沿海环境下丙烯酸聚氨酯面漆的纳米改性研究.pdf

1、沿海环境下丙烯酸聚氨酯面漆的纳米改性研究摘要本文首先采用偶联剂对纳米二氧化钛进行改性处理，得到表面亲油性的纳米二氧化钛，将改性过的纳米材料添加到丙烯酸聚氨酯面漆之中，经超声分散、机械搅拌等处理手段使纳米颗粒最大程度的分散在面漆之中，从而完成对涂料的改性处理。然后将刷涂有改性面漆的钢片分别进行盐雾老化实验、紫外老化实验、以及盐水浸泡实验，观察涂层表面出现的起泡、粉化、失光等老化现象，并用精密色差仪、精密关泽度仪对涂层进行全程定期数据采集。后期通过实验数据分析处理找到性能最好的涂层从而得出最佳的纳米改性工艺，该实验结论将对涂层的纳米改性具有一定的指导意义。关键字：关键字：亲油处理；丙烯酸聚氨酯；纳

2、米改性；正交实验The Nanometer modification research ofAcrylicpolyurethane paint in coastal environmentAbstractThe coastal atmosphere has some characteristics,such as high humidity,thetemperature difference between day and night,high chloride ion content.Metalsubstrates in this environment will be subject to

3、 severe corrosion behavior.There aremany metal protective measures,protective coating are used widely because of itsunique advantages.In this environment,the conventional coatings prone to aging,suchas Loss of light、Discolor,Crack,Bubble.which reduce the protective effect of thecoating.now,the study

4、 of Nano-modified developed rapidly.Nanomaterials havespecial optical and mechanical properties.Which can greatly improve the coatinganti-aging properties.In this paper,we use orthogonal experiment to stdy the fivefactor impacting the modification effect.We use salt spray test UV aging test toproces

5、s specimen,Finally,we arrive at the optimum process according to experimentaldata.Which has some significance for nano-modified coatings.Keywords:Coastal atmosphere;Acrylic polyurethane;Nano-modified;Orthogonal目录第 1 章前言.11.1 沿海大气环境下腐蚀现状.11.1.1 氯离子.11.1.2 温度.21.1.3 含水量.21.2 沿海大气环境下面漆涂层防护研究现状.21.2.1 丙

6、烯酸树脂面漆.21.2.3 丙烯酸聚氨酯面漆.21.3 面漆改性研究现状.3第 2 章实验材料及实验方法.52.1 实验材料及实验流程.52.1.1 实验材料.52.1.2 实验仪器.52.2 纳米 TiO2 改性丙烯酸聚氨酯实验方法.52.2.1 实验流程.52.2.2 纳米 TiO2表面修饰.62.2.3 接枝率评价方法.72.3 老化实验方法.92.3.1 紫外老化实验.92.3.2 盐雾老化实验.92.3.3 浸泡实验.9第 3 章 纳米改性丙烯酸聚氨酯面漆性能检测结果.103.1 紫外老化试验结果.103.1.1 光泽度检测结果.113.1.2 色差检测结果.133.2 盐雾试验结果

7、.143.2.1 光泽度检测.153.2.2 色差检测结果.17第 4 章纳米改性丙烯酸聚氨酯面漆实验结果分析与讨论.194.1 纳米二氧化钛分散性的定性分析与讨论.194.2 盐雾试验检测结果分析与讨论.204.3 紫外老化试验检测结果分析与讨论.31第 5 章结论.41致谢.42参考文献.43第 1 章前言1第 1 章前言随着工业的不断发展，环境质量变得越来越差，空气中的腐蚀破坏因子也越来越多，身处沿海地区的各项设施除了受这些因素腐蚀破坏以外，由于地处沿海环境，氯离子含量、高温度较高、空气含水量大，这些都将加速金属的腐蚀。进行金属设施外防护的手段很多，但最常用的仍然是喷刷涂料，普通涂料短时

8、间内能起到不错的防护效果，但时间稍长仍会出现大面积的破裂、脱皮、粉化、起泡等症状。此时的涂层已经基本上失去了保护基材的能力。对涂料的纳米改性处理是近几年来发展起来的一种新工艺，主要手段是将纳米材料与涂料反应融合使得涂层具有纳米材料的特殊性质，这大大延长了涂层的保护寿命，目下时常用于改性的纳米材料有二氧化钛，二氧化硅，氧化锌，碳酸钙。并且已经有人尝试用纳米二氧化硅对涂料进行改性，取得了一定的研究成果。本论文主要是研究用纳米二氧化钛改性丙烯酸聚氨酯涂料，采用实验方法对改性涂层的性能进行评价，并且对影响改性效果的多个因素进行了讨论。1.1 沿海大气环境下腐蚀现状处于沿海大气环境下的金属设施腐蚀及破坏

9、程度明显要高于内陆地区，这是因为沿海大气环境存在着更多腐蚀影响因素。其中对金属腐蚀影响最大的因素是大气氯离子含量、温度、含水量2。1.1.1 氯离子金属材料在大气中通常都会生成一层抑制金属的腐蚀氧化膜。沿海环境受海洋的影响，空气湿度大并且氯离子含量多，氯离子对金属氧化膜的破坏作用非常大，目前对氯离子腐蚀机理的研究理论有氯离子侵蚀理论3。氯离子具有去钝化作用，处于氯离子环境下的金属基体表面通常会出现点蚀坑，随着时间的推移更会导致金属材料的穿孔，给生产安全等带来极大的威胁。第 1 章前言21.1.2 温度金属的腐蚀反应通常为放热反应，则温度升高会抑制腐蚀的速率，而实际上随着温度的升高腐蚀速率会先增

10、加后减小4，这是由于随着温度的升高，参与腐蚀的粒子的迁移速率大大提高，使得反应速率加快，腐蚀加重。有关学者研究发现升高温度会降低金属的极化电阻，从而加快腐蚀速率。而温度过高，会由于腐蚀反应的放热性使得反应速率下降。1.1.3 含水量沿海地区气候受海洋的影响很大，尤其是夏天空气湿热程度、含水量都很高，金属材料处于夹带着大量腐蚀性物质的气氛中，且由于水分的存在，能促进很多腐蚀反应的进行，因此沿海地区的金属腐蚀非常严重。1.2 沿海大气环境下面漆涂层防护研究现状鉴于沿海地区金属腐蚀严重的现状，目前已有大量的腐蚀防护手段应用于工程之中。设施大部分均为普通钢材所制，若换用性能优良的金属则成本过高，因此通

11、常采用电化学保护或涂层保护等外防护手段进行保护。涂层防护成本较低，施工工艺简单，因此大量应用于金属设施的外防护。目前应用较广泛的三种防护面漆是丙烯酸涂料、氟碳涂料、丙烯酸聚氨酯涂料。他们各有自己独特的性能，可针对不同的环境选择使用。1.2.1 丙烯酸树脂面漆氯化橡胶是之前应用最广泛的面漆。其具有良好的粘附性阻燃性耐腐蚀性和绝缘性，但由于生产过程中引入了 CCl4，其生产受到了限制。丙烯酸树脂面漆的耐候性很好，虽然光泽度不高，但涂层的光泽度保持能力要远远好于醇酸树脂面漆和环氧树脂，对于光泽度要求不高的设施，其外涂层可以选用丙烯酸树脂面漆。1.2.2 氟碳树脂面漆氟碳面漆也是现在应用十分广泛的一种

12、面漆，它有很好的耐候性、保光性，甚至比丙烯酸聚氨酯涂料更加优越。氟碳树脂面漆在腐蚀性很强的环境中仍能保持优良的性能，目前在沿海地区应用广泛，但其价格相对较高。1.2.3 丙烯酸聚氨酯面漆第 1 章前言3丙烯酸聚酯面漆是最近几年发展迅速的一种涂料，它硬度，柔韧性能都很好，还具有很好地耐候性能和防腐蚀性能5，干燥性能好且表干很快，大约半个小时左右就可以表干。但是该面漆在高温度高湿度的环境中性能将变差，容易失光和变色且容易起泡，并且耐紫外老化性能较差，不适合在一些沿海地区使用，目前常采用对其改性的方法提高其耐候性能。1.3 面漆改性研究现状针对不同的环境使用不同的涂层进行防护，沿海地区环境特殊，温度

13、湿度都较大，再加上紫外线照射等因素的影响，涂层老化失效起泡等现象十分严重，这样涂层就不能起到保护基材的作用，因此对涂层改性来提高涂层的耐候性是近几年科学家们致力研究的方向，通过想涂料中添加其他一些物质，使他们与涂料作用，便能极大地提高涂料的耐候性能，因此研究合适的物质对面漆进行改性具有重要意义。1.3.1 面漆改性方法不同的环境，不同的设施对涂层的要求不同，因此对涂层的改性方法不固定且种类繁多。如对于汽车面漆的改性常用的方法有聚酯改性汽车面漆，流变改性树脂应用于汽车面漆；对于海上设施的面漆常用氟树脂进行改性，对于工业面漆通常采用自干型丙烯酸进行改性；对于醇酸氨基面漆用加固剂改性及纳米改性等。1

14、.3.2 纳米改性及研究现状纳米改性近年来近年来发展迅速的一个领域，纳米材料粒径介于 1-100nm，具有常规材料所没有的性质，即通常说的小尺寸效应，表面界面效应，量子隧道效应6。将纳米材料添加到涂料当中能够明显提高涂层的硬度、韧性、附着力，还能提高涂层的耐老化性和抗辐射性，使涂层的综合性能得到提高。通常使用的纳米材料有二氧化钛、二氧化硅、氧化锌等7。将他们加入到涂料之中还会使涂料拥有良好的光催化性能，杀菌抑菌作用，防污减排8，隐身吸波等特殊性能。目前关于纳米改性过程中存在的主要问题是纳米颗粒在涂料中的分散问题。因为纳米颗粒的比表面积大，极易发生团簇效应，目前常用的分散方法有：物理分散法，通常

15、是用简单的机械方法进行搅拌使纳米颗粒分散，但这样并不能保障加入到涂料中后纳米粒子不会再次发生团聚；电化学分散法，纳米粒子表面存在等电第 1 章前言4点，调节 pH 值使之与等电点时的 PH 相差较大，这样可大大提高稳定性9；化学分散法，对纳米粒子表面进行修饰使其表现为亲油性或两亲性。因此开发出性能稳定的纳米分散剂和稳定剂是纳米改性研究的重点方向。本文研究内容：本文选取的改性对象是丙烯酸聚氨酯涂料，纳米粒子选择的是 TiO2，选择的表面修饰剂为 KH-570，首先对二氧化钛进行表面修饰然后再与面漆混合完成改性。本次试验考虑了纳米颗粒粒径、固含量、偶联剂的添加量、搅拌时间、分散时间五个因素对改性效

16、果的影响。通过盐雾老化试验、紫外老化试验以及 EIS 对改性面漆的性能进行评价从而找到纳米二氧化钛改性的最佳工艺。第 2 章实验材料及实验方法5第 2 章实验材料及实验方法2.1 实验材料及实验流程2.1.1 实验材料本次试验采用的试片为马口铸铁 Q235 铁板：105952mm（紫外老化试验用片），1501002mm（盐雾老化试验用片）；富锌底漆、环氧中间漆、丙烯酸聚氨酯面漆：青岛现代漆业有限公司；无水乙醇：分析纯，含量99.5%，西陇化工股份有限公司；丙酮：分析纯司，西陇化工股份有限公含量%5.99；冰醋酸：分析纯，含量99.5%，莱阳市康德化工股份有限公司。纳米二氧化钛，平均粒径为 25nm，40nm，60nm，100nm，比表面积 5015m2/g，上海晶纯生化科技股份有限公司。硅烷偶联剂 KH-570，公司青岛海化阻燃材料有限。NaCl：分析纯，含量99.5%，公司天津市鼎盛鑫化工有限。2.1.2 实验仪器厚度计：英国易高公司；喷砂机：东莞市全丰机械厂；恒温水浴锅：金坛市医疗仪器厂，KQ-330DE 型数控超声清洗器：昆山市仪器有限公司；QSJ高速分散机：上海科梅恩工业技术有