用于增強(qiáng)成膜的水性底漆組合物及其使用方法
【專利說明】用于増強(qiáng)成膜的水性底漆組合物及其使用方法
[0001] 在復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造中，特別是在航空和汽車工業(yè)中，通常使用結(jié)構(gòu)粘合劑將所制 造的金屬結(jié)構(gòu)體粘合至金屬或復(fù)合粘合體或?qū)⒔?jīng)樹脂浸潰的纖維狀強(qiáng)化物的一或多個預(yù) 浸體鋪層層壓至所制造的金屬結(jié)構(gòu)體。在所述結(jié)構(gòu)體被連接之后，粘合通常需要固化所述 結(jié)構(gòu)粘合劑。通常，為確保最大程度的粘合強(qiáng)度，在即將粘合之前小屯、地清潔掉一個或多個 金屬表面的污垢、±、油脂和金屬氧化產(chǎn)物。不幸的是，該程序在大多數(shù)情況下通常無法使 用，因?yàn)榍鍧嵟c粘合操作通常被長的停工時間段隔開。在運(yùn)樣的時間段期間，金屬表面可能 變得水解的，降低了粘合物的粘合強(qiáng)度?？朔\(yùn)一困難的解決方法是將底漆施加至經(jīng)清潔 的一個或多個金屬表面上。
[0002] 常規(guī)的底漆通常是通過將熱固性樹脂溶解在揮發(fā)性有機(jī)溶劑中來制備，運(yùn)樣的有 機(jī)溶劑例如丙酬、異丙醇、四氨巧喃(THF)、甲基酸酬、乙二醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙醋等等。 運(yùn)樣的基于溶劑的底漆在固化之前被噴涂到金屬表面上時可形成光滑的膜。然而，出于毒 理學(xué)和環(huán)境二者的原因，含有大量揮發(fā)性有機(jī)化合物（"V0C")的底漆的使用受到越來越多 的審查。因此，水基底漆變得更可取。然而，市售的包含環(huán)氧樹脂的水基粘合底漆在其經(jīng)由 噴涂施加時往往形成粉末(粉末狀)涂層，且所得的風(fēng)干膜在固化之前具有較差的抗刮擦性 或抗摩擦性。如果底漆在固化之前被刮掉，則運(yùn)在結(jié)構(gòu)粘合中可成問題?？构尾列曰蚩鼓Σ?性與風(fēng)干后的底漆膜在對上面具有底漆膜的金屬部件進(jìn)行處理期間的抵抗刮擦或摩擦(即 通過摩擦被移除）的能力相關(guān)。
[0003] 使用底漆的另一重要的考慮因素是在金屬表面與被粘合至金屬表面的材料之間 形成的接頭的耐用性和抗腐蝕性。運(yùn)在結(jié)構(gòu)應(yīng)用（如飛機(jī)結(jié)構(gòu)）中尤為重要，因?yàn)檫\(yùn)些接頭 被暴露于寬范圍的具有極端溫度、高濕度和高腐蝕性海洋環(huán)境的環(huán)境條件下。為了避免接 頭失效并符合嚴(yán)格的商用客機(jī)和貨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)部件的經(jīng)粘合劑粘合的接頭必須耐受惡劣 的環(huán)境條件，并且具體而言是耐腐蝕和耐潮濕、含鹽環(huán)境中的解體，特別是來自海沫或除冰 材料的那些。運(yùn)些接頭的失效通常開始于水?dāng)U散通過粘合劑，然后腐蝕底層的金屬結(jié)構(gòu)。
[0004] 仍然需要一種使用底漆調(diào)配物粘合金屬結(jié)構(gòu)體的方法，所述底漆調(diào)配物可通過噴 涂形成基本上光滑的膜，且同時符合環(huán)境法規(guī)、提供高粘合性能和腐蝕保護(hù)。
[0005] 概述
[0006] 本文公開了一種在經(jīng)由可固化的粘合劑將金屬表面粘合至第二基材之前將單組 分的水基粘合底漆組合物施加至第一基材的金屬表面上的方法。所述粘合底漆組合物是一 種含有水、一種或多種環(huán)氧樹脂、一種或多種固化劑、硅烷化合物、少量碳酸亞丙醋(PC)和 任選的添加劑的水基分散體。
[0007] 附圖簡述
[0008] 圖IA是示出根據(jù)一個實(shí)施方案的由包含碳酸亞丙醋的調(diào)配物形成的底漆膜的表 面的攝影圖像。
[0009] 圖IB是示出由不含溶劑的對照調(diào)配物形成的底漆膜的表面的攝影圖像。
[0010] 圖2是示出根據(jù)另一實(shí)施方案的由包含碳酸亞丙醋的調(diào)配物形成的底漆膜的表面 的攝影圖像。
[00川詳述
[0012] 本公開的粘合底漆組合物提供給金屬材料、特別是用于航空工業(yè)中的侶和侶合金 腐蝕保護(hù)和增強(qiáng)的粘合能力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳酸亞丙醋的存在通過能夠形成在固化前抗刮擦 并抗摩擦且在固化后抗溶劑擦拭的光滑底漆膜來增強(qiáng)所述底漆組合物的成膜。另外，碳酸 亞丙醋可W通過與所述底漆組合物中的某些水溶性固化劑/催化劑反應(yīng)而起到緩沖劑的作 用，W穩(wěn)定并提供中性的抑(約7±0.5)。一些水溶性固化劑和催化劑(例如咪挫)往往溶解 于所述水基底漆組合物中W形成具有高堿性抑的溶液，從而對底漆膜至金屬表面的粘合產(chǎn) 生負(fù)面影響。因此，碳酸亞丙醋是所述底漆組合物中的多功能組分。
[0013] 本公開的一個方面設(shè)及在將金屬表面粘合至第二基材之前將所述水基粘合底漆 組合物施加至第一基材的金屬表面上的方法。所述粘合底漆組合物是固含量為1〇%-25% 且含有W下物質(zhì)的水基(或水性)分散體:水、一種或多種熱固性樹脂、一種或多種固化劑/ 一種或多種催化劑、硅烷化合物W及少量的碳酸亞丙醋(PC)dPC的量W重量百分?jǐn)?shù)計小于 基于組合物總重量的15重量％ (重量百分?jǐn)?shù)），優(yōu)選在1重量％-10重量％的范圍內(nèi)。在一些 實(shí)施方案中，PC的量可W是約10-15g/L的水基底漆組合物。可W通過噴涂將所述粘合底漆 組合物施加至金屬表面上W形成光滑、連續(xù)的底漆膜。在此上下文中，術(shù)語"光滑"是指基本 上不含可感知的凸起、團(tuán)塊或凹痕且外觀不呈粉末狀的具有均勻的表面的膜。此外，經(jīng)噴涂 的底漆膜能夠在環(huán)境溫度(2rC-26°C)下30分鐘或更短時間、例如15-30分鐘被風(fēng)干。由于 PC的負(fù)載量較低，因此所述底漆組合物容易符合當(dāng)前的OSHA(職業(yè)安全和健康管理局 (Occupational Safety and 胎alth Adminishation))和REACH(關(guān)于化學(xué)品的注冊、評 估、許可和限審|]'法案（Registration,Evaluation,Authorization and Restriction of 化emicals))的要求。目前，碳酸亞丙醋在美國被認(rèn)為是非VOC化合物。
[0014] 對于金屬基材至另一基材(金屬或復(fù)合基材)的粘合劑粘合而言，可通過噴涂或刷 涂將本公開的水基底漆組合物施加至金屬表面上W形成可固化的底漆膜。在環(huán)境溫度下在 少于30分鐘內(nèi)被風(fēng)干后，所述可固化的底漆膜抗刮擦和摩擦。優(yōu)選在施加所述底漆組合物 之前預(yù)處理所述金屬表面，W增強(qiáng)所述金屬表面至隨后施加的底漆膜的粘合，并提供給所 述金屬表面耐腐蝕性。在粘合總成(assembly)之前，在烘箱中在升高的溫度(例如在250 °F 或350T下保持一小時）固化所述底漆膜。然后通過在所述金屬基材的經(jīng)底涂的表面與第二 基材之間提供可固化、聚合物粘合膜將所述金屬基材的經(jīng)底涂的表面粘合至第二基材。所 述第二基材可W是另一種金屬基材或由包埋于基質(zhì)樹脂中或經(jīng)基質(zhì)樹脂浸潰的增強(qiáng)纖維 構(gòu)成的復(fù)合基材。可將粘合劑施加至所述第二基材的表面上，或可選擇地，可將粘合劑施加 至第一基材的經(jīng)底涂的表面上。然后使所得的總成在升高的溫度下經(jīng)受固化W固化所述粘 合劑，并因此產(chǎn)生粘合的結(jié)構(gòu)。固化可W通過將熱和壓力施加至所述總成來實(shí)施。配制所述 底漆組合物W使得它可W與可在250-35(TF(12rC-177°C)的范圍內(nèi)的溫度下固化的常規(guī) 可固化、聚合物粘合劑(特別是，基于環(huán)氧化物的粘合劑)相容。
[0015] 本文所用的術(shù)語"基材"包括具有任何形狀和構(gòu)造的層和結(jié)構(gòu)體。
[0016] 如本文所用的術(shù)語"固化"是指通過化學(xué)添加劑、紫外福射或熱實(shí)現(xiàn)的聚合物鏈的 交聯(lián)來硬化聚合物材料。"可固化"材料是指能夠被固化、即變得硬化的那些材料。
[0017] 當(dāng)所述第二基材是由增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹脂構(gòu)成的復(fù)合基材時，所述基質(zhì)樹脂可W 是部分或完全固化或未固化的。當(dāng)所述基質(zhì)樹脂在所述粘合劑連接兩個基材之前是未固化 的或僅部分固化時，在粘合階段期間所述基質(zhì)樹脂的完全固化與所述粘合劑的固化同時進(jìn) 行。
[0018] 可將所述底漆組合物W若干層施加（例如通過噴涂）至金屬表面直到實(shí)現(xiàn)所希望 的膜厚度。例如，所施加的底漆組合物的量應(yīng)使得經(jīng)固化的底漆膜可具有約0.0001英寸至 約0.0003英寸(或0.1密耳至0.3密耳)的厚度。
[0019] 本文所公開的水基底漆組合物優(yōu)選包含無機(jī)或有機(jī)腐蝕抑制劑，W進(jìn)一步改善長 期防腐性能。
[0020] 為增強(qiáng)金屬表面至隨后施加的聚合物底漆膜的粘合，可W在向其上施加所述底漆 組合物之前預(yù)處理所述金屬表面。合適的表面處理包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的濕式蝕刻、 陽極氧化(如憐酸陽極氧化(PAA)和憐酸/硫酸陽極氧化(PSA))和溶膠-凝膠工藝。合適的表 面處理的更具體的實(shí)例是ASTM D2651，其包括用肥皂溶液清洗，然后濕式蝕刻，然后用酸進(jìn) 行陽極氧化。本文所公開的水基底漆組合物被配制成與運(yùn)些不同的表面處理相容。
[0021] PAA通常設(shè)及使用憐酸(例如ASTM D3933)來形成金屬氧化物表面，且PSA通常包括 使用憐酸-硫酸來形成金屬氧化物表面。陽極氧化產(chǎn)生了所述底漆組合物可W滲透其中的 多孔、粗糖表面。粘合主要源自粗糖表面和底漆膜之間的機(jī)械聯(lián)鎖(interlocking)。
[0022] 溶膠-凝膠工藝通常設(shè)及