專利名稱：耐水搪瓷涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及搪瓷涂層，更具體地，涉及用于熱水器的耐水搪瓷涂層。
搪瓷常遭受熱水的腐蝕和溶解，這使其在諸如熱水器等的應(yīng)用中有困難。在熱水器中，一旦保護(hù)金屬基材的搪瓷涂層被一直溶解到基材，那么基材將很快發(fā)生腐蝕并被穿透。這時(shí)就必須更換熱水器了。
對改進(jìn)搪瓷的耐蝕性所作的努力的結(jié)果是使用多種磨加物(milladdition)。但是，改進(jìn)耐蝕性的磨加物傾向于使搪瓷容易發(fā)生片狀剝落或龜裂。
因此，需要一種改進(jìn)的搪瓷涂層，該改進(jìn)的涂層不但高度耐水，而且抗龜裂或剝落。
本發(fā)明涉及一種制備耐水搪瓷涂層的方法。該方法包括準(zhǔn)備一種磨砂玻璃；加入包含硅石和一種氧化鋯化合物的磨加物形成一種混合物；將該混合物涂覆到一種基材上；及燒結(jié)帶有涂層的基材，形成搪瓷涂層。所得的涂層具有良好的耐水性能、與基材的良好粘合力及最小的龜裂。因此，這種涂層可用于，例如，延長熱水器的使用壽命。
本發(fā)明還提供一種由上述方法制備的搪瓷涂層，及一種涂覆有該搪瓷涂層的熱水器。
參考以下的詳細(xì)描述和權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)對該領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。發(fā)明詳述在詳細(xì)闡釋本發(fā)明的實(shí)施方案之前，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的應(yīng)用并不限于下述的組合物或組分濃度的詳細(xì)內(nèi)容或下述的步驟或效果。本發(fā)明還具有其它實(shí)施方案，并且可以以多種方式實(shí)踐或?qū)嵤?。另外，?yīng)當(dāng)理解本文所使用的措詞和術(shù)語是出于說明的目的，不應(yīng)視為限制。
搪瓷涂層的制備方法在本領(lǐng)域是眾所周知的。該方法通常包括混合無機(jī)礦物質(zhì)和熔煉混合物，形成一種紅色的熱熔混合物。將熔化的混合物從熔爐中倒出并例如在水冷滾筒間淬火。之后將玻璃帶粉碎，形成玻璃料。
然后例如在一臺(tái)球磨機(jī)中研磨所得的玻璃料(或玻璃)，以將玻璃料的顆粒尺寸磨至用于所需用途的預(yù)定尺寸。研磨可以濕法或干法進(jìn)行；通常研磨是使用水作為懸浮介質(zhì)進(jìn)行。
可以向研磨的玻璃料中加入多種磨加物。典型的磨加物包括懸浮劑、電解質(zhì)、耐熔質(zhì)、顏料和遮光劑，和/或素瓷增強(qiáng)劑。然后通過本領(lǐng)域的多種常規(guī)涂覆方法，如刷涂、浸涂、噴涂等，將所得的混合物涂覆到一種基材上。之后在一臺(tái)常規(guī)的熔爐中，在玻璃料軟化但低于金屬基材的熔點(diǎn)的溫度下燒結(jié)涂覆過的基材。剛一冷卻，玻璃質(zhì)釉層立即硬化，并粘接到基材上。
更特殊地，本發(fā)明的搪瓷涂層可以通過下述步驟制備準(zhǔn)備磨砂玻璃；向磨砂玻璃中加入包含一種氧化鋯化合物和硅石(SiO2)的磨加物，形成一種混合物；將該混合物涂覆到一種金屬基材上；及燒結(jié)以形成一種搪瓷涂層。為改進(jìn)搪瓷的耐水性，必須在減小涂層中促進(jìn)腐蝕的不需要的孔穴的尺寸和數(shù)量，及保持足夠多的氣泡結(jié)構(gòu)以避免剝落或龜裂之間達(dá)到一種平衡。氫氣傾向于從涂覆過的鋼基材中逸出，這能夠引起氣泡結(jié)構(gòu)不足的涂層產(chǎn)生剝落和龜裂。這種平衡可以通過包含a)硅石和b)一種氧化鋯化合物的適當(dāng)組合的磨加物來實(shí)現(xiàn)。
硅石或氧化鋯化合物磨加物的形式不重要。對于硅石磨加物，二氧化硅(SiO2)和碳化硅(SiC)可能是合適的；優(yōu)選二氧化硅。硅石磨加物的添加量優(yōu)選大于約15份/100份玻璃料；更優(yōu)選大于約25份/100份玻璃料。如果沒有另外指明，所有的份數(shù)為重量份。硅石磨加物的添加量優(yōu)選小于約60份/100份玻璃料；更優(yōu)選小于約50份/100份玻璃料。
以混合物的總重量為基準(zhǔn)，氧化鋯化合物磨加物的添加量優(yōu)選大于約10份/100份玻璃料。氧化鋯化合物的添加量優(yōu)選小于約40份/100份玻璃料；更優(yōu)選小于約30份/100份玻璃料。組合的硅石和氧化鋯化合物的磨加物的總份數(shù)優(yōu)選小于約70；該組合的總份數(shù)優(yōu)選約25份/100份玻璃料，更優(yōu)選大于約35份/100份玻璃料。
至于氧化鋯化合物，鋯石(ZrO2·SiO2)和氧化鋯(ZrO2)可能是合適的。優(yōu)選鋯石。使用較細(xì)顆粒尺寸的氧化鋯化合物允許增加可以使用的氧化鋯化合物的量。而這又可以增強(qiáng)涂層的耐水性。200目的顆粒尺寸或更細(xì)的顆粒尺寸是優(yōu)選的。
也可以包含其它磨加物，如粘土、碳酸鎂、亞硝酸鈉、硼砂、硼酸、磷酸鉀、氟硅酸鉀或其它通常用于特殊用途的磨加物。這樣的磨加物的添加量通常為約1-32份/100份玻璃料，通常在燒結(jié)前加入這樣的添加劑以改進(jìn)涂層的加工性。粘土的量優(yōu)選約5重量％(基于混合物的總重量)。
玻璃料可以是用于制備玻璃質(zhì)搪瓷的任何眾所周知的組合物。但是，發(fā)現(xiàn)使用硼硅酸鹽玻璃料是最好的，特別是堿金屬硼硅酸鹽玻璃料，如硼硅酸鈉玻璃。優(yōu)選玻璃不含鉛。
可選擇性地通過降低氟和鈣含量及增加鋰含量改性玻璃料組合物以使其具有較低的水溶性。具體地說，可以改性主要含有硅石(SiO2)、Na2O和氧化鋯(ZrO2)并含有幾種另外的氧化物的玻璃體系，以降低F2含量、降低CaO含量并增加Li2O含量。例如，一種理想的磨砂玻璃體系含有約52重量％的SiO2、約17重量％的Na2O、約10重量％的ZrO2、小于約4.1重量％的F2、小于約0.005重量％的CaO及大于約4.1重量％的Li2O。
玻璃料與磨加物的混合物被涂覆到基材上?；氖且环N金屬并優(yōu)選為一種鋼。最優(yōu)選基材為一種熱水器。一類優(yōu)選的沉積技術(shù)包括濕法沉積技術(shù)，其中涂層的組分被放入一種液體懸浮液或“泥釉”中，然后通過多種濕涂方法涂覆到基材上。對于通過濕法涂覆釉質(zhì)，優(yōu)選用水作為懸浮介質(zhì)。涂層厚度應(yīng)足夠薄，以使氣體能夠從基材中逸出。典型的厚度為約9至約11密耳。
將混合物涂覆到基材上以后，將其燒結(jié)。所用的特定的燒結(jié)溫度取決于所用的特定的玻璃料的軟化溫度。較高的燒結(jié)溫度通常增強(qiáng)所得的搪瓷的耐水性；但是，較高的溫度也導(dǎo)致較小的氣泡，并傾向于增加脆性。在本方法中，燒結(jié)溫度優(yōu)選至少約1000°F(538℃)；更優(yōu)選至少約1400°F(760℃)，最優(yōu)選至少約1550°F(843℃)。優(yōu)選燒結(jié)溫度低于約1700°F(927℃)；更優(yōu)選低于約1650(899℃)。
玻璃料的氧化物含量Al2O30.5
B2O37.4BaO 0.003CaO 0.003CoO 0.5CuO 0.2F24.09Fe2O30.05K2O 0.007Li2O 5.2MnO 0.9Na2O 17.1NiO 0.1SiO252.3TiO21.1ZnO 0.3ZrO210.2研磨玻璃料，然后向1000份玻璃料中加入以下磨加物。份數(shù)為重量份。重量百分比基于玻璃料和磨加物的干燥混合物的總重量。
磨加物 份數(shù)重量％硅石粉 400 23.7鋯石 200 11.9球粘土 75 4.5膨潤土 3.5 0.2碳酸鎂 2 0.1亞硝酸鈉 1 0.0610Mol硼砂4 0.2通過將上述成分與25-30重量％的水(基于泥釉溶液的總重量)混合制備一種泥釉。將泥釉噴涂到鋼基材上至厚度為30-60克/每平方英尺基材。然后煅燒試樣至溫度高于1500°F(816℃)保持約4分鐘，最高溫度為1650°F(899℃)。通過將所得試樣浸入溫度為205°F(96℃)的2％的焦磷酸四鈉56天測試其耐水性。暴露的搪瓷面積為5.4平方英寸。20Zr/40Si涂層的重量損失為0.09克。比較起來，相同面積的含有硅石磨加物不含鋯石磨加物的商品玻璃料當(dāng)經(jīng)受相同的試驗(yàn)條件時(shí)，重量損失為0.28克。
表1列出了使用不同量的硅石(SiO2)(表1中以Si代表)和鋯石(ZrO2·SiO2)(表1中以Zr代表)的結(jié)果。量為每100份玻璃料的重量份數(shù)。
表1磨加物 8次觀察的平均值％氣泡含量 涂層的耐水性(份/100份玻璃料)每次顯微觀察的最大氣泡尺寸10Zr/45Si11.3％ 0.0025mm20.0093g20Zr/30Si11.3％ 0.0027mm20.0068g30Zr/15Si10.5％ 0.0018mm20.0091g比較例60Si 15.3％ 0.0058mm20.0122g30Zr/60Si粘接力不足40Zr/40Si粘接力不足40Zr 2.6％ 0.0005mm20.0099g百分氣泡含量通過對玻璃涂層的橫截面進(jìn)行圖象分析測得。耐水性的測定是通過將涂覆過的部件浸入溫度為205°F(96℃)的2％焦磷酸四鈉中11天，然后測量重量損失(克數(shù))。優(yōu)選較小的重量損失。所有試樣的暴露的搪瓷面積均為5.4平方英寸。比較起來，在相同的條件下試驗(yàn)可商購的熱水器玻璃(不含鋯石磨加物)，發(fā)現(xiàn)其重量損失為0.0238克；該重量損失比本發(fā)明的改進(jìn)的涂層的重量損失大2倍以上。
如比較例的結(jié)果所示，含有硅石但不含氧化鋯化合物的磨加物使粘接力變差及氣泡較大。另一方面，使用含有氧化鋯化合物但不含硅石化合物的磨加物傾向于得到較差的耐片狀剝落性能。
表1顯示鋯石抑制氣泡或孔穴形成。具有較大鋯石含量的組合物作為磨加物表現(xiàn)出理想的較小的百分氣泡含量和較小的平均氣泡尺寸。令人驚訝的是，當(dāng)硅石與氧化鋯組合用作磨加物時(shí)，所得的搪瓷的相對耐水性比僅含有硅石或鋯石的磨加物的搪瓷的耐水性強(qiáng)。當(dāng)硅石的量為15-45份/100份玻璃料，而氧化鋯的量為約10-30份/100份玻璃粉時(shí)，這種協(xié)同作用最為明顯。
權(quán)利要求
1.一種制備耐水搪瓷涂層的方法，所述的方法包括準(zhǔn)備磨砂玻璃；向磨砂玻璃中加入磨加物，形成一種混合物，其中的磨加物含有硅石和一種氧化鋯化合物；將混合物涂覆到一種金屬基材上，得到一種涂覆的基材；和燒結(jié)涂覆過的基材，形成搪瓷涂層。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的磨砂玻璃通過研磨一種玻璃體系得到。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的磨碎玻璃包括硼硅酸鹽玻璃。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的硅石和氧化鋯化合物磨加物的量為至少25份/100份磨碎玻璃。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的硅石和氧化鋯化合物磨加物的量為最多70份/100份磨碎玻璃。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的氧化鋯化合物包括鋯石(ZrO2·SiO2)或氧化鋯(ZrO2)。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的混合物含有15至50份硅石磨加物/100份磨砂玻璃。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的混合物含有至少10份氧化鋯化合物磨加物/100份磨砂玻璃。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的磨加物進(jìn)一步含有一種粘土。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的金屬基材包括鋼。
11.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的金屬基材為熱水器。
12.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的涂覆的基材在538℃至927℃的溫度下燒結(jié)。
13.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的涂覆的基材在843℃至899℃的溫度下燒結(jié)。
14.通過權(quán)利要求1所述的方法制備的搪瓷涂層。
15.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的磨砂玻璃含有52重量％的SiO2，17重量％的Na2O，10重量％的ZrO2，小于4.1重量％的F2，小于0.005重量％的CaO，和大于4.1重量％的Li2O。
16.一種制備適于在熱水器上使用的搪瓷涂層的方法，所述的方法包括準(zhǔn)備一種磨砂硼硅酸鹽玻璃；向所述的磨砂玻璃中加入磨加物，形成一種混合物，其中的磨加物含有(a)用量為10份/100份磨砂玻璃的一種氧化鋯化合物和(b)一種硅石化合物；將混合物涂覆到一臺(tái)熱水器上；和在538℃至927℃的溫度下燒結(jié)熱水器，形成搪瓷涂層。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的氧化鋯化合物包括鋯石(ZrO2·SiO2)或氧化鋯(ZrO2)。
18.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的混合物含有15-50份硅石化合物磨加物/100份磨砂玻璃，及10-30份氧化鋯化合物磨加物/100份磨砂玻璃。
19.通過權(quán)利要求16所述的方法涂覆的熱水器。
20.一種由包括下列步驟的方法制備的搪瓷涂層準(zhǔn)備一種磨砂硼硅酸鹽玻璃；向所述的磨砂玻璃中加入磨加物，形成一種混合物，其中所述的磨加物含有(a)用量為至少10份/100份磨砂玻璃的一種氧化鋯化合物和(b)一種硅石化合物；將所述的混合物涂覆到一種金屬基材上；和將所述的金屬基材在538℃至927℃的溫度下燒結(jié)，形成搪瓷涂層。
全文摘要
提供了一種耐水搪瓷涂層及其制備方法。使用一種磨砂玻璃,優(yōu)選一種硼硅酸鹽玻璃料,和由二氧化硅或碳化硅與一種氧化鋯化合物組成的磨加物來制備該搪瓷涂層。將混合物涂覆到一種金屬基材上并燒結(jié),得到一種抗剝落和龜裂的耐水涂層。該涂層特別適用于熱水器。
文檔編號(hào)C03C8/20GK1379741SQ00814217
公開日2002年11月13日 申請日期2000年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月12日
發(fā)明者雷·O·克內(nèi)佩爾, 詹姆斯·D·沃特斯 申請人:Aos控股公司