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基本信息

項(xiàng)目名稱：
納米復(fù)合磷酸鹽生態(tài)防銹顏料的制備與應(yīng)用
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品首次采用聚合-超聲化學(xué)沉淀法合成了含有AlH2P3O10、Zn3(PO4)2和Zn2B6O11的納米復(fù)合磷酸鹽生態(tài)防銹顏料，使其在防銹過(guò)程中產(chǎn)生耦合協(xié)同作用，顯著提高了防腐涂料的性能，耐鹽水性能由現(xiàn)在的72 h提高到了192 h； 過(guò)程中采用超聲波化學(xué)輔助技術(shù)，使產(chǎn)品粒度由幾～十幾個(gè)微米減小到100 納米以下，極大的提高了防銹顏料與樹脂基料的相容性和分散性，明顯提高了涂料的韌性、細(xì)度和硬度； 改進(jìn)了三聚磷酸鋁的傳統(tǒng)制備工藝，巧妙將過(guò)量廢酸綜合利用，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng)。中信所查新國(guó)內(nèi)外尚未見報(bào)道。 本發(fā)明產(chǎn)品為一種新型高效無(wú)毒的白色防銹顏料，因其復(fù)合型的防銹機(jī)理，故防銹效果極佳，而且制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，環(huán)境友好無(wú)污染。可適用于醇酸、環(huán)氧等各種樹脂基料的水性和溶劑型防腐涂料的制備，應(yīng)用前景廣闊。中信所查新證實(shí)，該成果在國(guó)內(nèi)外尚未見報(bào)道，已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)，同時(shí)與保定科力環(huán)保材料有限公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同，一定會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
詳細(xì)介紹：
全世界每年因金屬腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到7000億美元，約為地震、火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害損失總和的6倍。在我國(guó)，由于金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的4％，約為9000億元，因此，金屬防腐尤為重要。而在防腐涂層中，起關(guān)鍵作用的是防銹顏料，尤其對(duì)于新興起的水性防腐涂料尤為如此。 長(zhǎng)期以來(lái)，涂料工業(yè)使用的含鉛、鉻（Ⅵ）等有毒重金屬的防銹顏料雖然具有優(yōu)異的防銹性能，但其毒性大、顏色深，而且配置的防銹底漆需要高遮蓋力的面漆配套，給涂料產(chǎn)業(yè)的深加工帶來(lái)很大的困難。另外，含鉛、鉻（Ⅵ）顏料在生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的三廢、制漆過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、金屬涂漆后焊接與切割時(shí)散發(fā)的氣體以及涂層破損后的有毒漆膜等等都會(huì)對(duì)人體及環(huán)境造成嚴(yán)重的危害和污染，因此，這類顏料的生產(chǎn)與使用逐步受到限制。隨著全球各國(guó)環(huán)境立法、勞動(dòng)保護(hù)法規(guī)和工業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格與完善，尋求無(wú)毒或低毒的生態(tài)防銹顏料并逐步取代傳統(tǒng)的有毒防銹顏料已成為人們的共識(shí)。 迄今為止，我國(guó)已研制開發(fā)出了磷酸鹽系、鉬酸鹽系、硼酸鹽系列等多種無(wú)毒或低毒顏料，其中以磷酸鹽系列顏料就其品種、性能及使用范圍上都占有較大的優(yōu)勢(shì)，從而使其成為用量最大的無(wú)毒防銹顏料。 但是目前存在的最大問(wèn)題是，單一的防銹顏料均存在一些缺陷，而不能滿足優(yōu)質(zhì)防腐涂料的要求。比如市售磷酸鋅的粒子較大（10~15μm），比表面積較小，分散性差，并且其溶解度低和水解性差，防銹活性不足，形成有效保護(hù)膜的速度太慢，不能克服所謂的“閃銹”問(wèn)題，其防銹性能達(dá)不到傳統(tǒng)的鋅鉻黃的水平，難以全面取代傳統(tǒng)的有毒防銹顏料。而三聚磷酸二氫鋁雖然由于對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用使其具有長(zhǎng)效防銹性能，但它卻是一種固體酸，（pKa為1.5～1.6），由于酸性、水溶解度等原因，三聚磷酸二氫鋁并不適合直接作為防銹顏料使用，必須加以改性，使其具有適宜的pH值、溶解性、分散性等，才能成為一種實(shí)際可用的長(zhǎng)效防銹顏料。除此之外，三聚磷酸二氫鋁在制備過(guò)程中，由于大約三分之一的未反應(yīng)磷酸要被洗掉（水洗到中性），不僅使得工藝復(fù)雜，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。而硼酸鋅則屬于活性顏料，它的水解產(chǎn)物能促進(jìn)在金屬表面形成均勻完整的鈍化氧化層，對(duì)涂膜下的孔蝕和均勻腐蝕還可提供額外保護(hù)，但是該顏料的后期防銹性能卻不是很好。 鑒于單一顏料的弊端，為了研制開發(fā)更加優(yōu)異的無(wú)毒防銹顏料，本作品完成了以下工作： 1. 以磷酸、硼酸、氧化鋅和氫氧化鋁為原料，首先制備三聚磷酸二氫鋁中間體漿料，再向其中加入化學(xué)計(jì)量的硼酸，在機(jī)械攪拌同時(shí)超聲波輔助震蕩下，與含有化學(xué)計(jì)量氧化鋅的漿液在一定溫度下反應(yīng)，得到目標(biāo)產(chǎn)物。XRD物相分析并與JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)照，發(fā)現(xiàn)樣品含有三聚磷酸二氫鋁、磷酸鋅和硼酸鋅物相，同時(shí)還存在少量不明物相，可能為新物質(zhì)相。委托河北晨陽(yáng)工貿(mào)有限公司對(duì)樣品進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有防銹顏料相比，各項(xiàng)性能均有了顯著提高，尤其關(guān)鍵項(xiàng)目--耐鹽水性能由目前國(guó)內(nèi)普通磷酸鋅的72 h和德國(guó)進(jìn)口ZPA的168 h提高到192 h。 2．傳統(tǒng)三聚磷酸鋁在制備過(guò)程中剩余的1/3磷酸必須洗掉（洗到中性），本發(fā)明采用控制過(guò)程將含過(guò)量磷酸的三聚磷酸鋁漿料加入到含有氧化鋅和水的漿體中反應(yīng)而生成磷酸鋅，這樣就避免了過(guò)量磷酸的浪費(fèi)，降低了對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng)； 3．為了進(jìn)一步提高涂料的綜合性能，國(guó)內(nèi)外最有效的方法就是對(duì)顏料微細(xì)化，但是目前國(guó)內(nèi)外市售產(chǎn)品仍然都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到納米級(jí)別。從理論上講，由于納米材料具有獨(dú)特的性能，將納米材料用于涂料中，可以顯著增加顏料與各種樹脂基料的相容性，不但可以提高涂料的耐老化性、耐腐蝕性、抗輻射性，還可以進(jìn)一步提高涂料的附著力、強(qiáng)度、硬度、耐磨性等，從而大大提高了傳統(tǒng)涂料的性能。因此，納米級(jí)磷酸鹽系列及其改性產(chǎn)品的研究與開發(fā)成為涂料工業(yè)研究的熱點(diǎn)。本發(fā)明在制備過(guò)程中采用超聲波振蕩輔助攪拌的方法，使得產(chǎn)品粒度由目前普通磷酸鹽的幾～十幾個(gè)微米減小到100 nm以下，不僅改善了顏料與樹脂基料的混容性，而且提高了涂層的附著力、硬度、光澤和耐老化性能，使其防銹效果更加突出。 綜上所述，本發(fā)明以廉價(jià)的無(wú)機(jī)鹽為原料，采用一種全新的制備方法——聚合-超聲化學(xué)沉淀法合成了含有AlH2P3O10、Zn3(PO4)2和Zn2B6O11的白色納米生態(tài)復(fù)合磷酸鹽防銹顏料， 不僅解決了單純?nèi)哿姿岫滗X生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)量磷酸的環(huán)境污染問(wèn)題，而且用該種防銹顏料所制備的水性防腐涂料具有優(yōu)異的短、中、長(zhǎng)期防銹性能。中信所查新證實(shí)，該成果在國(guó)內(nèi)外尚未見報(bào)道，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)，同時(shí)與保定科力環(huán)保材料有限公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同，一定會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

作品圖片

  • 納米復(fù)合磷酸鹽生態(tài)防銹顏料的制備與應(yīng)用
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

我國(guó)每年因金屬腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到9000億元，約為地震、火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害損失總和的6倍。因此金屬材料的防腐顯得至關(guān)重要，而在防腐涂層中，起關(guān)鍵作用的是防銹顏料，對(duì)于新興起的水性防腐涂料尤為如此。長(zhǎng)期以來(lái)，涂料工業(yè)使用的含鉛、鉻（Ⅵ）等有毒重金屬防銹顏料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中給生命和環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。而無(wú)毒或低毒的磷酸鹽系防銹顏料在性能上又存在著某些缺陷而不能完全取代傳統(tǒng)的有毒顏料。 為了解決含鉛、鉻（Ⅵ）等有毒重金屬防銹顏料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中給生命和環(huán)境造成的嚴(yán)重危害，為了彌補(bǔ)單一無(wú)毒防銹顏料防銹性能不佳之缺陷；為了提高各種防腐涂料（水性和油性）的綜合性能（尤其是耐鹽霧性能），本作品的發(fā)明思路和創(chuàng)新點(diǎn)是：1. 采用聚合-超聲化學(xué)沉淀法合成了含有AlH2P3O10、Zn3(PO4)2和Zn2B6O11的白色納米復(fù)合磷酸鹽生態(tài)防銹顏料，利用化學(xué)法將三聚磷酸二氫鋁、磷酸鋅和硼酸鋅進(jìn)行復(fù)合，使其在防銹過(guò)程中產(chǎn)生耦合協(xié)同作用，耐鹽水性能由目前國(guó)內(nèi)普通磷酸鋅的72 h和德國(guó)進(jìn)口ZPA的168 h提高到192 h；2. 采用超聲波化學(xué)輔助技術(shù)，使產(chǎn)品粒度由幾～十幾個(gè)微米減小到100 納米左右，極大的提高了防銹顏料與樹脂基料的相容性和分散性；3. 改進(jìn)了三聚磷酸鋁的制備工藝，巧妙將過(guò)量廢酸綜合利用，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1. 采用聚合-超聲化學(xué)沉淀法將三聚磷酸二氫鋁、磷酸鋅和硼酸鋅進(jìn)行復(fù)合，使其在防銹過(guò)程中產(chǎn)生耦合協(xié)同作用，解決了單一磷酸鹽防銹顏料的不足（比如磷酸鋅不能克服所謂的“閃銹”問(wèn)題；三聚磷酸鋁由于酸性、水溶解度等原因并不適合直接作為防銹顏料使用，須加以改性；硼酸鋅后期防銹性能不是很好）。該復(fù)合顏料的耐鹽霧性能由單一顏料的72 h增加到196 h。 2．傳統(tǒng)三聚磷酸鋁在制備過(guò)程中剩余的1/3磷酸必須洗掉（洗到中性），本發(fā)明采用控制過(guò)程將含過(guò)量磷酸的三聚磷酸鋁漿料加入到含有氧化鋅和水的漿體中反應(yīng)而生成磷酸鋅，這樣避免了過(guò)量磷酸的浪費(fèi)，降低了對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng)； 3．本發(fā)明在制備過(guò)程中采用超聲波振蕩輔助攪拌的方法，使得產(chǎn)品粒度由目前普通磷酸鹽的幾～十幾個(gè)微米減小到100 nm左右，不僅改善了顏料與樹脂基料的混容性，而且提高了涂層的附著力、硬度、光澤和耐老化性能，使其防銹效果更加突出。中信所查新證實(shí)，該成果在國(guó)內(nèi)外尚未見報(bào)道，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利一項(xiàng) 題目：納米生態(tài)復(fù)合磷酸鹽防銹顏料及制備方法 申請(qǐng)?zhí)枺?00910074071.5 申請(qǐng)日：2009年4月3日 申請(qǐng)人：XX大學(xué) 完成人：參賽學(xué)生

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)轉(zhuǎn)讓或聯(lián)合辦廠均可

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

本發(fā)明產(chǎn)品為一種新型高效無(wú)毒的白色防銹顏料，因其復(fù)合型的防銹機(jī)理，故本產(chǎn)品防銹效果極佳，而且制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，環(huán)境友好無(wú)污染。本產(chǎn)品可適用于醇酸、環(huán)氧等各種樹脂基料的水性和溶劑型防腐涂料的制備。在建筑材料，造船造車，鋼鐵設(shè)備等領(lǐng)域可廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因金屬腐蝕造成的損失可達(dá)到9000億元，提升各種防腐涂料的質(zhì)量和數(shù)量刻不容緩，優(yōu)質(zhì)防銹顏料市場(chǎng)廣闊，而本產(chǎn)品防銹效果好，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單無(wú)污染，使其必然在市場(chǎng)上占有很大空間，其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益預(yù)期會(huì)很高。 另外，科力環(huán)保材料有限公司已經(jīng)與XX大學(xué)簽訂了生產(chǎn)納米復(fù)合磷酸鹽防銹顏料的技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同，籌建規(guī)模1000噸/年，該公司同時(shí)與河北晨陽(yáng)工貿(mào)集團(tuán)有限公司、河北金魚涂料集團(tuán)等十多家生產(chǎn)防腐涂料的企業(yè)達(dá)成了銷售意向。 據(jù)初步估算，每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品，綜合成本8000元左右，預(yù)計(jì)售價(jià)2-3萬(wàn)元/噸（目前市場(chǎng)使用的德國(guó)進(jìn)口ZPA防銹顏料為8萬(wàn)元/噸），年產(chǎn)1000噸，利潤(rùn)可達(dá)1-2千余萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

同類課題研究水平概述

1956年英國(guó)學(xué)者Coslett T W.以防止鋼鐵生銹為目的，發(fā)明了以磷酸鹽作為防銹劑的處理辦法。1959年英國(guó)Harrison J B.等首次對(duì)磷酸鋅防銹顏料進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。1972年日本以公害問(wèn)題為契機(jī)開始使用聚磷酸鋁系列無(wú)毒防銹顏料來(lái)替代含鉻、鉛的鉻酸鹽和鉛丹等有毒顏料。我國(guó)從1982年以后，先后有河北大學(xué)丁士文教授，汕頭大學(xué)張啟昆教授，廣西化工研究院等多家單位進(jìn)行了該領(lǐng)域的研究，迄今為止，已研制開發(fā)出了磷酸鹽系、鉬酸鹽系、硼酸鹽系列等多種顏料，其中以磷酸鹽系列顏料就其品種、性能及使用范圍上都占有較大的優(yōu)勢(shì)，從而使其成為用量最大的無(wú)毒防銹顏料。 目前存在的主要問(wèn)題是，單一磷酸鹽防銹顏料都存在某些缺陷。比如磷酸鋅由于分散性差，溶解度低和水解性差，防銹活性不足，形成有效保護(hù)膜的速度太慢，不能克服“閃銹”問(wèn)題，其防銹性能達(dá)不到傳統(tǒng)的鋅鉻黃的水平，難以全面取代傳統(tǒng)的有毒防銹顏料；而聚磷酸鋁雖然對(duì)鐵離子有很高的絡(luò)合能力，具有很強(qiáng)的長(zhǎng)效防銹性能。但三聚磷酸二氫鋁是一種固體酸，（pKa為1.5～1.6），由于酸性、水溶解度等原因并不適合直接作為防銹顏料使用，必須加以改性，使其具有適宜的pH值、溶解性、分散性等，才能成為一種實(shí)際可用的活性防銹顏料。除此之外，三聚磷酸二氫鋁在聚合過(guò)程中，磷酸必須過(guò)量，使得大約三分之一的未反應(yīng)磷酸最后要被洗掉，不僅使得工藝復(fù)雜，而且還會(huì)造成大量的環(huán)境污染；另?yè)?jù)國(guó)外報(bào)道，硼酸鋅屬于活性顏料，它的水解產(chǎn)物能促進(jìn)在金屬表面形成均勻完整的鈍化氧化層，但是該顏料的后期防銹性能卻不是很好。 鑒于單一防銹顏料的性能缺陷，本發(fā)明的創(chuàng)新理念是： 1.將三聚磷酸二氫鋁、磷酸鋅和硼酸鋅進(jìn)行化學(xué)復(fù)合，使其在防銹過(guò)程中產(chǎn)生協(xié)同作用，同時(shí)提高短、中、長(zhǎng)期的防腐性能； 2. 改進(jìn)了三聚磷酸鋁的制備工藝，巧妙將過(guò)量廢酸綜合利用，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng); 3.反應(yīng)過(guò)程中引入超聲波作用，即采用聚合-超聲化學(xué)沉淀法產(chǎn)品粒度小于100 nm，可使涂料獲得多種特殊的性能，如提高涂料的耐老化性、耐腐蝕性、抗輻射性，還可以進(jìn)一步提高涂料的附著力、強(qiáng)度、硬度、耐磨性等，所以用該種防銹顏料所制備的水性防腐涂料具有優(yōu)異的短、中、長(zhǎng)期防銹性能。
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