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纳米SiO2/改性丙烯酸树脂低表面能防污涂料

来源:未知 作者:admin 时间:2014-10-26 点击:
导读:低表面能防污涂料是船舶涂料的一个重要分支。利用有机硅改性的丙烯酸树脂作为成膜物质,纳米SiO2为填料,制备了低表面能纳米复合防污涂料。考察了有机硅单体对改性丙烯酸树脂性能的影响,发现随着有机硅含量的增加,改性后的树脂粘度减小,水接触角增加。研究
纳米SiO2 /改性丙烯酸树脂低表面能防污涂料
史洪微1,刘福春1,韩恩厚1,郝庆辉2,邱再明2
(1. 中国科学院金属研究所国家金属腐蚀控制工程技术研究中心,辽宁沈阳110016)
(2. 大连裕祥科技集团有限公司,辽宁大连116033)

1 前言
船舶底部的生物附着问题加速了船舶的燃油消耗量。据国际海事组织(IMO)估计,随着世界船舶燃油消耗量的增加,如果没有任何改变和采用新技术,到2020 年整个行业空气污染物排放量会增加38% ~ 72%。防污涂料是提高燃油效率的一种办法,其可以改善船舶的速度和效率,防止生物附着。据估计,防污涂料能为船舶工业每年节约600 亿美元燃油费,并且每年减少3. 84 亿t 二氧化碳和360 万t 二氧化硫排放量。然而,各种防污剂如有机锡、氧化汞、DDT 等的使用,也带来了严重的环境污染。国际海事组织于2008 年已经全面禁止防污涂料中使用有机锡,氧化亚铜的使用也已经受到限制。因此,开发新型的无毒防污涂料已经迫在眉睫。
新型无毒防污涂料的开发主要包括: 发展新型的无毒防污剂和防污涂料、低表面能防污涂料。其中,生物防污剂的提取和应用已经成为一个热点。低表面能防污涂料俗称“不粘”涂料。一般认为,涂层的表面能只有在低于2. 5 × 10 mN/m 时( 即涂层与液体的接触角大于98°)才具有防污效果。低表面能防污降阻材料表面光滑,是一种集降阻、节能和防污多种功效的新型涂层,是近几年来研究的焦点,并已取得一定进展。但需要克服有机硅、有机氟树脂涂料附着力低的问题。除了采用具有低表面能的防污树脂,另一种可选择的制备低表面能防污涂料的手段就是在涂膜表面构建微米-纳米结构,达到防污目的。在小范围精细设计微观微-纳米结构,可实现涂层疏水的目的,然而,这样的精细结构的设计过程过于复杂,对于涂料这样需要大范围施工的材料并不适用。所以,制备大范围疏水性的海洋防污涂料关键阻碍在于很难实现用单纯的涂料制备手段获得涂层的微- 纳米精细结构。而涂料中添加纳米粒子有可能实现这种微- 纳米结构,但首先要解决纳米粒子的均匀分散问题。
纳米粒子采用超分散剂、溶剂和助剂等可制备纳米浓缩浆。纳米浓缩浆技术制得的纳米粒子可以使通常为团聚态的粒子呈现分散状态,且浆液具有良好的贮存稳定性,很好解决了国内外纳米粒子分散和应用的难题。在添加纳米浆获得的涂料中,纳米粒子的小尺寸效应得到充分的发挥,获得的涂层可明显改进传统涂层的耐磨性、耐蚀性、耐候性等。
本文首先合成了低表面能的有机硅改性丙烯酸树脂,后将其作为涂料的成膜物,并添加能够进一步降低涂膜表面能的纳米二氧化硅(10 ~ 20 nm)。纳米二氧化硅进行了氟硅烷改性和纳米浆的分散,使疏水化后的纳米粒子均匀地分散到涂膜中,使涂层具有微米- 纳米的表面结构,从而降低涂膜的表面能,增大涂膜的接触角,实现涂层防污的目的。
 
2 实验部分
2. 1 主要原料
涂层基材: 马口铁。涂料原料: 纳米SiO2( 10 ~20 nm),有机硅丙烯酸树脂,异氰酸酯,钛白粉、铁红、滑石粉,其他溶剂和助剂(均为工业级)。
2. 2 有机硅改性丙烯酸树脂的合成
首先,将有机溶剂与引发剂偶氮二异丁腈按一定比例混合至均匀,组成混合溶液; 在四口圆底烧瓶中加入混合溶液,升温至50 ~ 90 ℃; 再均匀滴加有机硅单体、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异冰片酯和丙烯酸羟乙酯,控制滴加速度为1 ~ 3 h 之间滴完;然后保温1 ~ 3 h,补加部分混合溶液,继续保温2 ~4 h,出料。
2. 3 纳米SiO2
的氟硅烷改性和纳米浆的制备氟硅烷FT 用过量的水进行水解。水解后的硅烷和纳米SiO2混合。然后,对悬浮态的纳米SiO2进行过滤、干燥,并研磨成粉。在使用之前,氟硅烷处理之后的纳米SiO2
在140 ℃下加热1 h 以去除未接枝的硅烷。将超分散剂、溶剂和氟硅烷处理后的纳米SiO2混合、球磨,制备纳米SiO2的浓缩浆。
2. 4 低表面能防污涂料的制备
纳米色漆的制备将有机硅改性丙烯酸树脂、氟硅烷改性纳米SiO2的浓缩浆、其他颜填料,以及其他溶剂和助剂,分散后制备成防污涂料组分一。异氰酸酯用溶剂分散后制备成防污涂料组分二。组分一和组分二按5∶ 1 混合均匀,制备得到涂膜。纳米清漆的制备制备过程如色漆,只使用纳米SiO2的浓缩浆,不使用其他颜填料、溶剂和助剂,组分一和组分二按3∶ 1 混合均匀,以马口铁作为基材,制备得到涂膜。
2. 5 涂层性能表征
涂层的水接触角采用水接触角测定仪( JC2000D2,Powereach 公司)进行测定。用于测定的水和二碘甲烷的量为2 μL。每个样品表面测6 个点,并取平均值。涂层表面的颗粒尺寸和分布采用XL30 型扫描电子显微镜(SEM)进行观察,颗粒的平均粗糙度(Ra) 采用Pico -SPM 型原子力显微镜(AFM)进行测量。
 
3 结果与讨论
3. 1 硅单体对改性树脂性能的影响
选择了热固性丙烯酸改性有机硅树脂作为目标树脂。通过引入侧链具有羟基的丙烯酸酯单体使丙烯酸树脂能够进一步交联,与异氰酸酯固化剂制成双组分涂料。采用了较常用的偶氮型引发剂偶氮异丁腈(AIBN)作为引发剂,选择甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸羟乙酯、乙烯基三异丙氧基硅烷为树脂合成单体。硅单体含量是影响改性树脂表面能的主要因素,考察了硅单体含量和丙烯酸聚氨酯涂膜性能的关系。硅单体含量与树脂粘度和涂膜水接触角的关系分别见图1,2。结果表明,有机硅改性丙烯酸树脂的粘度随硅单体的含量增加而降低,丙烯酸聚氨酯涂层的接触角随硅单体含量的增加而提高。图3 显示了合成树脂制成的丙烯酸聚氨酯涂膜的水接触角和普通丙烯酸聚氨酯涂膜的水接触角。图3a 是改性丙烯酸聚氨酯涂层与水的接触角,其测试数值在90°~ 99°之间。图3b是普通的丙烯酸聚氨酯涂层与水的接触角,其测试数值在63°~ 67°之间。数据说明,有机硅改性后的丙烯酸树脂的疏水性得到明显增强,成功获得具有低表面能的防污树脂。
合成树脂粘度和硅单体含量之间的关系
涂膜接触角和硅单体含量之间的关系
改性丙烯酸聚氨酯涂层( a) 和普通丙烯酸聚氨酯涂层( b) 的水接触角照片示例
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