制備和修復(fù)耐化涂層的方法
【專利說明】制備和修復(fù)耐化涂層的方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]本國際申請要求2012年11月29日提交的題為“Methods for Preparing andRepairing Chemically-Resistant Coating”的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?1/731，109 的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該申請通過引用以其整體并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本申請涉及制備和修復(fù)耐化涂層的方法，諸如稱為搪瓷(porcelain enamels)和釉瓷(vitreous enamels)的那些。本申請還涉及具有耐化涂層的制品。
【背景技術(shù)】
[0004]例如由美國專利號5，387，439已知在鋼基材上制備搪瓷涂層。’439專利解決了這類涂層的一個(gè)已知問題:它們的沖擊強(qiáng)度通常很差。因此，當(dāng)工具、五金器具、碎片或其它材料與涂層激烈接觸時(shí)，或制品經(jīng)歷粗暴加工時(shí)，涂層可能會被損壞。如果破損涂層遭遇嚴(yán)苛的化學(xué)條件，諸如化學(xué)生產(chǎn)工藝中所存在的，下面的鋼基材可能被侵蝕，且工藝將會因被侵蝕的鋼而被污染。另外，鋼基材最終將會損壞，且化學(xué)工藝不再被包含或防護(hù)而與鋼外部的環(huán)境條件隔絕?！?39專利公開了由于向涂層中加入無機(jī)纖維材料而具有改進(jìn)的沖擊強(qiáng)度的涂層。
[0005]即使如此，搪瓷涂層仍然易受碎裂、破壞和其它機(jī)械損壞?！?39專利教導(dǎo)了工藝容器上的受損涂層可用容器的完全再玻璃化(第2欄第38?41行)或通過使用鉭(金屬和/或氧化物)栓(第8欄第14?19行)修正。正如可意識到的，整個(gè)容器的再玻璃化在修復(fù)工作和工藝停工期雙方面都代表龐大的花費(fèi)，這至少是因?yàn)樾枰獙⑷萜鲝墓に嚿喜鸪ǔ＿\(yùn)輸?shù)桨ù笮秃嫦浠蚋G爐的修復(fù)地點(diǎn)，再玻璃化，運(yùn)輸回來，并重新組裝到工藝中。同時(shí)，鉭補(bǔ)片(其通常用環(huán)氧樹脂粘貼在受損部位上)可能會改變工藝環(huán)境的化學(xué)。采用非玻璃材料對玻璃襯里的設(shè)備的任何修復(fù)都會被認(rèn)為是臨時(shí)性的。因此，需要能得到耐化涂層的修復(fù)搪瓷涂層損傷的方法。另外，還需要無需完全再玻璃化的修復(fù)這種損傷的方法。還需要能在原位進(jìn)行或以最少拆卸進(jìn)行的方法。此外，還尋求易于在第一位置制備耐化涂層的方法。還需要具有耐化涂層(諸如，易于修復(fù)的耐化涂層)的制品。本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案可符合那些需要中的一種或多種，由此解決了現(xiàn)有涂層制備和修復(fù)技術(shù)中潛在的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]現(xiàn)在，申請人已出乎意料地發(fā)現(xiàn)了制備和修復(fù)耐化涂層的新方法。在一些實(shí)施方式中，那些方法涉及形成軟化狀態(tài)的底涂層(底涂層)，然后將涂層材料火焰噴涂沉積(flame-spray depositing)到該軟化底涂層上，然后緩慢冷卻涂層以緩解應(yīng)力。那些方法可用于在第一位置制備耐化涂層，或者修復(fù)受損涂層，無論最初的涂層是否根據(jù)本發(fā)明的方法制成。有利地，本發(fā)明的一些實(shí)施方式允許在部分基材上形成新的保護(hù)性耐化涂層，后者與鄰近的先前已有的涂層良好摻和。在其它實(shí)施方式中，該方法可用于根據(jù)需要將諸如以下的制品完全再玻璃化:反應(yīng)容器、反應(yīng)容器或其它容器的蓋、擋板、溫度計(jì)套管、攪拌器、攪拌器軸、管、熱交換器、儲罐或其它工藝設(shè)備。本發(fā)明的其它實(shí)施方式包括包含根據(jù)本發(fā)明制成的耐化涂層的制品。
[0007]因此，本發(fā)明的一些實(shí)施方式涉及在其上具有底涂層的基材上制備耐化涂層的方法，包括:將基材加熱到第一溫度，從而形成軟化底涂層；將涂層材料火焰噴涂沉積到軟化底涂層上；并且緩慢冷卻基材，從而在基材上形成耐化涂層。
[0008]其它實(shí)施方式涉及在有此需要的基材上修復(fù)耐化涂層的方法，包括:將組合物施加到基材上的受損部位，其中所述組合物:(a)包括具有如下粒徑分布的顆粒形式的底涂層材料:所述粒徑分布使得至少約5wt%的顆粒小于44微米且至少約20wt%的顆粒大于150微米，和(b)底涂層材料包括熔塊(frit)材料，所述熔塊材料包括約48?約58wt%二氧化硅、約12?約22wt%氧化硼、約I?約9wt%氧化鉀和約I?約9wt%氧化鋁；燒灼組合物以在基材上形成軟化底涂層；將涂層材料火焰噴涂沉積到軟化底涂層上，其中所述涂層材料(a)為平均尺寸在約74?約177微米范圍內(nèi)的顆粒形式，和(b)包括約68?約74wt%:氧化娃、約0.5?約2.5?1:%氧化銷、約7?約15wt%氧化鈉、約I?約5?1:%氧化鋰和約2?約9wt%氧化鋯；并且緩慢冷卻基材，從而修復(fù)基材上的耐化涂層。
[0009]其它實(shí)施方式涉及在基材上制備耐化涂層的方法:將組合物施加到基材上，其中所述組合物(a)包括底涂層材料，所述底涂層材料為具有如下粒徑分布的顆粒形式:所述粒徑分布使得至少約5wt%的顆粒小于44微米且至少約20wt%的顆粒大于150微米，和(b)所述底涂層材料包括恪塊材料，所述恪塊材料包括約48?約58wt%:氧化娃、約12?約22wt%氧化硼、約I?約9wt%氧化鉀和約I?約9wt%氧化銷；燒灼組合物以在基材上形成軟化底涂層；將涂層材料火焰噴涂沉積到軟化底涂層上，其中所述涂層材料:(a)為平均尺寸在約74?約177微米范圍內(nèi)的顆粒形式，和(b)包括約68?約74wt%:氧化娃、約
0.5?約2.5wt%氧化銷、約7?約15wt%氧化鈉、約I?約5wt%氧化鈕和約2?約9wt%氧化鋯；和緩慢冷卻基材，從而在基材上制備耐化涂層。
[0010]其它實(shí)施方式涉及包括以下的制品:(a)金屬基材；(b)底涂層，所述底涂層包括:二氧化硅、氧化硼、氧化鉀和氧化鋁；和(C)長條板(splats)形式的涂層，包括:二氧化硅、氧化鋁、氧化鈉、氧化鋰和氧化鋯。這樣的制品可以是反應(yīng)容器、蓋、擋板、溫度計(jì)套管、攪拌器、攪拌器軸、管、熱交換器、儲罐以及在化學(xué)、石化、食品、藥物、塑料、化妝品、自來水處理和相關(guān)工業(yè)以及需要耐化表面的任何地方可用的其它部件。
【具體實(shí)施方式】
[0011]根據(jù)需要，在本文中公開了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】；然而，應(yīng)理解所公開的實(shí)施方式僅是可以多種形式實(shí)施的本發(fā)明的范例。附圖不必是按規(guī)定比例的，一些特征可能被夸大以顯示具體部件的細(xì)節(jié)。因此，本文所公開的特定結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)和作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種方式采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0012]基材
[0013]如上所述，本發(fā)明的一些實(shí)施方式提供了在基材上制備或修復(fù)耐化涂層的方法。可使用任何合適的基材，諸如，例如，金屬或金屬合金。在一些情況中，基材包括鋼。在一個(gè)實(shí)施方式中，基材是包含少于0.25wt%碳的冷乳低碳鋼。因此，如A.S.Μ.E.Specificat1nSA285, Grade B或SA285M-82, Grade B中所公開的，這種鋼經(jīng)常包含不多于0.22wt%碳，不多于0.9wt %猛，不多于0.035wt %磷，不多于0.04wt %硫，和至少約98wt %鐵。在其它實(shí)施方式中，基材是鐵金屬或其合金，諸如在Robert H.Perry等人的"ChemicalEngineers’Handbook, "Fifth Edit1n(McGraw-Hill Book Company, New York, 1973)第23-45到23-46頁上公開的那些材料。因此，例如，基材可基本由以下材料組成:InconelAlloy 600、Inconel Alloy 610、Inconel Alloy 625、Inconel Alloy 700、Inconel Alloy702、 Inconel Alloy 705、 Inconel Alloy 713、 Inconel Alloy721、 Inconel Alloy 722、Inconel Alloy 乂_750 等。
[0014]無論在基材上制備還是修復(fù)涂層，基材均可需要預(yù)先清潔和準(zhǔn)備。任何先前的耐化涂層可被整體或部分去除。例如，涂層中缺陷或碎裂周圍的區(qū)域可被去除搪瓷以暴露原料金屬。基材的表面通常包含許多瑕疵，尤其是在其已被焊接并正在被拋光或再拋光之后。因此，希望通過機(jī)械噴砂(mechanical blasting)制備這樣的表面以去除諸如氧化物、結(jié)垢、凹陷、工具印痕等的瑕疵。
[0015]在一個(gè)實(shí)施方式中，可通過噴砂制備基材表面。如在Andrew
1.Andrews’ “Porcelain Enamels:The Preparat1n, Applicat1n 和 Properties ofEnamels,，，Second Edit1n (Garrard Press, Champaign, IL, 1961)第 198 ?211 頁中公開的，可通過機(jī)械噴砂、通過壓縮空氣噴砂等來制備這樣的表面?？墒褂贸Ｒ?guī)磨料諸如沙子、鋼砂、氧化鋁砂等。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用粒徑小于40目的氧化鋁砂。某些實(shí)施方式提供了通過噴砂處理(sand blasting)、噴鐵砂(grit blasting)或二者的組合來清潔基材。噴砂可持續(xù)直到目測顯示基材表面具有清潔、均勻灰色的外觀，顯示其已被清潔到足以促進(jìn)底涂層與基材之間的粘附。
[0016]底涂層
[0017]底涂層可以是任何合適的材料。如本領(lǐng)域已知的，在某些實(shí)施方式中，底涂層可以是堿硼娃酸鹽玻璃組合物(alkali borosilicate glass composit1n)，其用于增強(qiáng)基材與基材上后續(xù)涂層之間的高粘附。在仍然另外的實(shí)施方式中，底涂層可包含約10?約20wt%氧化硼，約40?約60wt%二氧化娃和約15?約25wt%堿金屬氧化物(選自鋰、鈉、鉀、銣、銫、紡的氧化物及其混合物)。
[0018]在一個(gè)實(shí)施方式中，底涂層包括約60?約65wt%二氧化硅。在另一個(gè)實(shí)施方式中，底涂層包括約10?約22被％氧化硼。另一個(gè)實(shí)施方式提供了如下底涂層，其包括:約I?約9?1:%氧化鉀。另一個(gè)實(shí)施方式包括如下底涂層，其包括:約I?約9?1:%氧化銷。仍然其它的實(shí)施方式包括如下底涂層，其包括:氧化鈣、氧化鈷、氧化鎳、氧化錳、一種或多種堿金屬氧化物(諸如，氧化鋰、氧化鈉、氧化銣、氧化銫、氧化紡或其組合)。
[0019]底涂層組合物可以任何合適的方式制備。例如，可使用混合機(jī)。任選地，合適的混合機(jī)也能碎磨，即，粉碎組合物或進(jìn)一步減小組合物的粒徑?；蛘呖墒褂脝为?dú)的粉碎機(jī)。因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，合適的混合機(jī)是滾磨機(jī)，諸如，例如，管磨機(jī)、倉磨機(jī)、棒磨機(jī)、礫磨機(jī)、球磨機(jī)等。參見，例如，Robert H.Perry 等人的〃Chemical Engineers' Handbook, "FifthEdit1n (McGraw-Hill Book Company, New York, 1973)第 8-25 到 8-28 頁。
[0020]施加到基材上隨后燒灼以形成軟化底涂層的底涂層組合物可采取漿料的形式。在一些實(shí)施方式中，將足夠量的液體與固體材料一起添加到混合機(jī)中，使得形成包含約60?約70wt%固體材料的楽料。即，楽料包括約30?約40wt%液體。所述液體可包括任何合適的液體，諸如水，低分子醇，諸如甲醇、乙醇、丙醇或丁醇或者前述任何的組合。在某些實(shí)施方式中，這種漿料在混合機(jī)中的研磨持續(xù)到在一些實(shí)施方式中產(chǎn)生具有如下粒徑分布的基本均勾的混合物:在一些實(shí)施方式中，其粒徑分布使得楽料中至少5wt%的顆粒小于44微米且楽料中至少約20wt%的顆粒大于150微米?？啥ㄆ趶幕旌蠙C(jī)中取出樣品并使其經(jīng)歷粒徑分析以確定漿料是否已具有所需的粒徑分布。參見，例如，美國專利號4，282，006關(guān)于粒徑分布測量的討論。
[0021]在一些情況中，底涂層材料可通過例如以下方式制成:向混合機(jī)中裝入包含以下的玻璃配合料(glass batch):約48?約58wt% (基于玻璃配合料的總重，干基)的二氧化娃、約12?約22wt%氧化硼、約9?約19wt%氧化