一种钢结构表面涂层

摘要

本申请涉及钢结构建筑保护技术的领域，具体公开了一种钢结构表面涂层。一种钢结构表面涂层包括纳米Zn‑ZnO层，纳米Zn‑ZnO层呈多层鳞片状结构并渗入钢制构件表面，其工艺方法为沉积‑表面活化处理。本申请的一种钢结构表面涂层可用于对钢结构进行保护，其具有附着力强、耐用性高的优点。

权利要求

1.一种钢结构表面涂层，其特征在于，包括纳米Zn‑ZnO层，所述纳米Zn‑ZnO层呈多层鳞片状结构并渗入钢制构件表面；

所述Zn‑ZnO层的制备方法包括以下步骤：S1、在钢制构件表面沉积或附着一层纳米级Zn层，得到纳米Zn层；

S2、对所述纳米Zn层进行表面活化处理，得到纳米Zn‑ZnO层；

所述纳米Zn层的制备方法包括以下步骤：S1.1、将钢制构件置于锌盐电解液中，钢制构件设置为阴极，纯锌片设置为阳极，采用脉冲电流对钢制构件进行表面镀锌，得到纳米Zn层；

其中，所述锌盐电解液由包括以下重量份的组分组成：硫酸锌21‑27份、硫酸铵11‑13份、聚丙烯酰胺7‑9份、硫脲5‑6份、水150份；

其中，脉冲电流镀锌的工艺参数如下：pH 3‑4、温度20‑25℃、每次电流通时5‑7ms、每次电流断时9‑12ms、电流大小1000‑1300mA、电镀总时长10‑12s；

所述步骤S2中采用等离子表面处理法对所述纳米Zn层进行表面活化处理。

2.根据权利要求1所述的钢结构表面涂层，其特征在于：在所述步骤S1.1之前，对钢制构件的表面进行等离子表面处理。

3.根据权利要求1‑2任一所述的钢结构表面涂层，其特征在于：还包括功能层，所述功能层涂覆于所述Zn层远离钢制构件的表面。

4.根据权利要求3所述的钢结构表面涂层，其特征在于：所述功能层的制备方法包括以下步骤：

S1.2、将功能涂料涂覆于所述Zn层远离钢制构件的表面，冷却成型后得到功能层；

其中，所述功能涂料为均匀分散于熔融热固性树脂中的功能填料，所述功能填料为隔热填料、隔音填料、着色填料、硬质填料、抗拉伸填料的一种或多种组合。

5.根据权利要求4所述的钢结构表面涂层，其特征在于：所述热固性树脂为环氧树脂或丙烯酸树脂或烯丙基二甘醇碳酸酯树脂的其中一种。

说明书

一种钢结构表面涂层

技术领域

[0001] 本申请涉及钢结构建筑保护技术的领域，更具体地说，它涉及一种钢结构表面涂层。

背景技术

[0002] 钢结构主要由型钢和钢板等制成的钢制构件组成，是主要的建筑结构类型之一，具有自重轻、施工简便的特点，因此在现代社会中，钢结构被广泛应用于大型厂房、桥梁和
高层建筑等领域。然而，钢结构长期暴露于外界环境中，容易受到外界环境的作用而发生氧
化锈蚀、受热变形等，这使得钢结构遭到不可逆地破坏，也是制约钢结构大规模应用于建筑
物的难题所在。

[0003] 为了对钢结构建筑物进行保护，相关技术采用表面涂层的方法将钢结构与外界环境分隔开，从而对钢结构建筑物进行保护。表面涂层常见的涂料有合金涂层、树脂涂层、硅
钢涂层等等，均能有效地对钢结构表面进行保护，实现一定的防锈蚀、防火功能。

[0004] 然而发明人认为，目前钢结构的表面涂层耐用性较差，钢结构在投入使用几年之内，部分表面涂层开裂或脱落，导致钢结构失去与外界环境分隔的保护层，严重影响了钢结
构建筑物的使用寿命。

发明内容

[0005] 为了提高钢结构表面涂层的耐用性，本申请提供一种钢结构表面涂层。

[0006] 本申请提供的一种钢结构表面涂层采用如下的技术方案：

[0007] 一种钢结构表面涂层，包括纳米Zn‑ZnO层，所述纳米Zn‑ZnO层呈多层鳞片状结构并渗入钢制构件表面；

[0008] 所述Zn‑ZnO层的制备方法包括以下步骤：

[0009] S1、在钢制构件表面沉积或附着一层纳米级Zn层，得到纳米Zn层；

[0010] S2、对所述纳米Zn层进行表面活化处理，得到纳米Zn‑ZnO层。

[0011] 通过采用上述技术方案，沉积或附着于钢制构件表面的纳米级Zn层，在经过表面活化处理后渗入至钢制构件表面内，并被氧化形成具有多层鳞片状结构的纳米ZnO，使得纳
米Zn‑ZnO层与钢制构件的表面形成一种类卡接的结构。

[0012] 发明人推测这种类卡接的结构可能是经过以下过程形成的：经过表面活化处理后的钢制构件表面和纳米Zn的活化能降低，使得钢制构件表面的金属氧化物与纳米Zn处于活
跃状态，金属离子与纳米Zn之间存在化学势能，使得纳米Zn的电子向金属离子转移，此过程
中锌离子渗入至钢制构件表面的原子层中，并与原子层内的氧离子进行电子配对，生成的
ZnO的粒径大小为纳米级别，且ZnO沿渗入方向横向生长，最终形成多层鳞片状的结构，并与
钢制构件表面形成一种类卡接的结构。这种类卡接的结构提升了涂层与钢制构件的结合
力，从而减缓了钢制构件表面涂层脱落的速度，提高了钢结构表面涂层的耐用性。

[0013] 优选的，所述纳米Zn层的制备方法包括以下步骤：

[0014] S1.1、将钢制构件置于锌盐电解液中，钢制构件设置为阴极，纯锌片设置为阳极，采用脉冲电流对钢制构件进行表面镀锌，得到纳米Zn层；

[0015] 其中，所述锌盐电解液由包括以下重量份的组分组成：硫酸锌21‑27份、硫酸铵11‑13份、聚丙烯酰胺7‑9份、硫脲5‑6份、水150份；

[0016] 其中，脉冲电流镀锌的工艺参数如下：pH 3‑4、温度20‑25℃、每次电流通时5‑7ms、每次电流断时9‑12ms、电流大小1000‑1300mA、电镀总时长10‑12s。

[0017] 由于纳米Zn层的厚度与粒径大小直接影响形成的纳米Zn‑ZnO层的结构，而通过采用上述技术方案，钢制构件表面能沉积有一层厚度与粒径大小均合适的纳米Zn层，提高了
后续形成特定结构的纳米Zn‑ZnO层的成功率。

[0018] 优选的，所述步骤S2中采用等离子表面处理法对所述纳米Zn层进行表面活化处理。

[0019] 通过采用上述技术方案，便于对纳米Zn层进行精细化的表面活性处理，从而使得到的纳米Zn‑ZnO层的结构符合工艺要求。

[0020] 优选的，在所述步骤S1.1之前，对钢制构件的表面进行等离子表面处理。

[0021] 通过采用上述技术方案，钢制构件能在进行电沉积之前降低表面离子的活化能，使得在进行电沉积的时候锌原子能够预先渗入至钢制构件的表面内，从而进一步提高了纳
米Zn‑ZnO层与钢制构件表面的结合力。

[0022] 优选的，还包括功能层，所述功能层涂覆于所述Zn层远离钢制构件的表面。

[0023] 通过采用上述技术方案，使得钢制构件表面涂层具有了更多的功能，比如同时具有防火隔热、隔声降噪等功能，大大拓宽了该钢制构件的应用范围。

[0024] 优选的，所述功能层的制备方法包括以下步骤：

[0025] S1.2、将功能涂料涂覆于所述Zn层远离钢制构件的表面，冷却成型后得到功能层；

[0026] 其中，所述功能涂料为均匀分散于熔融热固性树脂中的功能填料，所述功能填料为隔热填料、隔音填料、硬质填料、抗拉伸填料的一种或多种组合。

[0027] 通过采用上述技术方案，先涂覆功能层，再进行纳米Zn层的活化，能使得纳米Zn层在活化时同时向功能层方向进行生长，从而提高功能层与纳米Zn‑ZnO层的结合力。

[0028] 优选的，所述热固性树脂为环氧树脂或丙烯酸树脂或烯丙基二甘醇碳酸酯树脂的其中一种。

[0029] 通过采用上述技术方案，选用成型后呈透明的树脂，能够提升后续进行表面活化处理的效率，减少活化处理的时间，降低生产成本。

[0030] 综上所述，本申请具有以下有益效果：

[0031] 1、由于本申请采用沉积‑表面活化的方法对钢结构表面进行涂层，使得钢结构表面形成一层微观上具有多层鳞状结构的纳米Zn‑ZnO层，其与钢结构表面形成较稳定的结合
作用力，从而延缓了涂层从钢结构表面脱落的时间，因此获得了提高钢结构表面涂层耐用
性的效果。

[0032] 2、本申请中优选采用电沉积法和等离子表面处理法结合，由于使用电沉积法能够精确地获得所需要的纳米Zn层，并且等离子表面处理法能精确地对纳米Zn层进行活化，因
此获得了精细加工的效果，使得加工后的钢结构的质量更佳。

[0033] 3、本申请采用先进行锌层涂层，再涂覆其他功能涂层的方法，通过具有特殊结构的纳米Zn‑ZnO层同时对钢结构表面和功能涂层进行固定，因此提升了功能涂层与钢结构表
面的结合力，从而获得提高钢结构表面涂层耐用性的效果。

具体实施方式

[0034] 以下结合实施例1‑10和对比例1对本申请作进一步详细说明。

[0035] 原料和/或中间体的制备例

[0036] 制备例1

[0037] 一种锌盐电解液，通过以下步骤制得：按重量份数，取硫酸锌21份、硫酸铵13份、聚丙烯酰胺7份、硫脲6份，充分溶解于150份水中，得到锌盐电解液。

[0038] 制备例2

[0039] 一种锌盐电解液，通过以下步骤制得：按重量份数，取硫酸锌27份、硫酸铵11份、聚丙烯酰胺9份、硫脲5份，充分溶解于150份水中，得到锌盐电解液。
实施例

[0040] 实施例1

[0041] 一种钢结构表面涂层，按重量份数，通过以下步骤制得：

[0042] S1、取环氧树脂150份，加热至熔融状态，向熔融的环氧树脂中加入30份纳米锌粉，搅拌均匀，得到锌涂料；

[0043] S2、将锌涂料涂覆于待加工的钢制构件表面，使用紫外光照射钢制构件表面涂覆有锌涂料的部位20s，冷却成型后，得到带表面涂层的钢制构件。

[0044] 实施例2

[0045] 一种钢结构表面涂层，按重量份数，通过以下步骤制得：

[0046] S1、取丙烯酸树脂150份，加热至熔融状态，向熔融的丙烯酸树脂中加入30份纳米锌粉、15份六方氮化硼和15份金红石型二氧化钛，搅拌均匀，得到锌涂料；

[0047] S2、将锌涂料涂覆于待加工的钢制构件表面，使用等离子表面处理机处理钢制构件表面涂覆有锌涂料的部位5s，冷却成型后，得到带表面涂层的钢制构件。

[0048] 实施例3

[0049] 一种钢结构表面涂层，通过以下步骤制得：

[0050] S1、将待加工的钢制构件和纯锌片浸泡于制备例1的锌盐电解液中，脉冲电源的负极与钢制构件电连接，脉冲电源的正极与一块纯锌片电连接；

[0051] S2、调节锌盐电解液的pH为3，温度为25℃，调节脉冲电源的参数如下：每次电流通时5ms、每次电流断时12ms、电流大小1000mA、电镀总时长12s，然后进行电沉积，得到镀锌钢
制构件；

[0052] S3、使用紫外光照射镀锌钢制构件20s，得到带表面涂层的钢制构件。

[0053] 实施例4

[0054] 一种钢结构表面涂层，通过以下步骤制得：

[0055] S1、将待加工的钢制构件和纯锌片浸泡于制备例2的锌盐电解液中，脉冲电源的负极与钢制构件电连接，脉冲电源的正极与一块纯锌片电连接；

[0056] S2、调节锌盐电解液的pH为4，温度为20℃，调节脉冲电源的参数如下：每次电流通时7ms、每次电流断时9ms、电流大小1300mA、电镀总时长10s，然后进行电沉积，得到镀锌钢
制构件；

[0057] S3、使用等离子表面处理机对镀锌钢制构件进行表面处理5s，得到带表面涂层的钢制构件。

[0058] 实施例5

[0059] 与实施例4的不同之处在于，在步骤S3中，按重量份数，取环氧树脂150份，加热至熔融状态，向熔融的环氧树脂中加入15份六方氮化硼，搅拌均匀，得到硬质涂料；将硬质涂
料涂覆于镀锌钢制构件表面，使用等离子表面处理机对涂覆有硬质涂料的镀锌钢制构件进
行表面处理5s，然后冷却成型，得到带表面涂层的钢制构件。

[0060] 实施例6

[0061] 与实施例5的不同之处在于，涂覆于镀锌钢制构件表面的为着色涂料，着色涂料通过以下步骤制得：按重量份数，取丙烯酸树脂150份，加热至熔融状态，向熔融的丙烯酸树脂
中加入15份金红石型二氧化钛，搅拌均匀，得到着色涂料。

[0062] 实施例7

[0063] 与实施例5的不同之处在于，涂覆于镀锌钢制构件表面的为混合涂料，混合涂料通过以下步骤制得：按重量份数，取烯丙基二甘醇碳酸酯150份，加热至熔融状态，向熔融的烯
丙基二甘醇碳酸酯中加入15份金红石型二氧化钛和15份六方氮化硼，搅拌均匀，得到混合
涂料。

[0064] 实施例8

[0065] 与实施例7的不同之处在于，镀锌钢制构件表面先涂覆硬质涂料，然后使用等离子表面处理机对涂覆有硬质涂料的镀锌钢制构件进行表面处理5s，接着在硬质涂料上涂覆着
色涂料，冷却成型后，得到带表面涂层的钢制构件；

[0066] 其中，硬质涂料的制备方法与实施例5中的硬质涂料的制备方法一致，着色涂料的制备方法与实施例6中的着色涂料的制备方法一致。

[0067] 实施例9

[0068] 与实施例5的不同之处在于，在步骤S1之前，先使用等离子表面处理机对待加工的钢制构件进行表面处理5s。

[0069] 实施例10

[0070] 与实施例8的不同之处在于，在步骤S1之前，先使用等离子表面处理机对待加工的钢制构件进行表面处理5s。

[0071] 对比例

[0072] 对比例1

[0073] 一种钢结构表面涂层，通过以下步骤制得：

[0074] S1、将待加工的钢制构件浸泡于酸性溶液中20min进行酸洗，酸性溶液的成分为3wt%的盐酸、8wt%的硝酸、3wt%的乙二酸和余量的水；

[0075] S2、对酸洗后的钢制构件表面喷涂厚度为25μm的底漆，得到预涂件，底漆由以下质量百分比的组分混合而成：脂肪族聚氨酯丙烯酸酯28%、甲基丙烯酸羟乙酯20%、纳米二氧化
硅改性丙烯酸酯7.5%、TDI三聚体1.5%、硅烷偶联剂KH550 9%、脂肪醇聚氧乙烯醚11%和余量
的乙酸乙酯；其中，纳米二氧化硅改性丙烯酸酯由丙烯酸树脂和占丙烯酸树脂用量6%的纳
米二氧化硅溶胶复合而成；

[0076] S3、将预涂件置于280℃下烘干5min，然后使用流化床浸涂工艺将烘干后的预涂件进入尼龙粉中3s，最后流平、冷却，得到带表面涂层的钢制构件。

[0077] 性能检测试验

[0078] 对实施例1‑10和对比例1进行取样，并对所有样品进行附着力测定。

[0079] 检测方法/试验方法

[0080] 根据GB 8510‑85中的拉开法，对所有样品进行附着力测定。

[0081] 表1 样品附着力测定数据

[0082]样品来源 附着力
实施例1 7.8MPa·A
实施例2 7.6MPa·A
实施例3 9.6MPa·A
实施例4 10.2MPa·A
实施例5 9.7MPa·B
实施例6 9.5MPa·B
实施例7 9.9MPa·A
实施例8 10.2MPa·A
实施例9 10.5MPa·A
实施例10 11.6MPa·B
对比例1 7.3MPa·A

[0083] 结合实施例1‑10和对比例1并结合表1可以看出，采取沉积‑表面活化的方法，进行钢结构表面的涂层涂覆，涂层的附着力均优于采取普通喷涂方法获得的涂层，且通过数据
对比发现涂层的附着力存在显著提升。这是因为纳米级别的氧化锌本身具有多层鳞状结
构，当纳米氧化锌渗入钢结构表面的原子层内时，纳米氧化锌能通过这种多层鳞状结构增
强与钢结构表面的原子形成一种类卡接的结构，而这种类卡接的结构使得纳米氧化锌中的
锌离子与钢结构表面原子层中的氧离子的静电作用力得到增强，从而提高纳米Zn‑ZnO镀层
的附着力。

[0084] 然而使用普通的镀锌工艺无法在钢结构表面得到纳米级别的锌层，而且即便在钢结构表面形成纳米级别的锌层，也难以控制纳米Zn层氧化形成纳米Zn‑ZnO层而非普通ZnO
层。通过沉积‑表面活化的方法，不仅在钢结构表面形成纳米Zn层，还能将纳米Zn层与钢结
构表面原子发生电子交换形成纳米Zn‑ZnO层，进而提高表面涂层的附着力，达到提高涂层
耐用性的效果。

[0085] 结合实施例1和实施例3并结合表1可以看出，相比于直接涂覆锌涂料后进行活化的方法，使用脉冲电沉积进行镀锌后再进行活化的方法获得的涂层的附着力更大，发明人
推测这可能是因为使用脉冲电沉积进行镀锌，能在钢结构表面形成面积更广的纳米锌层，
而使用直接涂敷锌涂料的方法，在钢结构表面形成的纳米锌层的面积相对较小，从而使得
总体的附着力相对较弱。

[0086] 结合实施例3‑4并结合表1可以看出，相比于采用紫外光照射的方法进行表面活化，采用等离子表面处理技术处理的涂层具有更强的附着力，发明人推测这可能是因为紫
外光照射后的原子进行活化的程度不高，电子能级跃迁相对较弱，因此存在相当一部分纳
米Zn未被活化形成纳米ZnO，导致附着力较弱。而采用等离子表面处理技术进行活化的涂
层，被活化形成纳米ZnO的纳米Zn相对更多，因此附着力更强。

[0087] 结合实施例4‑6并结合表1可以看出，部分具有功能层的涂层相比于不具有功能层的涂层的附着力更低，且涂层脱落的方式为内聚破坏，而非附着破坏，即出现了材料因抗拉
伸性能不足而出现剥落的现象，这说明通过脉冲电沉积‑等离子表面处理之后的涂层克服
了基材从界面剥落的问题，而受限于基材本身的性质，脉冲电沉积‑等离子表面处理技术进
行涂层获得了显著的进步。

[0088] 结合实施例6‑7并结合表1可以看出，改用烯丙基二甘醇碳酸酯作为基材后，涂层剥落的方式变为附着破坏，这说明烯丙基二甘醇碳酸酯具有就够的拉伸强度，能够满足脉
冲电沉积‑等离子表面处理技术的使用。

[0089] 结合实施例7‑8并结合表1可以看出，分成涂覆功能层能使涂层具有更强的附着力，发明人推测可能是因为同一功能层内的多种不同的功能材料具有相互遮蔽的效果，从
而影响了纳米Zn的活化效果。

[0090] 结合实施例5和实施例8‑10并结合表1可以看出，在进行脉冲电沉积镀锌前，先对待加工的钢结构表面进行等离子表面处理活化，能够提高最终成型的涂层的附着力，发明
人推测可能是因为表面活化后的钢结构与纳米Zn层结合时，纳米Zn层会有部分原子先行渗
入至钢结构表面，而后进行活化时，纳米Zn层继续有部分原子被活化而渗入钢结构表面，使
得纳米Zn‑ZnO层与钢结构表面的原子渗透作用更强，从而具有更强的作用力，进而进一步
提高了钢结构表面涂层的附着力，最终达到提高表面涂层耐用性的效果。

[0091] 本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本
申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。