取所述c组分加入上述a组分中，搅拌使体系酸碱度达到第一预设范围，制得弱碱性缓冲宿主；

14、步骤s3、将预先制备的所述b组分以恒定速度滴加至弱碱性缓冲宿主中，同步滴加所述c组分；滴加过程中控制体系内的酸碱度处于第二预设范围，控制单次酸碱度波动幅度不超过设定阈值；滴加结束后，体系陈化；

15、步骤s4、将所述d组分加入去离子水中稀释后滴加至体系中，搅拌制得水性防腐涂液；

16、步骤s5、将水性防腐涂液涂覆于紧固件表面，放入加热设备中进行三阶段梯度固化成膜，冷却至室温，即得地铁紧固件用水性防腐涂层。

17、通过采用上述技术方案，其反应过程与机理体现在组分混合与固化成膜阶段。

18、在金属粉体湿法分散初期，二水合钼酸钠的介入提供了基础电位干预，抑制了水分子在金属表面的还原反应。基于此弱酸性环境，植酸钠利用磷酸基团在片状金属粉体的氧化膜缺陷及边缘区域发生化学螯合，形成单分子层的磷酸盐预锚定结构。该结构直接减少了金属在水相中的析氢活性位点，保障了制备初期的体系稳定。

19、随着含有氨基硅烷的c组分加入，体系被调整至微碱性状态以构建缓冲宿主。在此环境中，金属表面维持钝化，且氨基基团附着于金属与聚四氟乙烯微粒外围，为后续的双流中和操作提供稳定的受体空间。

20、当实施双流同步滴加时，酸性的b组分进入弱碱性宿主体系，体系氢离子浓度的波动被限定在设定阈值内。这种平缓的酸碱过渡环境使得硅烷单体以设定的速率发生缩聚，防止局部浓度过载引起大面积爆聚。同时，伴随环境碱性的上升，b组分中的硼酸分子转化为具备交联活性的硼酸根。在机械剪切作用下，硼酸根与聚乙烯醇的羟基发生可逆交联，生成具备触变特征的互穿聚合物网络，以维持金属粉体悬浮状态并改善涂液的流变特征。

21、经过涂覆后的加热固化阶段促使体系内的碳酸锆铵发生热分解，释放出四价锆离子中心。该高价金属离子不仅与金属表面预设的磷酸盐锚定结构结合，还与硅氧烷骨架发生共价缩聚，将分散的各组分连接成空间网状结构。

22、在成膜环节，三阶段梯度固化限制了终端最高烧结温度。在此温度下聚乙烯醇发生脱水降解，转化为原位分布的碳骨架结构并与无机交联中心产生物理缠结。此时聚四氟乙烯微粒受热达到塑变状态，物理限域于无机与碳杂化网络的孔隙中。当紧固件经受多次机械摩擦时，处于限域状态的聚四氟乙烯能够向摩擦界面平稳转移涂覆，从而维持装配系统摩擦系数的稳定性。

23、优选的，在步骤s3之前，预先分别制备b组分和c组分：所述b组分的制备方法为在去离子水中加入二丙二醇甲醚混合，加入硼酸，滴加冰醋酸调节体系酸碱度至3.0至3.5；在25摄氏度至30摄氏度温度下，加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯，陈化120至150分钟，制得b组分；所述c组分的制备方法为将第二段钝化用二水合钼酸钠加入去离子水中搅拌溶解，加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷搅拌均匀，制得c组分；所述c组分在配制完成后40分钟内用于步骤s2和步骤s3。

24、通过采用上述技术方案，b组分在特定酸性环境下制备，正硅酸乙酯在二丙二醇甲醚的作用下完成水解。在此过程中，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷末端的环氧基团发生开环反应，转化为具备双齿配位活性的邻二醇结构，该结构在后续固化阶段为四价锆离子提供相应的螯合靶点，增加成膜网络的交联节点数量。对于c组分，限定其在制备完成后的特定时间内使用，防止了高浓度氨基硅烷在水相环境中发生自缩聚现象，维持了交联剂的化学活性。

25、优选的，步骤s1中将聚乙烯醇加入所述第一部分去离子水中升温至80摄氏度至85摄氏度搅拌溶解；将植酸钠与第一段钝化用二水合钼酸钠加入所述第二部分去离子水中，调节体系酸碱度为6.5至7.0。步骤s2中抽取质量占比为20%至30%的c组分加入a组分中，使体系酸碱度达到7.2至7.6的第一预设范围。步骤s3中保持搅拌转速为250转每分钟至350转每分钟，将b组分以2至5份每分钟的速度滴加至弱碱性缓冲宿主中，同时将剩余的c组分同步滴加至其中；滴加过程中控制体系内的酸碱度值为7.8至8.3的第二预设范围，控制单次酸碱度波动幅度不超过0.3，控制体系内温度为25摄氏度至30摄氏度。步骤s4中将碳酸锆铵溶液加入20至40份去离子水中，以1至3份每分钟的速度滴加至体系中，保持搅拌转速为50转每分钟至80转每分钟，搅拌30分钟。步骤s5中三阶段梯度固化成膜的具体实现方式为第一阶段在110摄氏度至120摄氏度下保温12至18分钟；第二阶段在180摄氏度至210摄氏度下保温12至18分钟；第三阶段在260摄氏度至280摄氏度下保温25至35分钟。

26、通过采用上述技术方案，设定的温度与酸碱度参数指引各阶段反应过程。具体而言，特定酸碱度环境维持植酸钠的络合能力并减少对金属粉体的侵蚀，而将酸碱度的波动幅度控制在0.3以内构建了平稳的酸碱过渡过程以维持体系流变稳定。在物料加入方式上，碳酸锆铵溶液的预稀释与低速滴加操作降低了高价金属离子与高浓度络合剂产生局部反应的概率，有助于延长涂液存放时间。最终的三阶段温度控制促使体系内水分在第一阶段平缓逸出，随后第二阶段激发锆离子的解络与键合反应。第三阶段促使聚乙烯醇转化为碳骨架结构，并避开聚四氟乙烯及表面活性剂的气化温度节点，有效防止涂层生成微观孔洞，保障了防腐屏蔽结构的连续性。

27、本发明提供了一种地铁紧固件用水性防腐涂层及其制备方法。具备以下有益效果：

28、1、本发明在金属粉体分散初期，利用二水合钼酸钠抑制水分子的还原反应，配合植酸钠在金属氧化膜缺陷处发生螯合，减少了水相环境中的析氢活性位点。在酸碱组分混合阶段，采用双流同步滴加操作将酸碱度波动控制在设定阈值内，避免了酸性硅醇直接接触碱性环境引发局部浓度过载与快速凝胶化。这种平缓的酸碱过渡环境使得硼酸根与聚乙烯醇羟基能够有序交联生成触变网络，维持了金属粉体的悬浮状态，保障了涂液的施涂流动性与存放周期。

29、2、本发明在制备潜伏态硅醇阶段，利用特定酸性环境促使硅烷单体末端的环氧基团转化为具备双齿配位活性的邻二醇结构，增加体系内的螯合靶点。在涂覆后的加热固化过程中，碳酸锆铵受热分解释放出四价锆离子，该活性中心与金属表面的磷酸盐锚定层、硅氧烷骨架以及预先生成的邻二醇结构发生共价配位结合。这种多重化学键合将各分散组分连接成致密的网状结构，有效阻挡了水分与氯离子等腐蚀介质的渗透，增强了涂层与基底间的界面附着力。

30、3、本发明将涂层成膜的最高温度控制在260摄氏度至280摄氏度区间，避开了聚四氟乙烯分散液中表面活性剂的剧烈气化点，防止涂层内部因热解膨胀应力产生微观孔洞与脱层缺陷。在该温度条件下，聚乙烯醇发生受控脱水降解并转化为原位分布的碳骨架，与无机交联网络相互缠结，将达到塑变状态的聚四氟乙烯微粒物理限域于网络孔隙中。当紧固件承受多次拆装的剪切应力时，被固定限制的聚四氟乙烯微粒能够向摩擦界面平稳转移，避免了涂层剥落与干摩擦咬合现象的发生。