本发明属于涂料加工，具体涉及一种铸钢用水玻璃自干涂料及其制备方法。
背景技术：
1、铸造涂料是铸造过程中覆盖在型芯表面以改善其表面耐火性，化学稳定性，抗金属液冲刷性，抗粘砂性等性能的铸造辅助材料。铸造涂料在涂覆于砂型、砂芯表面之前是一种胶体状态的物理悬浮分散体系。这种物理悬浮分散体系通常包含耐火粉料、载体、悬浮剂、黏结剂和助剂等等。其中耐火粉料是涂料的基础，它借助悬浮剂在涂料内悬浮，并在铸造时被均匀地涂覆在铸型芯的工作表面上，载液挥发后黏结剂使粉料干结成致密的涂层，以保护工作表面，因此在铸造生产中被广泛应用，并随着铸型种类和铸造合金种类的发展，铸造涂料也呈多样化分类。
2、专利cn 117844282 a公开一种用于改性水玻璃砂的铸钢涂料及其加工工艺，该发明中的铸钢涂料的组分有：锆粉、树脂、锂基膨润土、添加剂、有机膨润土、酒精和水；其中添加剂为十二烷基苯磺酸钠、正丁醇和氯酚钠的混合物。该发明采用比较常见的材料，解决铸钢件粘砂及铸件表面不美观的缺陷，减少后处理打磨量，降低浪费，提高效率，降低成本；提高涂料的耐火性能，成本价格低，铸件粘砂缺陷明显减少，节省清理打磨时间，外观质量明显提高。但是该铸钢涂料中使用的氯酚钠有毒，严重危害环境和人体健康。且该专利中并没有公开铸钢涂料的性能测试数据，没有实际参考意义。
3、此外，根据报道可知，全世界每年因为腐蚀而报废的钢铁总量能达到钢铁总产量的十分之一，钢铁损失量大，严重阻碍了工业经济发展。而铸钢涂料的作用是保护钢铁不受腐蚀环境的影响，屏蔽腐蚀介质的渗入，延长钢铁使用寿命，间接促进工业经济发展。性能优异的铸钢涂料一方面要求尽可能降低有害物质的排放量，另一方面要求其涂层性能能够有效阻止钢铁腐蚀的发生。因此，研制和开发新型环保铸钢涂料对各国研究者们来说既是挑战又是机遇，对工业的发展具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明公开一种铸钢用水玻璃自干涂料及其制备方法，制备工艺简单易操作，该铸钢用水玻璃自干涂料环保无污染，干燥速度快，且形成的涂层对钢铁具有较好的保护作用，能有效地阻止腐蚀问题的发生。
2、本发明第一方面提供了一种铸钢用水玻璃自干涂料，以质量百分比计，包括以下原料：
3、锆粉40％-55％、改性聚氨酯树脂5％-10％、改性水玻璃1％-1.5％、海泡石粉0.8％-1.1％、十二烷基硫酸钠0.7％-1.2％、有机膨润土0.7％-1.3％、乙二醇5％-6.5％、水40％-60％。
4、本发明提供的水玻璃自干涂料环保无污染，具有较好的综合性能，对钢铁具有较好的保护作用。本发明将具有较好的热稳定性、耐久性、附着力、耐磨性和干燥速度快的改性水玻璃与合成的改性聚氨酯树脂共同运用于铸钢用自干涂料中，二者能够产生协同作用，显著提高铸钢用自干涂料的机械性能和耐腐蚀性能，并且本发明选择锆粉作为耐火粉体，提高涂层的密度、强度和耐高温性能；选择海泡石粉作为悬浮剂，能够避免涂料发生沉淀、不利于涂刷的问题；选择十二烷基硫酸钠作为表面活性剂能够降低表面张力，改善涂料的润湿性；选择有机膨润土作为稳定剂和增稠剂，使涂料具有良好的悬浮稳定性、高温稳定性、耐水性和化学稳定性。
5、在一些实施方式中，所述改性聚氨酯树脂的制备步骤为：
6、(1)向聚丙烯腈中空微球乳液中加入硅烷偶联剂，在50-60℃下搅拌反应20-24h，获得改性聚丙烯腈中空微球乳液；
7、(2)将聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯混合均匀，加入辛酸亚锡，在80-90℃下反应2-3h后，冷却到30-40℃，再向体系中加入二羟甲基丙酸和1，4-丁二醇，在75-85℃下反应3-4h后，冷却至30-40℃，加入三乙胺中和20-30min，得到聚氨酯预聚体；
8、(3)向步骤(2)的聚氨酯预聚体中加入步骤(1)得到的改性聚丙烯腈中空微球乳液，搅拌20-30min后，再向其中滴加乙二胺，搅拌均匀，得到改性聚氨酯树脂。
9、在一些实施方式中，所述步骤(1)中聚丙烯腈中空微球乳液与硅烷偶联剂的质量比为(18-20)：1。
10、优选地，所述步骤(1)中聚丙烯腈中空微球乳液与硅烷偶联剂的质量比为19：1。
11、进一步优选地，所述硅烷偶联剂为kh550。
12、在一些实施方式中，所述步骤(2)中聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯的摩尔比为1：(5-6)：(13-15)；所述聚酯多元醇为平均分子量在1000-2000的脂肪族聚酯多元醇。
13、优选地，所述步骤(2)中聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯的摩尔比为1：5.5：14；所述聚酯多元醇为平均分子量2000的聚己二酸1，4-丁二醇酯多元醇。
14、在一些实施方式中，所述步骤(3)中改性聚丙烯腈中空微球乳液的用量为聚氨酯预聚体的3.5-5wt％。
15、优选地，所述步骤(3)中改性聚丙烯腈中空微球乳液质量为聚氨酯预聚体的4.5wt％。
16、优选地，所述聚丙烯腈中空微球乳液的制备方法参照专利cn 110408313 a。
17、本发明通过严格控制合成工艺将一定摩尔比的聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯合成一种聚氨酯预聚体，并向其中引入硅烷偶联剂改性的聚丙烯腈中空微球乳液，得到改性聚氨酯树脂，将该树脂运用于水玻璃自干涂料中，能够显著提高涂料的综合性能。这是因为，本发明中通过控制聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯的摩尔比，合成的聚氨酯预聚体具有一定含量的硬段和软段，该聚氨酯预聚体具有的官能团能够接枝到聚丙烯腈中空微球表面，形成高稳定性的树脂体系；另一方面，本发明使用kh550对聚丙烯腈中空微球乳液进行改性，使得聚丙烯腈中空微球表面富含氨基基团，提高聚丙烯腈中空微球乳液的热稳定性，并改善其与涂料体系中其它物质的相容性，有利于提高水玻璃自干涂料的综合性能。
18、在一些实施方式中，所述改性水玻璃的制备步骤为：
19、将氧化钙加入到水玻璃中，边加边搅拌，混合均匀后，静置10-20min、离心，向离心后得到的上清液中加入硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂，搅拌均匀，得到改性水玻璃。
20、在一些实施方式中，所述氧化钙的质量与水玻璃的体积比为1g：(8-10)ml。
21、优选地，所述氧化钙的质量与水玻璃的体积比为1g：9ml。
22、在一些实施方式中，所述上清液、硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂的质量比为(47-52)：(2-3)：(1.5-2.5)：1。
23、优选地，所述上清液、硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂的质量比为50：2.5：2：1。
24、申请人发现使用氧化钙对水玻璃进行改性，并添加一定质量的硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂，将其运用于涂料中能够提高自干涂料的稳定性，并加快涂料的干燥速度。这是因为，一方面采用氧化钙对水玻璃进行改性，氧化钙能够与水玻璃中的自由水发生活性反应生成氢氧化钙，使水玻璃浓缩，ph值升高，减缓了水玻璃中硅氧聚合体聚合；另一方面生成的氢氧化钙解离出钙离子，与水玻璃变高的ph值产生协同作用，使硅氧聚合物主要以链状聚合体的形式存在，形成强度更高的水化硅酸钙凝胶，进而提高水玻璃的力学强度和耐水性。同时向水玻璃中加入硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂，得到的改性水玻璃中的硅烷偶联剂可与体系中的硅酸盐及改性聚氨酯树脂等原料反应成键，在两相界面间形成化学键连接，有效提高材料的机械性能；聚丙二醇可以提高涂料的热稳定性、耐久性、附着力、耐磨性和干燥速度，改善涂料的流动性和涂覆性能。消泡剂可以消除制备过程中搅拌引起的气泡，改善涂料的润湿性。
25、在一些实施方式中，所述锆粉的平均粒径范围为40-80μm。
26、优选地，所述锆粉的平均粒径为60μm。
27、锆粉具有高的熔化温度、较强的耐腐蚀性、良好的抗热震性和较高的化学稳定性。本发明中将一定粒径的锆粉作为耐火粉料加入到涂料体系中，可以较好的分散并悬浮在此涂料体系中，有利于提高水玻璃自干涂料的耐腐蚀性和热稳定性。
28、本发明第二方面提供了一种铸钢用水玻璃自干涂料的制备方法，包括以下制备步骤：
29、s1、取海泡石粉和有机膨润土加到水中，搅拌均匀，静置1-2天，再向其中加入锆粉和十二烷基硫酸钠搅拌9-20h，得到膏状物1；
30、s2、将乙二醇和改性水玻璃加入到改性聚氨酯树脂中，搅拌10-20h，得到膏状物2；
31、s3、将步骤s1得到的膏状物1与步骤s2得到的膏状物2混合均匀，得到铸钢用水玻璃自干涂料。
32、与现有技术相比，本发明具备的有益效果为：
33、1、本发明将改性水玻璃与合成的改性聚氨酯树脂共同运用于铸钢用自干涂料中，二者能够显著提高铸钢用自干涂料的机械性能和耐腐蚀性能，并与锆粉、海泡石粉、十二烷基硫酸钠和有机膨润土共同使用，得到一种环保无污染、具有较好的综合性能的水玻璃自干涂料。
34、2、本发明通过严格控制合成工艺将聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯合成聚氨酯树脂，并向其中引入硅烷偶联剂改性的聚丙烯腈中空微球乳液，得到一种改性聚氨酯树脂，将该树脂运用于水玻璃自干涂料中，能够显著提高涂料的综合性能。
35、3、本发明使用氧化钙对水玻璃进行改性，并添加一定质量的硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂，得到的改性水玻璃具有高力学强度和耐水性，将其运用于涂料中能够改善涂料的力学性能，并加快涂料的干燥速度。
1.一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，以质量百分比计，包括以下原料：
2.根据权利要求1所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述改性聚氨酯树脂的制备步骤为：
3.根据权利要求2所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述步骤(1)中聚丙烯腈中空微球乳液与硅烷偶联剂的质量比为(18-20)：1。
4.根据权利要求2所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述步骤(2)中聚酯多元醇、双端羟丙基硅油和多异氰酸酯的摩尔比为1：(5-6)：(13-15)；所述聚酯多元醇为平均分子量在1000-2000的脂肪族聚酯多元醇。
5.根据权利要求2所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述步骤(3)中改性聚丙烯腈中空微球乳液的用量为聚氨酯预聚体的3.5-5wt％。
6.根据权利要求1所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述改性水玻璃的制备步骤为：
7.根据权利要求6所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述氧化钙的质量与水玻璃的体积比为1g：(8-10)ml。
8.根据权利要求7所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述上清液、硅烷偶联剂、聚丙二醇和消泡剂的质量比为(47-52)：(2-3)：(1.5-2.5)：1。
9.根据权利要求1所述的一种铸钢用水玻璃自干涂料，其特征在于，所述锆粉的平均粒径范围为40-80μm。
10.一种权利要求1-9任一项所述的铸钢用水玻璃自干涂料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
