[发明专利]用于粘合性粘结的水性底漆组合物及使用其的粘结方法

说明书

披露了一种基于水的粘结底漆组合物以及一种将该粘结底漆组合物在粘合性粘结之前施加到金属表面上的方法。该粘结底漆组合物是基于水的分散体，该分散体含有水、一种或多种环氧树脂、至少一种固化剂、硅烷化合物、少量呈微粒形式的基于碳的材料和任选的添加剂。该基于碳的材料选自石墨烯、氧化石墨烯(GO)、石墨、具有微米级或纳米级大小的各种结构的碳、以及其组合。

本披露总体上涉及粘结方法以及在这类粘结方法中使用的底漆组合物。

附图说明

图1A和1B示出了3000小时划线腐蚀试验(ASTM D1654)的结果，比较了含石墨烯的底漆涂层(制剂2)的性能与不含石墨烯的对照底漆涂层(制剂1)的性能。

图2示意性地示出了含石墨烯的底漆涂层中的弯曲构造。

具体实施方式

在复合结构的制造中，特别是在航空航天和汽车工业中，常规的是利用结构粘合剂将制造的金属结构粘结到金属或复合粘附体上或将树脂浸渍的纤维增强材料的一个或多个预浸料层片层压到所制造的金属结构上。粘结典型地需要在结构被接合之后固化结构粘合剂。一般来讲，为了确保最大水平的粘合强度，在即将粘结之前仔细清除金属表面上的污垢、泥垢、油脂和金属氧化产物。遗憾的是，这种程序一般大多数时候不能使用，因为清洁操作和粘结操作通常会间隔较长的非活动时间。在这期间，金属表面可能会水解，从而降低粘结的粘合强度。克服此困难的解决方案是在粘合性粘结之前向清洁的金属表面上施加底漆。

使用底漆的考虑因素是在金属表面与粘结到该金属表面上的材料之间形成的接头的耐久性和耐腐蚀性。这在诸如航空器结构的结构应用中特别重要，因为这些接头暴露于具有极端温度、高湿度和高腐蚀性海洋环境的广泛环境条件下。为了避免接头故障以及满足严格的商用客机和货机标准，结构部件的粘合性粘结的接头必须承受苛刻的环境条件，并且特别是在潮湿的含盐环境(尤其是那些由海浪或除冰材料引起的环境)中的耐腐蚀性和耐解散性。这些接头的故障通常始于水扩散通过粘合剂，之后腐蚀下面的金属结构。

历史上，铬酸盐化底漆(即，含有铬离子的溶液)已被用于保护金属免受腐蚀。然而，由于环境法规，铬酸盐的使用受到限制，特别是在航空航天工业中。若干种非铬酸盐化腐蚀抑制剂，诸如磷硅酸锌、磷酸钼锌、硼硅酸钙、钒酸钠、磷酸锶等已在评估中。这些抑制剂中大多数是被动的，并且通过牺牲氧化方法提供腐蚀保护。因此，这些被动抑制剂不能提供当暴露于苛刻的环境条件时所需的希望的耐久性或性能。

在此披露了一种粘结底漆组合物，该组合物可以在不使用铬酸盐腐蚀抑制剂的情况下提供腐蚀保护。更具体地，该粘结底漆组合物是基于水的(或水性)分散体，该分散体含有水、一种或多种环氧树脂、一种或多种固化剂、硅烷化合物、少量呈微粒形式的基于碳的材料和任选的添加剂。基于碳的材料选自石墨烯、氧化石墨烯(GO)、石墨以及具有微米级或纳米级大小的各种结构的碳。特别适合的是在干燥粉末或湿悬浮液中呈纳米大小的片形式的石墨烯。石墨颗粒、炭黑颗粒和碳纳米管也是适合的。一般来讲，基于水性组合物中固体的总重量，水性组合物的固体含量可以为按重量计约10％至约30％，并且基于碳的材料的量为按重量计小于5％(或重量％)。

根据一个实施例，粘结底漆组合物是含有以下组分的水性分散体：(i)一种或多种可热固性树脂，(ii)一种或多种固化剂，任选的一种或多种催化剂，(iii)硅烷化合物，(iv)少量石墨烯，和(v)水。基于组合物中固体组分的总重量，或可替代地基于组分(i)、(ii)和(iv)的总重量，石墨烯的量(以重量百分比表示)小于5重量％，例如，在0.1重量％至2重量％的范围内。

石墨烯纳米大小的片(“纳米片”)是具有最高达50nm厚度的平面结构。这类片可具有在0.1至100μm范围内的平面尺寸(例如，长度和/或宽度)。每个片基本上由一个或多个石墨烯片材组成。石墨烯纳米片可以具有表面上的官能团中的1％-20％的一定氧含量。氧含量可通过X射线光电子能谱法(XPS)来测定。