[发明专利]包含高酸树脂的涂料体系

说明书

本申请要求2011年5月24日提交的美国临时专利申请第61／489,307号的优先权，其全文通过引用纳入本文。

采用称为“溶胶”膜的金属基材的预处理以促进后续施涂的底漆和底涂层的粘附已经变得更为常用，尤其是在航天工业中。术语“溶胶”，其为溶液-凝胶的缩写，是指在这些预处理涂覆中出现的一系列的反应，其中配方中的可溶性有机金属物质，通常是金属醇盐或金属盐，水解形成金属氢氧化物并且进一步缩合形成金属-氧-金属键，例如Si-O-Si、Si-O-Zr和Si-O-Al。

溶胶膜的说明和使用已经在其他地方广泛描述，但是通常认为溶胶膜通过具有能够与金属基材共价结合的金属部分以及能够与后续施涂的涂层(如底漆涂层)的树脂共价结合的有机部分促进粘附。

溶胶膜的强度和耐久性取决于金属表面的化学和微机械相互作用(涉及例如溶胶膜再水化的倾向)和金属的孔隙率和微结构。当妥善实施时，溶胶涂料提供用于漆粘附的表面稳定性。如上述，溶胶方法依赖水解和缩合反应的结合。由几个因素控制水解和缩合的相对速率以及所得的溶胶膜的结构和性质，这些因素可包括如溶胶层内外环境的pH和那个环境中的试剂和催化剂的浓度，包括酸或碱的存在和水平。尤其感兴趣的是，如果溶胶层失稳定，会失去基材涂层与基材的粘附。

一种在溶胶膜中驱动缩合反应的方法是烘烤溶胶预处理的基材。这是一个复杂且昂贵的方法，并且虽然其有效地驱动了溶胶膜的缩合，所述方法不一定防止溶胶膜中后续的水解，这种水解能够去稳定该膜。

对于涂覆铝和钛表面的特别有用并且常用的溶胶组合物是基于有机金属和有机硅烷组分的结合。优选的在溶胶中使用的用于涂覆铝和钛表面的有机金属化合物是烷氧基金属化合物，并且更优选地，是烷氧基锆化合物。由于其即时的市售可获得性，正丙醇锆(IV)是特别优选作为有机金属化合物。除与金属表面共价结合以外，有机锆化合物也用于最小化氧在表面上的扩散并且稳定金属-树脂界面。由于其在溶液中的稳定性和它们与常规航天环氧树脂和氨基甲酸乙酯粘合剂交联的能力，环氧官能化硅烷是优选的有机硅烷。硅烷是酸-碱中性的，因此其在溶胶混合物中的存在不会增加烷氧基金属化合物的相对水解和缩合的速率。如他处的广泛启示，包括有机硅烷的溶胶相对容易制备并且具有可再现性的结果。

一种广泛使用的溶胶制剂是Boegel-EPII^TM，其由华盛顿州西雅图的波音公司(Boeing Company，Seattle，Wash)开发。Boegel-EPII^TM组合物是3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane)(GTMS)和正丙醇锆(IV)的组合，其在乙酸稳定剂存在的情况下反应。GTMS具有活性环氧基团，其能够与常用的环氧树脂和氨基甲酸酯树脂反应。GTMS不与水合的金属氧化物基材形成强的路易斯酸-碱相互作用。在混合物中的锆倾向于与金属的氧化物表面更快速地反应，使溶胶层实现所需的层化，硅烷偶联剂的环氧基团取向树脂层。

在向溶胶膜层预处理的基材施涂的常规涂料体系中，直接施涂于溶胶上的涂料通常是中性或碱性的(pH>7)，例如通常在航天工业中用作底漆和底涂料组合物的胺固化的环氧树脂涂料。当用作底漆涂层时，通常也含有腐蚀抑制剂的这种初始中性或碱性涂料具有抑制由磨损或暴露于环境试剂，如盐、水、除冰溶液等造成的基材腐蚀和溶胶膜失稳定的主要功能，并且提供能够施涂装饰涂层的表面。

通常含有有色颜料的装饰层给予基材颜色。可使用一层或多层装饰涂层。一旦已经施涂了装饰涂层，可以施涂一层或多层透明涂层以保护装饰涂层。

即使是在缺少溶胶烘烤步骤的情况下，刚刚所述的涂料体系的施涂也是一个耗时的过程，因为每个元素(底漆、底涂层、上涂层)必须施涂在一层或多层涂层之上并且适当固化。所述元素中任意一个的失败可能对于整个体系的性能是有害的，导致基材美观上和物理上的破坏并需要修复。此外，在层之间的任意不相容会导致体系的失败。

将涂料体系中元素的数量减少至所必需的最小数量对于充分保护基材免受环境暴露和提供耐用装饰的美观外形而言会是有益的。通过减少在体系中的元素的数量，会减小体系失败的倾向。会有较少的能够造成体系失败的元素以及较少的涂料之间的潜在不同的相互作用。另外，在涂料体系中限制元素的数量可以减少施涂和修整的时间、重量以及施涂和修复的成本。提供不需要烘烤，尤其是溶胶膜烘烤的涂料体系会是更为有益的。