预配制的粉末原料的制作方法

本发明通常所属的技术领域是悬浮液热喷涂。

背景

悬浮液等离子喷涂(sps)是一种相对新的方法，其源于大气等离子喷涂(aps)，用于在各种基底材料上沉积涂层。用于此类方法中的原料通常由悬浮于液体载体中的细颗粒组成，所述液体载体在自然中通常是有害的，所述原料是高度专业化的，并因此呈现出涉及加工、处理、储存和运输的挑战。因此，期望通过更加有效和有成本效益的替代制备和递送方法来提供这些专业化原料。

本文描述的材料和方法满足上述挑战，并且另外提供目前在本领域中未认知的额外益处和优点。

概述

描述了适用于悬浮液热喷涂方法的粉末组合物。所述组合物包括具有至少一种分散剂沉积在其上的原级粒子，所述组合物当与液体载体组合时产生均匀、稳定的悬浮液以用于悬浮液热喷涂方法。

另外的实施方案包括：上述组合物，其中所述原级粒子是聚集的和/或非聚集的；上述组合物，其中所述原级粒子的尺寸多达约10微米；上述组合物，其中所述原级粒子的尺寸多达约2微米；上述组合物，其中所述原级粒子的尺寸多达约0.1微米；上述组合物，其中所述原级粒子的尺寸为约0.01至约0.1微米；上述组合物，其中所述原级粒子包含以下中的至少一种：铝、锆、钛、铬、锰钴、钇、镧、镧锶、锰、锰钴铁、镝的氧化物；钛、钽、钨、铬、钒、镍的碳化物；镧锶锰氧化物、基于镍、钴铁、铬、铝、铜的纯金属和/或合金；氟化钇、镧锶钴铁氧体（lanthanumstrontiumcobaltferrite）、氧化锆氧化钆氧化镱氧化钇、锆酸钆、锰酸镧锶(lanthanumstrontiummaganate)、镧锶钴铁氧体；用氧化镁、氧化钙、氧化镝、氧化钇、氧化铈、氧化镱稳定的氧化锆；锆酸镱、锶、及其混合物和/或复合物；上述组合物，其中所述分散剂是聚合物盐、无机盐、非离子有机化合物、和/或通过ph产生分散效果的酸或碱；上述组合物，其中所述分散剂是2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸；上述组合物，其中所述分散剂以多达约10重量%的量存在；上述组合物，其中所述分散剂以多达约5重量%的量存在；上述组合物，其中所述分散剂以约0.1重量%至约1重量%的量存在；上述组合物，其中所述粉末材料另外含有沉积在其上的粘合剂；上述组合物，其中所述粘合剂是聚乙烯醇；上述组合物，其中所述粘合剂以多达约0.2重量%的量存在；上述组合物，其中所述粘合剂以约0.01重量%至约0.2重量%的量存在；上述组合物，其中所述液体载体是有机液体；上述组合物，其中所述载体是酮、醇、二醇和/或脂族烃中的一种或更多种；上述组合物，其中所述载体是水、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、己烷和/或辛烷中的一种或更多种；和上述组合物呈糊状物形式。

这些和另外的实施方案将从以下描述中显而易见。

附图简述

图1显示本文描述的喷雾干燥粉末的实例。

图2显示如本文所述制备的产物的总碳测量的实例。

图3显示如本文所述制备的产物的沉降速率的实例。

图4显示如本文所述制备的团块的混合时间的实例。

图5显示如本文所述的悬浮液等离子喷雾涂层的实例。

图6显示如本文所述制备的产物的沉降速率的实例。

图7显示具有如本文所述的沉积分散剂的颗粒的描绘。

图8显示具有如本文所述的沉积分散剂的团块的描绘。

图9显示具有如本文所述的沉积分散剂和粘合剂的团块的描绘。

详述

本文显示的细节通过举例方式说明并仅用于本发明的各种实施方案的例示性讨论的目的，并且为了提供据信是本发明的原理和概念方面最有用和容易理解的描述来呈现。在这点上，不作出尝试以比本发明的基本理解所必要的更详细地显示本发明的细节，本描述使得本领域技术人员对如何在实践中可具体化本发明的若干形式显而易见。

现在将参考更详细的实施方案描述本发明。但是，本发明可采取不同的形式具体化并且不应解释为限于本文阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案使得本公开将是充分且完整的，并将完全向本领域技术人员传达本发明的范围。

除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同意义。用于本文发明的说明书中的术语仅用于描述特定的实施方案，并且不意欲限制本发明。如本发明说明书和附录的权利要求书中所用，单数形式“一”(“a,”“an,”)和“所述”(“the”)也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献均通过参考以其整体明确并入。

除非另外指出，用于说明书和权利要求书中的表述成分的量、反应条件等等的所有数值应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非相反指示，在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是近似值，其可取决于本发明寻求获得的期望性质而变化。至少，并且不作为将等同原则的应用限于权利要求书的范围的尝试，各数值参数应当根据有效数字位数和通常的舍入方法来解释。

尽管阐述本发明的宽范围的数值范围和参数是近似值，但是尽可能精确地报道在具体实施例中阐述的数值。然而，任何数值固有地包含由其各自的试验测量中发现的标准偏差必然引起的某些误差。在本说明书通篇中给出的每个数值范围将包括落入此较宽数值范围内的每个较窄的数值范围，如同此类较窄的数值范围全部在本文中明确记载一样。

本发明另外的优点将部分在以下描述中阐述，并且部分将从所述描述中显而易见，或可由本发明的实践获悉。应理解前述一般描述和以下详述两者都仅是示例性和解释性的，并且不是本发明的限制，如所声明。

在过去，sps原材料已呈即时可用的液体悬浮液，或其粉末(由呈聚集和/或非聚集形式的原级粒子组成)、液体介质和分散剂的单个组分的形式作为由单独的来源获得的成分提供。此处原级粒子是指显示为单一单元或形成为较大连接结构(此处称为团块)的较小离散颗粒。粉末是由原级粒子和/或原级粒子的团块组成的颗粒的集合，并可包括另外的组分例如粘合剂。

即时可用的液体悬浮液具有包装复杂、运输昂贵和保存期限受限的固有缺点。当由单独的组分制备悬浮液时，使用者必须了解并说明分散剂作为悬浮液制剂的独特和必要成分的适当剂量水平。使用者将随后根据所需悬浮液组合物来计算、测量和分配分散剂的规定量。

原料粉末与液体介质的比率或百分比被称为悬浮液的固体含量(solidsloading)。取决于所用的等离子喷雾设备或其它考虑，悬浮液组成可就固体含量变化。固体含量通常在约5重量%至约30重量%或更高，例如多达50重量%的范围内。

从制造商和最终使用者两者的角度来看，分散剂由最终使用者说明和控制是不合意的。设计用于悬浮液的原材料的制造商可具有认为是某些分散剂的性质和应用专有的知识。同样，最终使用者可能不便进行说明和处理作为制造悬浮液中的单独组分的分散剂的相关任务。本文描述的系统提供含有最佳量分散剂的干燥原料粉末(即，预配制的)，其消除了最终使用者的参与，并可导致专有的悬浮液组合物。优选地，含有分散剂的干燥粉末是自由流动的，通常是无尘的，并能够以粉末形式(即，不是糊状物或液体)被倾倒。本发明提供独立用于悬浮液的最佳量分散剂，并因此自动修正由最终使用者选择的任何固体含量，这是目前不存在的特征。那就是说，也有可能将足够的液体与干燥粉末混合以形成糊状物，并仍然实现本文描述的益处，即，通过最终使用者现场添加额外的液体。

本文描述预配制的亚微米原料粉末用于悬浮液喷涂。在制备悬浮液时，目前的原料粉末需要添加分散剂作为单独的组分。可经由喷雾干燥方法松散聚集并用分散剂预载的粉末且尤其是亚微米粉末提供容易配制的单组分干燥原料，其减少灰尘，改善处理并允许制备制剂并由制造商控制质量。通常用于悬浮液热喷涂的任何分散剂可用于本文描述的方法中，诸如，例如聚合物盐、无机盐和非离子有机化合物等。虽然分散剂确提供了喷雾干燥方法中的益处，但是本文描述的方法所需的分散剂的量和类型必须使得它们与适当的载体组合时，可制备出用于热喷涂的均匀、稳定的悬浮液。通常，当沉积在最终粉末上时，此类量表示多达约10重量%、多达5重量%的粉末，并且介于约0.1重量%和约5重量%之间的量特别有用。虽然如喷雾干燥方法中所述般有用，但是应当小心控制具体用于期望的悬浮液热方法所使用的分散剂的量，例如，在喷雾干燥方法中使用太多分散剂可能产生去稳定或絮凝的相反作用，或者抑制悬浮液热喷涂方法中的悬浮。

虽然一些喷雾干燥的亚微米粉末是市售的，但是除其它之外，它们不预载有本文所述的分散剂用于热喷涂中的悬浮液。分散剂与原级粒子的团块一起的预载大大简化了最终使用者制备悬浮液。虽然优选原级粒子的聚集，但是当非聚集原级粒子使用相同量的分散剂通过其它方法类似处理，在悬浮液上产生相同有益效果时它不是必要的。分散剂可通过各种常规手段沉积到原级粒子或原级粒子的团块上。给出了以下方法：形成由溶解到溶剂中的分散剂溶质组成的溶液，随后形成具有颗粒的浆液，随后通过经由蒸发方法(例如干燥)除去溶剂，留下分散剂沉积在原级粒子和/或由原级粒子形成的团块上。因此，作为一个具体实例的喷雾干燥不是用于将分散剂沉积在颗粒上的必需方法。可采用替代的沉积方法，例如包括普通的烘箱干燥，或通过干燥共混直接施加分散剂至颗粒或团块，以实现类似效果。

通常的悬浮液组合物包括可燃性载体液体，例如乙醇和异丙醇，其通常被归类为有害物质。制造商分销此类完全制备的悬浮液面临的一个主要问题是由于醇的有害性质，它们入库和运输是困难且昂贵的，并且随着时间流逝将形成沉积物。本文描述的溶液，除了其它之外，允许最终使用者使用预配制的聚集粉末的一些基本组分与，例如，使用者提供的醇，以及机械混合/分散单元现场制备新鲜的悬浮液，因此，例如，消除了完全制备的悬浮液所需要的昂贵的处理、加工、储存和运输醇的需求。

由oerlikonmetco在使用水介质的磨机中碾磨至规定尺寸分布(通常约0.2至约1微米)以形成浆料来制备的亚微米尺寸的原级粒子是特别有用的。将经碾磨的浆料转移至喷雾干燥机中，在该喷雾干燥机中水含量经调节并在干燥之前将分散剂添加至规定含量。在喷雾干燥期间，粘合剂可协助形成团块，例如球形团块，并可用于协助该制造步骤，条件是它们不阻止或抑制亚微米颗粒在最终使用的悬浮液中的分散。

随后将前述经碾磨的浆料喷雾干燥以产生尺寸为大约20微米至大约150微米的球，所述球由松散聚集的亚微米颗粒组成并负载有分散剂。就重量百分比将分散剂沉积到颗粒上。所用的重量百分比取决于颗粒的性质(即材料组成和表面积)和所选的液体介质(即，使用乙醇或水或一些其它液体或液体的组合)以及分散剂本身的化学性质。分散剂的示例性水平可在约0.1%或更低，至高达约5%或更高的范围内，例如，高达约10重量%。可通过任何常规方法，例如喷雾干燥、烘箱干燥或可能不包括干燥的直接施加来将分散剂沉积到颗粒上。

所得的产物是粉末，其优选仅具有少量游离的(即，非聚集的)亚微米颗粒。由原级粒子形成的团块可为球形和/或非球形形状，例如，尺寸在多达10微米、多达300微米、多达一毫米或更多，例如多达5毫米的范围内。实际上，由于所选的喷雾干燥方法的特定条件，所述团块可从仅几个原级粒子粘在一起的非常小的尺寸至几毫米的非常大的尺寸变动。作为优选的实施方案，可使用任何团块(或原级粒子)尺寸，其产生自由流动的、无尘粉末——其可被倾倒并自由流动——要么是聚集的，要么是非聚集的。

随后可将该预配制的产物作为悬浮液喷雾原料进行包装、入库、销售和运输。最终使用者将通常使用分散混合器将该原料与水和/或任何典型的液体介质(例如有机液体)以规定比例(即，约25%，举例来说)共混在一起用于悬浮液在悬浮液等离子喷涂中使用，所述液体介质包括，例如，酮、醇、二醇和/或脂族烃，诸如，例如丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、烷烃例如己烷或辛烷及其混合物中的一种或更多种。通常使用一些常规的分散混合形式并可包括，但不限于，市售的高速间歇式混合器或连续混合器、商业化超声分散系统或罐磨，例如，以形成悬浮液，其随后被悬浮液进料系统使用。该方法将使得当最终使用者需要它们时，最终使用者能够制备新鲜悬浮液，并消除了例如由制造商处理、加工、储存和运输大量醇的昂贵且困难的方面。

虽然通常用于热喷涂方法中的任何涂布材料可适于作为本文描述的方法的原材料，但是可用于本文描述的方法的一些代表性涂布材料包括，但不限于，以下中的至少一种：铝、锆、钛、铬、锰钴、钇、镧、镧锶、锰、锰钴铁、镝的氧化物；钛、钽、钨、铬、钒、镍的碳化物；镧锶锰氧化物、基于镍、钴铁、铬、铝、铜的纯金属和/或合金；氟化钇、酸镧锶钴铁氧体、氧化锆氧化钆氧化镱氧化钇、锆酸钆、锰酸镧锶、镧锶钴铁氧体；用氧化镁、氧化钙、氧化镝、氧化钇、氧化铈、氧化镱稳定的氧化锆；锆酸镱、锶及其混合物和/或复合物。

虽然本文描述的原料特别可用于悬浮液热喷涂方法，诸如，例如悬浮液等离子喷涂(sps)方法、悬浮液hvof(高速氧基燃料)方法，但是其也可适用于另外的热喷涂方法。通过本文描述的方法制备的原级粒子的尺寸应当使得该颗粒可用于悬浮液热喷涂系统。通常，可使用多达约0.1微米、多达约1微米、多达约2微米、多达约3微米、多达约4微米、多达约5微米、多达约6微米、多达约7微米、多达约8微米、多达约9微米和/或多达约10微米的原级粒子，使得可形成均匀、稳定的悬浮液。虽然已发现多达约2微米，例如约0.1微米至1微米的原级粒子特别有用，但是也可使用非常小的原级粒子，例如纳米颗粒，和多达约0.1微米，例如0.01微米至0.1微米的其它小颗粒。

分散剂包括，但不限于聚合物盐例如聚丙烯酸、2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸和聚乙烯亚胺，无机盐例如偏磷酸钠和四硼酸钠，和非离子有机化合物例如三乙醇胺和tritonx-100^tm，以及通过ph调节产生分散效果的酸和碱化合物例如碳酸氢钠和柠檬酸。

使用适当的分散剂的量是基于悬浮液中的粉末的量。使用者将通常需要不同浓度(即20%固体、30%固体等)的悬浮液，这需要最终使用者知晓要使用的分散剂的适当的量、计算要使用多少并精确测量。如本文所用，因为分散剂的适当量已经在颗粒上，例如，以产生具有用于sps进料系统中所需的材料流动性质的合适稳定性、颗粒分散和低粘度的液体悬浮液，可使用任何量的粉末含量，并且分散剂总是以适当的量存在，而最终使用者无需知晓应当添加多少。使用者仅添加他们期望目的所需的那么多的液体，并且分散剂将已经以适当浓度存在。

本文描述的原料基本上是干燥的，即，水分含量(通常小于约0.05重量%)与用于热喷涂的常规原料粉末相当。

虽然本文描述的原料可由聚集形式的原级粒子组成，但是这是不需要的。虽然聚集不改善或增强最终使用悬浮液，但是一些潜在益处包括对于最终使用者而言改善的处理特性、减少的灰尘、改善的转移和流动等。

可任选包括常规的粘合剂，例如pva或其它胶乳以用于喷雾干燥制造步骤，但这是不需要的。合意的是使用足够的粘合剂以促进或帮助聚集，即，游离颗粒更少。但是应小心不要使用太多，以致于其在添加载体液体时阻止团块解体以释放原级粒子。因此所用的粘合剂的量将取决于所选的具体粘合剂，但通常，例如对于pva，已发现多达约0.2重量%的量是有效的。

取决于所涉特定材料的性质，然而取决于上述的考虑，可使用的分散剂的示例性水平为约0.01%至约10%。

实施例1

如下制备ysz(氧化钇稳定的氧化锆)的预配制干燥原料。使用商业化磨机将ysz(metco204b-xcl)碾磨成亚微米粒径，如通过常规microtracs3500测量仪器测量为d90<1.0微米(μm)(即90%的颗粒的尺寸小于1微米)，以形成水基浆料ms1。将该浆料ms1转移至具有meea(2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸)分散剂并添加pva(聚乙烯醇)粘合剂的喷雾干燥槽中。将该浆料喷雾干燥以形成尺寸为10微米至100微米的团块，从而产生含有分散剂的预配制的干燥原料，称为pf1，将其包装并储存用于后续使用。在混合容器中将该干燥原料与乙醇组合以产生25重量%的固体含量。使用商业化高速分散混合器将喷雾干燥的团块完全打碎并使亚微米颗粒分散以形成悬浮液。在喷雾干燥步骤中添加的分散剂用于稳定悬浮液。经分散的悬浮液现在准备用于悬浮液等离子喷涂。若该悬浮液已经储存超过几个小时，使用前可将其储存在容器中。使用前即刻通过简单的机械手段例如架空搅拌器、油漆罐摇动器或用手摇动容器，或使用其它类似手段将悬浮液重新混合。

图1显示具有1%meea和0.02%pva的喷雾干燥粉末。0.1%水平的pva在产生球形团块方面也看起来有效。0.02%pva水平产生一些球形，但是大多数是较小的不规则形状的团块。

实施例2

如下制备ysz(氧化钇稳定的氧化锆)的预配制干燥原料。使用商业化磨机将ysz(metco204b-xcl)碾磨成亚微米粒径，如通过常规microtracs3500测量仪器测量为d90<1.0微米(μm)(即90%的颗粒的尺寸小于1微米)，以形成水基浆料ms2。随后将ms2在空气循环烘箱中干燥，并随后与水和1%meea重新形成浆料，并随后经喷雾干燥以产生称为sd4的样品。不使用pva。在直接暴露于苛刻条件之后，测试sd4以监测meea含量的变化和悬浮液的有效性。制备sd4的等分试样作为托盘中的薄层并将其放入设定在50ºc和80%相对湿度(rh)下的环境室中28天。随后通过燃烧分析测量总碳含量和通过悬浮液稳定性测试测量化学强度来测量样品的meea含量的变化。图2显示如通过燃烧分析测量的sd4上的meea分散剂含量在14和28天的暴露之后没有显著改变。小的降低可归因于测量漂移。同样，接近1%的测量值表明喷雾干燥方法不会降低粉末的meea含量。

meea分散剂的有效性通过分解或氧化的退化可通过借助沉降速率的悬浮液稳定性测试来检测。沉降速率通过将悬浮液置于玻璃容器中并观察随时间流逝的顶部清澈液相来测量。在顶部增多的清澈液体层和在底部含有颗粒的沉降悬浮液之间的明显界面是沉降线。当悬浮液沉降离开顶部的清澈载体液体时，该沉降线随时间逐步下降。悬浮液稳定性，或分散剂的有效性通过沉降线下降的速率来测量。沉降线持续最长时间维持高位表明最佳的稳定性。在图3所示的稳定性测试中，将在暴露于50ºc，80%rh下21天之后的sd4的分散剂的有效性与在环境条件(20ºc~30%rh，持续相同时间段)下储存的sd4进行比较。用两个sd4样品制备25%固体含量下的测试乙醇悬浮液，用于沉降速率分析。结果显示苛刻条件暴露未改变meea分散剂在喷雾干燥粉末上的有效性，如由经168小时的相当的沉降速率所表明。

使用常规高速分散混合器将具有1%meea和0.02%pva的喷雾干燥粉末与25%固体含量下的乙醇混合，以产生测试悬浮液s1。在10分钟和20分钟的混合时间后将悬浮液取样，并随后通过常规microtrac分析粒径分布以确定高速混合在将团块减小成其构成颗粒方面的有效性。

图4中的microtrac测量结果表明10分钟的分散混合时间不足以将团块粉碎。20分钟的混合时间提供较好的团块解体，其接近由20分钟的混合随后是几分钟的超声处理以完全粉碎团块的m测量结果。

在悬浮液进料器(metco5mpe-sf)中评价由分散混合器测试s1制备的悬浮液，并使用常规triplexpro^tm-210等离子喷枪将其喷雾到钢基底上，以确认与常规悬浮液相比的悬浮液处理和涂层结构。未报道进料问题。产生的涂层结构显示与使用相同参数的常规悬浮液(图5)相当的柱状结构。

实施例3

将样品pf1与25%固体含量的乙醇混合，并随后通过超声处理分散以产生稳定的悬浮液样品s2。样品s2是由预配制原料产生的悬浮液的实例。经碾磨的浆料ms2经烘箱干燥并随后与1%固体含量的meea分散剂和25%固体含量的乙醇混合，并随后通过超声处理分散，以产生稳定的悬浮液样品s3。样品s3是作为常规现成方法产生的悬浮液的实例。经碾磨的浆料ms2经烘箱干燥并随后与25%固体含量的乙醇混合，不含分散剂，并随后通过超声处理混合产生的悬浮液样品s4是在不存在分散剂的情况下产生的悬浮液的实例。图6比较了这些悬浮液的沉降速率，即，来自预配制原料s2、具有分散剂的现成方法s3和没有分散剂的现成方法s4。对于预配制悬浮液和现成的悬浮液s2和s3观察到具有相当的沉降速率的稳定的悬浮液。如通过快速沉降速率观察，没有分散剂的现成的悬浮液具有不佳的稳定性。

本文描述的各种实施方案的描绘也显示于图7、8和9中。图7，例如显示了具有分散剂72沉积在其上的颗粒71的描绘。图8显示了具有分散剂83沉积在其上的个别颗粒82的团块81的描绘。而图9显示了具有分散剂93和粘合剂94沉积在其上的个别颗粒92的团块91的描绘。

因此，本发明的范围应当包括可能落入所附权利要求的范围内的所有改进和变型。从本文公开的发明的说明书和实践的考虑中，本发明的其它实施方案将对于本领域技术人员显而易见。意欲将说明书和实施例仅作为示例考虑，而本发明的真正范围和精神通过以下权利要求来表明。