•提高涂料体系对钢、铝等金属基材的附着力和耐腐蚀性;
•将所需的喷砂级别从SSPC(钢结构涂装委员会)SP-10(接近白色喷砂清洗=至少95%的表面无可见残留物)降低到名义上的SP-6(商业喷砂清洗=至少65%的表面无可见残留物)或SP-3(电动工具清洗，只去除松散的磨水垢、铁锈和旧漆)。
环保型水性纳米复合材料预处理作为双面粘合剂，促进了漆层与金属之间的附着力。本文介绍了纳米复合材料预处理的概念、预处理的实验室和室外暴露试验结果，并与美国一家大型造船企业进行了纳米复合材料预处理的放大试验。
技术概述
根据海军资助的小企业创新研究合同，NEI开发了一种用于钢、铝和其他金属的无铬纳米复合预处理涂层。作为一个例子，目前海军对钢船进行爆破和喷漆的做法如图1所示，以及提出的方法。目前海军的做法是对钢材进行喷砂处理，使其洁净度达到SSPC SP-10级别。这种级别的喷砂非常耗时、昂贵，而且是一个环境问题，因为在生产2-3密耳的金属表面轮廓时，由于要去除大量金属表面，会产生大量的危险废物。喷砂后，通常要涂两层底漆，总厚度为8-12密耳，然后再涂2-4密耳厚的面漆。NEI开发的技术是一种薄(~0.5-2.0微米厚度)的纳米复合材料预处理，作为双面粘结剂。由于预处理对金属基材和底漆的附着力都很好，喷砂级别可以从SP-10降低到SP-6，甚至在要求不高的应用中，可以将SP-3电动工具清洗。这种表面处理水平的降低显著减少了劳动力和危险废物，降低了总体成本。此外，由于纳米复合材料预处理具有优异的附着力和耐腐蚀性，因此有可能降低底漆的厚度，从而进一步降低总应用成本。
需要强调的是，纳米复合材料预处理是非常环保的，因为它是水性的，在环境条件下干燥(即不需要高温固化)，不含铬或其他致癌物，不含溶剂(因此没有VOCs)，不含重金属，也没有hap。此外，预处理的配方，使它很容易适用于各种金属表面使用传统的涂装设备。
测试结果
初步实验室配方
最初的实验室工作集中于开发一种可行的风干水性配方，该配方可在喷砂至低于SP-10(即SP-6或SP-3)喷砂清洁度的钢材上提供良好的附着力和耐腐蚀性。经过几十种配方的设计和试验，我们选择了下面讨论的纳米复合预处理配方。
图2显示了4周的盐雾结果(ASTM B117)的钢板，要么砂喷到SP-10没有任何预处理，要么用电动工具清洁到SP-3清洁水平，然后应用纳米复合预处理。所有面板都涂有超高固含量环氧底漆(8 MIL-PRF-23236C)和低太阳吸收率硅酮醇酸面漆(2 mil - MIL-P-24635B)。图2显示SP-10的控制面板有2.4 mm的刻度蠕变(即刻度区域的油漆分层)，而SP-3加纳米复合预处理的刻度区域为1.5 mm。这是一个重要的结果，因为纳米复合材料预处理在表面洁净度(SP-3)较低的情况下，盐雾效果优于SP-10。
还进行了阴极解粘试验。在该测试中，面板涂有超高固含量环氧底漆(8 mil - MIL-PRF-23236C)。没有使用面漆。一个抄写员被放置在穿过钢基板的油漆中。然后在-0.59伏阴极极化下，将面板浸入3.5%的氯化钠溶液中24小时。然后用刀刮起书记员周围的脱层油漆，测量脱粘面积的大小。
从图3可以看出，SP-6的洁净度水平与纳米复合材料预处理相结合后的抄写蠕变比SP-10样品要小得多。
船厂扩大
纳米菌PT-20纳米复合材料对钢基板的预处理在美国一家大型造船厂进行了放大。2010年11月，NEI人员对纳米菌PT-20进行了首次野外试验。在那次试验中，船厂工人用喷砂或电动工具清理了62块钢板(6英寸x 12英寸x 1/8英寸厚)。部分清洗到SSPC SP-6或SP-10的面板应用了PT-20。有些面板是“对照”面板，因为它们没有经过PT-20处理。船厂工人随后涂了两层海军指定的环氧底漆(MIL- PRF-23236D)。总干膜厚度为8密耳;外套之间的干燥时间约为18小时。
准备好的测试板被涂上漆，划好，并放置在户外45°朝南(根据ASTM D1014)，距离造船厂的盐水约30码。这些面板于2011年1月开始暴露，每隔6个月进行一次评估。在2011年7月的评估中，所有小组都没有明显的差异。该试验的面板也在各种实验室测试中进行了评估。下面讨论结果。
实验室测试结果
来自2010年11月船厂试验的面板进行了以下实验室测试:盐雾(ASTM B117)和阴极解粘(MIL-PRF-23236D)。下面讨论每个测试的结果。
面板接受了28天的盐雾测试(ASTM B117)。图4显示SP-6表面预处理加NEI预处理比SP-10对照组的抄写蠕变更小。这些结果是测试系列中多个样本的典型结果。
阴极解粘试验按照MIL-PRF-23236D和ASTM G8进行。在每个6“x12”的测试面板上钻3个1 / 4英寸的孔，将涂层穿透至金属，分别在30、60和90天获得结果。这些面板被放置在一个塑料容器中，并浸泡在由自来水和氯化钠、硫酸钠和碳酸钠各1wt %的电解质溶液中。面板被电连接到一个商业镁阳极。在测试周期结束时，拆卸测试单元，用温自来水冲洗测试面板并擦干。然后用刀将节假日前后脱落的油漆刮起，测量脱粘区域的大小。
由图5可知，SP-6表面处理+纳米菌PT-20预处理的样品阴极解键电阻略优于SP-10对照。图5所示的结果是测试系列中的多个样本的典型结果。
原型部件放大
基于2010年11月试验的成功，海军和船厂人员同意将工艺扩大到原型部件。扩大试验于2011年5月在与2010年11月试验相同的造船厂进行。所选择的零件是一个支撑角和一个连接器支架。每个部分大约是15 " x 15 "。其中一个部分喷砂至SP-10(对照部分)，另一个部分喷砂至SP-6，在SP-6上涂上Nanomyte PT-20。所有部件都涂了两层环氧底漆(8密耳厚的总- MIL- PRF-23236D)和一层低太阳吸收硅醇酸面漆(2密耳厚的- MIL- p - 24635b)。这两个部分在喷砂前如图6所示。图7显示了2011年6月喷砂、涂漆并置于户外暴露后的部件。
图8和图9显示了在远离盐水30码的户外暴露6个月后的原型部件。根据ASTM D1014，这些部件被放置在45°面向南。在这么短的曝光时间内，未经过NEI预处理的对照组(即仅SP-10)的焊缝和边缘区域可以清楚地看到红色锈。在经过SP-6表面处理后，再经过纳米菌PT-20处理的试件上，没有在相同区域或其他任何地方看到红色锈。这一结果清楚地证明了使用纳米菌PT-20预处理的好处。
总结
NEI公司开发了一种专有的纳米复合预处理涂层，其目的是:(a)通过提高涂层系统的附着力和耐腐蚀性来提供较长的使用寿命;(b)通过将所需的喷砂级别从SSPC SP-10降低到名义上的SP-6或SP-3，减少整体表面准备和成本。薄(0.5 - 2.0微米)，环保，风干，水性预处理，作为双面粘合剂，促进漆层与金属基板之间的附着力。NEI技术适用于钢、铝和其他金属表面，并且很容易使用传统的涂装设备进行应用。
在大量的实验室腐蚀和粘附试验以及船厂现场试验中，纳米复合材料预处理的抗腐蚀优势得到了证实。扩大试验的样本是长期暴露在咸水附近的户外环境。仅仅经过6个月的暴露时间，SP-6爆破部分加上纳米菌PT-20没有显示任何红色锈。SP-10在没有PT-20的情况下进行爆破，焊缝和边缘出现红色锈迹。
尽管预处理最初是为需要喷砂的涂装结构设计的，但预处理也将适用于不需要喷砂的涂装作业，如卷涂、浸涂和不喷砂的喷涂。
鸣谢
NEI公司感谢海军SBIR项目提供的财政支持。文中介绍的工作是由N00024-08-C-4142号合同支持的。
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