一种金属防护涂层及其制备方法与流程

本发明涉及表面处理，尤其涉及一种金属防护涂层及其制备方法。

背景技术：

1、金属材料在加工和涂层制备过程中，表面易沉积大量多余物，严重影响材料外观、精密度、热传导性和耐腐蚀性，导致零部件及设备寿命衰减。

2、目前，用于去除金属表面多余物的方法主要有物理法和化学法。物理法通常采用喷砂、打磨等机械方式，噪声污染严重，且易对基体造成不可修复性损伤。化学法通常采用化学试剂清除，零件易被腐蚀，损坏身体健康，成本高，去除不彻底，耗时太长等。

3、现有技术中，如公开号为cn110669364a的专利申请公开了一种用于去除激光加工金属挂渣的六方氮化硼涂料，通过水洗去除挂渣，但该涂料为单层结构，主要针对常温或中温环境，长期浸水等复杂工况下防护能力和可去除性不足，且缺乏主动抗沉积功能。又如，公开号为cn113549396a的专利申请公开了一种用于浸没式金属加热器表面的抗水垢水性涂料，通过低摩擦系数涂膜阻止水垢沉积，但同为单层永久性交联结构，涂层破损后难以修复和去除，长期高温下水垢去除困难，清理时易损伤基材。

4、现有防护涂层普遍存在“易粘不易剥”的共性问题——沉积物一旦形成并积累，清理时往往需要强力机械或化学方式，容易损伤基材。因此，亟需一种兼具优异抗沉积性能和便捷可去除性的金属防护涂层技术方案。

技术实现思路

1、本发明的首要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种金属防护涂层及其制备方法，通过在金属材料表面预制夹层结构涂层，降低金属材料加工和使用过程中各类沉积物的附着，更能通过在涂层表面实现高接触角（即低表面能），使得沉积物与涂层的结合力变弱，从而在简单的清理操作（如低压水洗等）下，将沉积物从金属基底上去除。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种金属防护涂层，所述金属防护涂层设置于金属基材表面，由底层和面层组成。所述底层为水溶性或碱溶性高分子聚合物层，涂覆于金属基材表面。所述面层涂覆于所述底层之上，包括低表面能组分和成膜树脂。所述金属防护涂层与水的静态接触角大于100°。高的静态接触角意味着涂层表面具有低表面能特性，各类沉积物难以在表面附着，即使有少量附着，其结合力也很弱，容易被外力清除。

4、所述底层作为牺牲层，由水溶性或碱溶性的高分子聚合物构成，与金属基底直接接触，具有一定的附着力以确保在正常使用过程中涂层不会自发脱落，其关键特性是在需要清除表面沉积物时，作为牺牲层率先失去与基材的结合力，从而使整个涂层体系能够被轻松去除。

5、所述面层作为功能层，该层的核心成分是含氟嵌段共聚物和/或聚四氟乙烯蜡等低表面能物质，涂覆于底层之上，主要功能是提供极低的表面能和优异的抗沉积性能。

6、通过上述“低表面能面层”与“可水溶牺牲底层”的协同设计，本发明实现了防护涂层“易粘不易剥”难题的突破。一方面，面层因其低表面能特性，使各类沉积物难以在其表面牢固附着；另一方面，即使经过长期使用后表面有少量沉积物积累，操作者只需用水或温和清洗剂处理，水流渗透至水溶性底层后，底层溶解或溶胀导致涂层整体剥离，沉积物随涂层一同被清除，基材表面恢复洁净。

7、优选地，所述底层为遇水能够溶胀或溶解以降低与金属基材附着力的高分子聚合物材料层。这是本发明夹层结构设计的关键所在：底层作为牺牲层，在需要清除沉积物时，通过遇水溶解或溶胀失去与基材的结合力，使得整个涂层（包括面层及其表面的沉积物）能够被整体剥离，从而实现沉积物的彻底清除和对基材的无损伤保护。该底层材料本身具有水溶性或碱溶性，当其与水接触时，高分子链间氢键被破坏，水分子渗入高分子网络使其溶胀甚至溶解，涂层与基材之间的附着力急剧下降，从而实现涂层的整体剥离。

8、优选地，所述低表面能组分包括含氟嵌段共聚物和/或聚四氟乙烯蜡。含氟嵌段共聚物由于含有氟元素，具有极低的表面能，能够有效降低涂层表面的润湿性，提高与水的接触角。含氟嵌段共聚物的氟碳链段具有向涂层表面迁移富集的趋势，从而在涂层表面形成一层低表面能的氟化表面层。聚四氟乙烯蜡是一种双功能材料，既可作为强疏水性的添加剂使用，又可作为耐温和自润滑填充剂添加在涂层中，使得涂层具有优异的疏水性、耐高低温性、化学稳定性、防粘性，还可使涂层表面获得较低的摩擦系数，从而提高涂层的超疏水性。含氟嵌段共聚物与聚四氟乙烯蜡的复配使用，可以产生协同增效作用，使涂层的低表面能特性得到最大程度的发挥。

9、优选地，所述成膜树脂为硅基陶瓷前驱体聚合物。硅基陶瓷前驱体聚合物是一类在高温下可转化为陶瓷相的特殊聚合物材料，具有优异的耐高温性能、良好的成膜性和与金属基材的匹配性。在高温固化过程中，硅基陶瓷前驱体聚合物发生陶瓷化转变，形成致密的陶瓷相涂层，赋予涂层优异的耐热、耐腐蚀和耐磨性能。同时，硅基陶瓷前驱体聚合物与低表面能组分具有良好的相容性，能够形成均匀稳定的复合涂层。

10、优选地，所述水溶性或碱溶性高分子聚合物为聚乙烯醇。聚乙烯醇是一种水溶性高分子聚合物，具有良好的成膜性和对金属基材的附着力，同时其水溶性使得涂层在遇水时能够溶解或溶胀，从而实现牺牲层的剥离功能。聚乙烯醇的水解度对涂层的性能有重要影响，本发明优选水解度为87-89%的聚乙烯醇，该水解度范围内的聚乙烯醇既具有良好的水溶性，又具有足够的机械强度和成膜性能。当然，本领域技术人员应当理解，其他水溶性或碱溶性高分子聚合物如聚乙二醇、聚丙烯酸、纤维素衍生物等也可用于本发明。

11、优选地，所述面层还包含功能性填料，所述功能性填料包括六方氮化硼微粉、镁橄榄石粉、改性氧化铝粉和镉盐中的一种或多种。六方氮化硼具有优良的抗高温氧化性、自润滑特性及对各种金属液和熔渣的不润湿性，可进一步提高涂层的抗沉积性能和耐高温性能。镁橄榄石粉是一种优良的耐火填料，能够提高涂层的热稳定性和机械强度。镉盐在高温固化过程中可以促进陶瓷前驱体的陶瓷化转变，改善涂层的致密性和与基材的结合性能。上述功能性填料的协同作用使得涂层具有优异的综合性能。

12、优选地，所述镉盐为硝酸镉、硫酸镉或氯化镉。这些镉盐均为水溶性无机盐，能够在涂层配制过程中均匀分散于体系中，并在高温固化过程中发挥其催化陶瓷化转变的功能。

13、第二方面，本发明提供一种上述金属防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

14、s1、配制底层涂料：将水溶性或碱溶性高分子聚合物溶于去离子水中，搅拌均匀，制得底层涂料；；

15、s2、涂覆底层：将所述底层涂料涂覆于金属基材表面，干燥后形成底层；

16、s3、配制面层涂料：将成膜树脂、低表面能组分、功能性填料和助剂混合分散于溶剂中，制得面层涂料；

17、s4、涂覆面层：将所述面层涂料涂覆于所述底层之上，经固化处理后形成面层，得到所述金属防护涂层。

18、在上述制备方法中，步骤s1中底层涂料的配制可以采用本领域常规的搅拌分散方法，溶剂采用去离子水，但也可以采用其他极性溶剂如乙醇、异丙醇等与水的混合溶剂，只要能够充分溶解水溶性或碱溶性高分子聚合物即可。底层涂料的浓度应根据涂覆方式和所需底层厚度进行适当调整，一般固含量控制在5-20%范围内。

19、在上述制备方法中，步骤s2中的涂覆方式可以采用喷涂、刷涂、浸涂、旋涂、刮涂等本领域常规的涂覆方法，具体选择应根据基材的形状和尺寸以及生产规模确定。干燥可以在室温下自然干燥，也可以在40-80℃的烘箱中加速干燥，只要能够形成连续均匀的底层即可。底层的厚度一般控制在5-50μm范围内，过薄则牺牲效果不明显，过厚则可能影响涂层的整体性能。

20、在上述制备方法中，步骤s3中面层涂料所用的溶剂可以是去离子水，也可以是其他能够分散成膜树脂和功能性填料的有机溶剂或水性溶剂体系，只要能够形成均匀稳定的涂料体系即可。

21、优选地，步骤s3中所述面层涂料的配制步骤包括：将去离子水、润湿分散剂、消泡剂混合搅拌均匀；加入成膜树脂，高速分散至完全溶解；加入功能性填料，高速分散；降至中速，加入低表面能组分，继续分散；最后加入触变剂，低速搅拌，调整粘度后过滤，得到面层涂料。该加料顺序和分散工艺的设计是本发明的重要组成部分：首先将润湿分散剂和消泡剂与去离子水混合，以消除体系中的气泡并确保后续添加的固体组分能够良好分散；然后加入成膜树脂进行高速分散，使树脂充分溶解或分散于体系中；接着加入功能性填料进行高速分散，使填料充分细化并均匀分散；将转速降至中速后加入低表面能组分，因为含氟嵌段共聚物和聚四氟乙烯蜡对剪切敏感，过高的剪切速率可能破坏其微观结构，影响其低表面能特性的发挥；最后加入触变剂调节流变性能，使涂料具有适宜的施工粘度。通过优化的加料顺序和分散工艺，确保了低表面能组分能够有效迁移至涂层表面，从而保证了产品性能的稳定性和一致性。需要说明的是，面层涂料中不包含水溶性或碱溶性高分子聚合物，该类材料仅用于底层涂料的配制，从而在底层实现牺牲层的剥离功能，在面层实现低表面能的抗沉积功能，两层功能分工明确、互不干扰。

22、进一步地，步骤s4中，所述固化处理的温度为1150-1250℃，时间为40-90分钟。高温固化处理使硅基陶瓷前驱体聚合物发生陶瓷化转变，形成致密的陶瓷相涂层，赋予涂层优异的耐高温性能。同时，在高温固化过程中，底层聚乙烯醇发生热分解，在底层与面层之间形成微观孔隙结构，有利于后续清洗过程中水流的渗透和底层的溶解剥离。固化温度低于1150℃时，陶瓷化转变不完全，涂层的耐高温性能不足；高于1250℃时，可能导致金属基材的力学性能发生变化，且能耗增加。固化时间少于40分钟时，固化反应不充分；超过90分钟时，生产效率下降且能耗增加，而性能提升有限。

23、优选地，所述面层涂料的原料按重量份数计包括：成膜树脂25-45份、低表面能组分7-17份、功能性填料18-25份、润湿分散剂1-2份、触变剂1.5-3份、消泡剂0.3-1份、去离子水30-45份。上述配比范围是经过大量实验优化得到的，各组分在所述范围内能够协同配合，制备出兼具高接触角、优异的抗沉积性能和良好的可去除性的金属防护涂层。成膜树脂含量低于25份时，涂层的成膜性和机械强度不足；高于45份时，涂层的低表面能特性受到影响，接触角下降。低表面能组分含量低于7份时，接触角难以达到100°以上；高于17份时，涂层的力学性能和与底层的匹配性下降。功能性填料含量低于18份时，涂层的耐高温性能和机械强度不足；高于25份时，涂层的成膜性和表面光洁度下降。

24、由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

25、（1）本发明通过“低表面能面层”与“可水溶牺牲底层”的协同设计，使沉积物因涂层的高接触角而难以牢固附着；而在需要清理时，只需用水或温和清洗剂即可将整个涂层连同沉积物彻底剥离，清洁效率极高，且不会损伤金属基材。经测试，涂覆本发明涂层的金属基材与水的静态接触角可达101-118°，在0.15-0.25mpa的低压水流冲洗下，涂层在30-55秒内即可完全脱落。这种“平时抗沉积，需要易剥离”的特性，是现有单层涂层技术无法实现的。

26、（2）本发明面层采用含氟嵌段共聚物和聚四氟乙烯蜡复配作为低表面能组分，协同发挥降低表面能的作用，使涂层与水的静态接触角大于100°，达到超疏水或近超疏水状态。高的接触角意味着各类沉积物（包括水垢中的钙镁离子、激光加工中的金属熔滴、高温环境中的积碳颗粒等）在涂层表面的附着功降低，难以牢固附着，从而有效减少了沉积物的形成和积累。

27、（3）本发明的制备方法流程清晰，对设备要求低，无需复杂的真空沉积或化学气相沉积等昂贵设备，常规的搅拌分散设备和涂覆设备即可满足生产要求。通过优化的加料顺序和分散工艺，确保了低表面能组分能够有效迁移至涂层表面，从而保证了产品性能的稳定性和一致性。