CN202110591832.5一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂及其制备方法

权利要求

1.一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，其特征在于：包括以下质量份配比的材料：磷酸二氢铝溶液10-40份、氧化镁0.1-5份、增稠剂0.01-5份和水1-80份；所述磷酸二氢铝溶液中五氧化二磷含量为32-34％，三氧化二铝含量为7.5-8.5％；所述氧化镁为轻质氧化镁，纯度大于95％，粒径小于1μm；所述增稠剂为钠基膨润土、碳酸钠改性膨润土、纤维素改性膨润土、煅烧高岭土、水热改性高岭土、凹凸棒土、酸改性凹凸棒土和绢云母中的一种或几种混合物。

2.根据权利要求1所述的用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，其特征在于：所述助剂包括以下质量份配比的材料：磷酸二氢铝溶液10-40份、氧化镁0.1-1.2份、增稠剂0.05-1.2份和去离子水3.35-52.18份。

3.一种权利要求1-2任一项权利要求所述的用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

(1)在3000-5000r/min的搅拌条件下，将增稠剂加入到水中，搅拌均匀，过滤，配置成增稠剂质量分数为1％-10％的增稠剂预溶胶并静置12小时以上备用；

(2)称取氧化镁加入到余量水中，在300-500r/min的搅拌条件下搅拌均匀，制得氧化镁质量分数为5％-15％的氧化镁悬浮液；

(3)在40-80℃及200-500r/min的搅拌条件下，向磷酸二氢铝溶液中分次加入步骤(2)的氧化镁悬浮液，并搅拌至溶液完全澄清透明，冷却至室温，得到铝镁混合液备用；

(4)在室温及600-800r/min的搅拌条件下，向铝镁混合液中分次加入步骤(1)的增稠剂预溶胶，预溶胶全部加入后，将转速提高至1000-1200r/min，继续搅拌5-15min，然后加入研磨珠，并将转速提高至3000r/min，研磨10-60min，最后过滤得到用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂。

4.一种权利要求1-2任一项权利要求所述的用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂在硅钢水性无机绝缘涂料中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述硅钢水性无机绝缘涂料以磷酸二氢铝溶液、硅溶胶、颜填料和去离子水等无机组分为主，所述助剂在应用于上述硅钢水性无机绝缘涂料时的pH值适用范围为2-7，使用时等量替换硅钢水性无机绝缘涂料中的磷酸二氢铝溶液并搅拌均匀即可。

说明书

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂及其制备方法

技术领域

本发明属于涂料技术领域，特别是涉及一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂及其制备方法。

背景技术

硅钢是一种生产工艺复杂、技术含量高的软磁功能材料，是能源、军工等多领域发展所需的重要材料之一。硅钢常以叠片的形式作为电动机或发电机的铁芯使用。为防止叠片间发生短路而增大涡流损耗，需要在硅钢片表面涂覆绝缘涂层。

目前硅钢绝缘涂层主要分为有机涂层、半无机涂层、无机涂层三种。有机涂层由一种或多种有机树脂混合而成，适用于低温干燥工艺，经高温干燥工艺或取向硅钢高温退火工艺后出现涂层烧损，绝缘性、耐腐蚀性和附着力等都大幅降低。半无机涂层在有机涂层基础上通过不同无机组分的添加可以对涂层的性能进行改善，例如金属螯合物的添加可以改善涂层的附着力、钨酸盐的添加可以改善涂层的耐腐蚀性，但半无机涂层因含有机组分，仍受到干燥或烧结工艺温度的限制。无机涂层虽然耐热性好，适用于现行的轧制工艺，是硅钢绝缘涂层未来的发展趋势，但目前无机涂层也存在附着性差、稳定性差等问题，并且无机环保绝缘涂层还存在耐腐蚀性较含铬涂层差等问题，无法替代含铬涂层。

发明内容

针对现有技术中用于硅钢的无机绝缘涂料存在的问题，如稳定性、耐腐蚀性、附着力等综合性能差，本发明提供了一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂及其制备方法，通过将助剂以适宜比例添加到无机绝缘涂料中，可以有效改善无机绝缘涂料的稳定性和涂层的耐腐蚀性、附着力，以解决上述问题。

本发明提供了一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下质量份配比的材料：磷酸二氢铝溶液10-40份、氧化镁0.1-5份、增稠剂0.01-5份和水1-80份；所述磷酸二氢铝溶液中五氧化二磷含量为32-34wt％，三氧化二铝含量为7.5-8.5wt％；所述氧化镁为轻质氧化镁，纯度大于95％，粒径小于1μm；所述增稠剂为钠基膨润土、碳酸钠改性膨润土、纤维素改性膨润土、煅烧高岭土、水热改性高岭土、凹凸棒土、酸改性凹凸棒土和绢云母中的一种或几种的混合物。

优选地，所述用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下质量份配比的材料：磷酸二氢铝溶液10-40份、氧化镁0.1-1.2份、增稠剂0.05-1.2份和水3.35-52.18份。

本发明还提供了上述用于硅钢水性无机绝缘涂料助剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)在3000-5000r/min的搅拌条件下，将增稠剂加入到水中，搅拌均匀(优选搅拌15-30min)，过滤(优选使用250目钢筛过滤)，配置成增稠剂质量分数为1％-10％的增稠剂预溶胶并静置12小时以上备用；

(2)称取氧化镁加入到余量水中，在300-500r/min的搅拌条件下搅拌均匀(优选搅拌5min)，制得氧化镁质量分数为5-15％的氧化镁悬浮液；

(3)在40-80℃及200-500r/min的搅拌条件下，向磷酸二氢铝溶液中分次加入氧化镁悬浮液，并搅拌至溶液完全澄清透明，冷却至室温，得到铝镁混合液备用；

(4)在室温及600-800r/min的搅拌条件下，向铝镁混合液中分次加入增稠剂预溶胶，预溶胶全部加入后，将转速提高至1000-1200r/min，搅拌5-15min，然后加入研磨珠，并将转速提高至3000r/min，研磨10-60min，最终过滤(优选为使用250目钢筛过滤)。

本发明还提供了上述硅钢水性无机绝缘涂料助剂在硅钢水性无机绝缘涂料中的应用，所述硅钢水性无机绝缘涂料以磷酸二氢铝溶液、硅溶胶、颜填料和去离子水等无机组分为主，适用pH值范围为2-7，使用时等量替换原硅钢水性无机涂料中的磷酸二氢铝溶液并搅拌均匀。

使用时可选的颜填料为煅烧高岭土、铜钴黑、铜铬黑、氧化铁黑和钛白粉中的一种。

本发明提供的硅钢水性无机绝缘涂料助剂中磷酸二氢铝在高温下可以形成网状结构，提高了涂层的附着力，助剂中的氧化镁可以优化涂层形成的网状结构，改善附着力和耐腐蚀性，而增稠剂可以减缓色料、填料的沉降，改善涂料的稳定性；运用在取向硅钢涂料中时，磷酸二氢铝与硅酸镁底层的张力差也可以进一步改善取向硅钢的磁性能，氧化镁可以改善硅酸镁底层的缺陷，增稠剂既可以改善涂料粘度，并改善涂料的涂覆性能，也可以避免磷酸二氢铝与硅溶胶在涂料制备过程中反应，避免硅溶胶絮凝，提高涂层的稳定性。

通过各组分的配合和协同作用，本发明的助剂在运用于硅钢水性无机绝缘涂料时，可以改善涂料的稳定性，提高绝缘涂层的耐蚀性能及附着力，从而改善硅钢无机绝缘涂料的综合性能。

本发明的技术方案取得了如下有益技术效果：

(1)改善无机绝缘涂料的稳定性；

(2)提高绝缘涂层的附着力和耐热性；

(3)提高绝缘涂层的耐腐蚀性；

(4)助剂使用无特殊要求，适用范围广，既适用于无取向硅钢绝缘涂料，也适用于取向硅钢绝缘涂料，且酸性至中性涂料均可使用。

附图说明

图1为对比例1的取向硅钢无机绝缘涂层在50000倍下的SEM图；

图2为对比例2的取向硅钢无机绝缘涂层在50000倍下的SEM图；

图3为实施例1的取向硅钢无机绝缘涂层在50000倍下的SEM图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以下实施例所用各原料，除特别说明之外，均为市面上购买的商用产品，其中：

磷酸二氢铝溶液中五氧化二磷含量为32-34wt％，三氧化二铝含量为7.5-8.5wt％。

氧化镁为轻质氧化镁，纯度大于95％，粒径小于1μm。

本发明制备的硅钢水性无机绝缘涂料助剂适用于以磷酸二氢铝溶液、硅溶胶、颜填料和去离子水等无机组分为主的硅钢水性无机绝缘涂料，适用pH值范围为2-7，使用方法如下：等量替换原硅钢水性无机涂料中的磷酸二氢铝溶液并搅拌均匀。使用时，先将颜填料加入助剂中，以300r/min的搅拌条件搅拌均匀，然后加入到剩余组分的混合溶液中，制得硅钢无机绝缘涂料，使用辊涂均匀涂覆于硅钢片表面，经硅钢轧制中绝缘涂料涂覆工段固化或烧结后形成绝缘涂层。

可选的颜填料为煅烧高岭土、钴黑、铜铬黑、氧化铁黑或钛白粉中的一种。

在本发明的助剂制备中增稠剂静置时间过短会降低增稠剂水化程度，造成助剂分层，弱化助剂对涂料稳定性的改善，所以本发明中均静置12小时以上，确保助剂不分层。在铝镁混合液制备过程中，制备温度低于40℃时，氧化镁难以与磷酸二氢铝溶液反应，需要升温促进反应的进行，当制备温度高于80℃时，对制备时间的缩减有限，过高的温度会增加生产成本。在不同步骤中，当搅拌转速低于技术方案中所述转速时会增长搅拌时间，增加生产成本，同时各组分的有效分散和充分接触反应也需要高转速提供的大的剪切力和充分混合，另外，制备方法中的研磨步骤能够减小悬浮物粒径，使涂料更加稳定。

磷酸二氢铝作为成膜助剂在高温下形成网状结构，使涂层具有良好的附着力和耐热性，运用在取向硅钢涂料中时，磷酸二氢铝涂层与硅酸镁底层间的张力差有助于改善取向硅钢的磁性能。

氧化镁可以优化涂层形成的网状结构，提高磷酸二氢铝的粘结强度，改善附着力和耐腐蚀性，在取向硅钢涂料中还起到改善硅酸镁底层缺陷的作用。

增稠剂具有优异的吸附性能和阳离子交换能力，减缓填料或色料的沉降速度，改善涂料的稳定性，也能提高涂料的粘度，便于施工涂覆。并且，在本申请的含硅溶胶涂料中，增稠剂可以阻止磷酸二氢铝与硅溶胶在涂料制备过程中发生反应，减缓硅溶胶的凝胶速度，进一步改善涂料的稳定性。

实施例1

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液10份、氧化镁0.1份、钠基膨润土0.6份、碳酸钠改性膨润土0.6份和去离子水24.7份。

上述硅钢水性无机绝缘涂料助剂由以下方法制备得到：

(1)称取增稠剂钠基膨润土，在4000r/min的搅拌条件下，加入到去离子水中，搅拌20min后，使用250目钢筛过滤，配置成增稠剂质量分数为5％的增稠剂预溶胶并静置12小时以上备用。

(2)称取氧化镁，加入到去离子水中，在400r/min的搅拌条件下搅拌5min，制得氧化镁质量分数为12.5％的氧化镁悬浮液。

(3)在60℃、400r/min的搅拌条件下，向磷酸二氢铝溶液中分次加入氧化镁悬浮液，加完后搅拌至溶液完全澄清透明，然后冷却至室温，得到铝镁混合液备用。

(4)在室温(25℃，下同)、700r/min的搅拌条件下，向铝镁混合液中分次加入增稠剂预溶胶，预溶胶全部加入后，将转速提高至1000r/min，继续搅拌15min，然后加入研磨珠，并将转速提高至3000r/min，研磨40min，最终使用250目钢筛过滤得到用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂。

按照上述方法制备涂料：将助剂等量替换由磷酸二氢铝溶液、硅溶胶、铜钴黑组成的具有修饰功能的硅钢水性无铬无机绝缘涂料中的磷酸二氢铝溶液并搅拌均匀得到实施例1的硅钢水性无机绝缘涂料，另外，按照同样方法，在不添加助剂情况下，制备得到对比例1的取向硅钢无机绝缘涂料，然后将助剂替换为等量的MgO制备得到对比例2的取向硅钢无机绝缘涂料。

在取向硅钢基材涂覆对比例1制备的无机绝缘涂料后经固化烧结形成无机绝缘涂层，其放大50000倍后的微观形貌图如图1所示，无助剂涂料放大50000倍可以看出，涂层形貌是颗粒团聚堆积形成，颗粒与颗粒间有裂纹和孔隙。

在取向硅钢基材涂覆对比例2制备的无机绝缘涂料后经固化烧结形成无机绝缘涂层，其放大50000倍后的微观形貌图如图2所示，助剂涂料放大50000倍可以看出，通过与图1对比可以发现，MgO使涂层的形貌特点由颗粒团聚堆积转为形成网状结构，在进一步元素分析中发现(下表1为对比例2涂层孔底和网面元素分析结果)，尽管该网状结构的俯视形貌呈现出多孔的特点，但孔的底部元素与网面一致，表明孔底也是绝缘涂层，因此该网状结构不仅是平面网状结构，而且是立体网状结构。因此MgO可以改善涂层形成的网状结构，提高涂层粘结强度，改善附着力和耐腐蚀性。

表1

在取向硅钢基材涂覆对比例2制备的无机绝缘涂料后经固化烧结形成无机绝缘涂层，其放大50000倍后的微观形貌图如图3所示，通过与图1及图2的对比，可以发现，使用助剂可以有效改善涂层形貌，助剂可以填补涂层网状结构中的孔，使涂层更加平整致密，在俯视图中没有明显孔洞，尽管有少量裂纹，但裂纹宽度小，仍可有效改善取向硅钢的综合性能。

实施例2

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液40份、氧化镁1.2份、碳酸钠改性膨润土0.05份和去离子水21.25份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为1.51％，氧化镁悬浮液质量浓度为6.25％，步骤(3)的温度为50℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例3

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液15份、氧化镁0.2份、羧甲基纤维素改性膨润土0.08份和去离子水5.78份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为1.97％，氧化镁悬浮液质量浓度为10％，步骤(3)的温度为40℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料，不同的是将铜钴黑替换为钛白粉，其他不变。

实施例4

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液18份、氧化镁0.3份、煅烧高岭土0.05份、水热改性高岭土0.05份和去离子水9.9份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为1.41％，氧化镁悬浮液质量浓度为9.38％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例5

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液24份、氧化镁0.5份、钠基膨润土0.5份和去离子水14.56份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为6.67％，氧化镁悬浮液质量浓度为6.2％，步骤(3)的温度为70℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例6

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液12份、氧化镁0.4份、碳酸钠改性膨润土0.3份和去离子水10.97份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为5.67％，氧化镁悬浮液质量浓度为6.28％，步骤(3)的温度为80℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例7

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液25份、氧化镁0.6份、羧甲基纤维素改性膨润土0.4份、凹凸棒土0.4份和去离子水18.6份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为6.35％，氧化镁悬浮液质量浓度为15％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例8

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液15份、氧化镁1份、碳酸钠改性膨润土0.5份、绢云母0.5份和去离子水23份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为7.14％，氧化镁悬浮液质量浓度为9.09％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例9

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液35份、氧化镁0.7份、煅烧高岭土0.2份、凹凸棒土0.3份和去离子水12.13份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为10％，氧化镁悬浮液质量浓度为8.4％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例10

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液38份、氧化镁1.1份、钠基膨润土0.2份、碳酸钠改性膨润土0.2份和去离子水13.5份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为6.78％，氧化镁悬浮液质量浓度为12.09％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例11

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液40份、氧化镁0.3份、碳酸钠改性膨润土0.2份、煅烧高岭土0.2份和去离子水18.3份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为2.6％，氧化镁悬浮液质量浓度为8.33％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例12

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液20份、氧化镁0.2份、凹凸棒土0.15份、酸改性凹凸棒土0.15份和去离子水25.5份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为1.29％，氧化镁悬浮液质量浓度为7.41％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料，不同的是将铜钴黑替换为氧化铁黑，其他不变。

实施例13

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液15份、氧化镁0.1份、碳酸钠改性膨润土0.5份和去离子水20.23份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为2.56％，氧化镁悬浮液质量浓度为7.52％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例14

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液15份、氧化镁0.1份、碳酸钠改性膨润土0.5份和去离子水25.65份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为2％，氧化镁悬浮液质量浓度为8％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例2的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例15

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝溶液15份、氧化镁0.1份、碳酸钠改性膨润土0.5份和去离子水16.73份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为3.26％，氧化镁悬浮液质量浓度为5％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例16

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝38份，氧化镁0.4份，碳酸钠改性膨润土0.5份和去离子水52.18份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为1％，氧化镁悬浮液质量浓度为12.99％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料。

实施例17

一种用于硅钢水性无机绝缘涂料的助剂，包括以下重量份配比的原料：磷酸二氢铝10份，氧化镁0.1份，钠基膨润土0.05份和去离子水3.35份。助剂的制备方法同实施例1，不同的是：增稠剂预溶胶质量浓度为2.44％，氧化镁悬浮液质量浓度为6.9％，步骤(3)的温度为60℃。

按照实施例1的方法制备得到硅钢水性无机绝缘涂料，不同的是将铜钴黑替换为煅烧高岭土，其他不变。

将各实施例得到的涂料装入塑料或玻璃容器中，密封后放入50±2℃的恒温干燥箱内，以12h为周期取出观察记录涂料完全失去流动性的时间，时间越长表明涂料稳定性越好。

按照GB/T10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》，对涂覆后的硅钢进行耐腐蚀性检测，结果见表2。检测结果显示，在5％NaCl水溶液和35±0.5℃周期性喷雾的条件下，所得的无铬绝缘涂层测试8小时后，其腐蚀面积低于5％。

按照GB/T 2522-2017《电工钢带(片)涂层绝缘电阻和附着性测试方法》测试所得无机绝缘涂料的附着性和绝缘性能，结果见表2。检测结果显示，利用本发明的助剂制备的无铬绝缘涂料与硅钢有良好的结合力和优异的绝缘性。

表2涂层性能测试结果

注：稳定时间为贮存稳定性观察实验中记录的涂料完全失去流动性所用的时间，腐蚀面积为周期性盐雾喷雾8小时后所测得的面积。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。