纳米二氧化硅改性环氧防腐底漆的研究

data-full-width-responsive="true"> 纳米二氧化硅改性环氧防腐底漆的研究张玉忠，李 静，刘天琦，关振威，王 彦 （ 北京航空材料研究院，北京 100095）0 引言环氧树脂（EP）的成膜性能和附着力优良，对各类介质具有良好的耐蚀性和抗渗透性，能同各种树脂、填料和助剂良好地混溶，这使之成为防腐底漆的主要成膜物之一。但环氧固化物性脆、易开裂；环氧树脂与基材的湿附着力较差。通常采用底材处理、加热固化、添加缓蚀剂、偶联剂等方法提高环氧涂层的附着力，但都存在一定的局限性。纳米技术的出现使环氧树脂的改性得到极大发展，国内外多项研究表明，利用纳米粒子对环氧树脂进行改性是一种十分有效的方法。它不仅可有效改善环氧树脂的附着力，还可改善涂层的柔韧性、耐腐蚀性、表面性能等，克服环氧树脂本身性能下降的技术难题。然而，纳米粒子易团聚，环氧树脂极性大、黏度高，使其不易分散均匀，直接影响纳米粒子在涂料中的作用。为改善这一状态，可根据纳米粒子的性质，通过对纳米粒子进行改性、添加分散剂、多种分散方法联用等方法进行处理。1 试验部分11 主要原料环氧树脂：江苏无锡；纳米二氧化硅：江苏南京；环氧固化剂、活性稀释剂：卡德莱；润湿分散剂、流平剂、消泡剂：BYK ；磷酸锌、滑石粉、二甲苯、正丁醇：工业级。12 主要设备分散机、超声波发生器、拉力试验机、盐雾试验箱、湿热试验箱、烘箱。13 涂料/ 涂层制备131 环氧树脂改性将经硅烷偶联剂KH-550 表面处理后的纳米二氧化硅、环氧树脂和促进剂搅拌均匀，超声处理10 min，常温放置24 h，制得纳米二氧化硅改性环氧树脂。132 涂料制备按表1 配比在改性树脂中加入磷酸锌、滑石粉等填料及助剂，搅拌均匀，然后用砂磨机研磨至规定的细度，加入溶剂分散，过滤，即得成品涂料的组分1 ；组分2 为固化剂。其质量份比为100∶20~30。表1 纳米二氧化硅改性环氧防腐底漆（组分1）配方133 涂层制备涂层的制备包括底材处理、涂料的施工和涂层固化。底材处理：将马口铁板用有机溶剂除油、打磨除锈，再用溶剂洗净，干燥。涂料施工：将涂料各组分按规定的比例配制，搅拌均匀，空气喷涂（或刷涂）于马口铁板上，表干后再进行下一道施工。涂层厚度控制在60~80 m。涂层固化：将施工完毕的马口铁板在室温下放置24 h 即可完全固化。14 性能测试涂层分为干态和湿态两种。干态为直接测试；湿态为先将漆膜浸水30 d 后，在（232）℃放置24 h，再进行测试。141 力学性能拉开附着力：按GB/T 52102006 进行测试；柔韧性：按GB/T 17311993 进行测试；耐冲击性：按GB/T 17321993 进行测试。142 耐介质性耐盐雾性：按GB/T 17712007 进行测试；耐湿热性：按GB/T 17402007 进行测试；耐水性：按GB/T 17312007 进行测试。2 结果与分析21 纳米二氧化硅改性环氧树脂211 纳米二氧化硅用量对环氧涂层附着力的影响纳米二氧化硅用量对环氧涂层干态和湿态附着力的影响见图1。由图1 可见：纳米二氧化硅的加入对环氧涂层的干膜附着力影响较小，但对湿膜附着力产生极大影响。随着纳米二氧化硅的加入，涂层的干膜附着力小幅增加，达到一定值后，附着力又逐渐降低。而未改性涂层的湿膜附着力急剧下降，改性涂层仅小幅下降，后者的附着力为前者的3 倍。因为环氧与基材的附着力主要是羟基和醚键形成的范德华力，当漆膜浸水后，水分子透过漆膜到达金属界面，原先的金属表面活性点与漆膜中的极性基团之间的吸附，由于水分子的介入和置换取代，使附着力急剧下降。纳米二氧化硅改性环氧后，由于纳米效应，在涂层和基材间产生部分化学键，受水分子的影响很小，这就极大地提高了涂层的湿附着力。212 纳米二氧化硅用量对环氧涂层耐冲击性的影响纳米二氧化硅用量对环氧涂层耐冲击性的影响见表2。由表2 可见：随着纳米二氧化硅用量的增大，环氧涂层的耐冲击性迅速增大，当纳米二氧化硅用量达到树脂的2%~3% 时，涂层耐冲击性达到最大值，之后又降低。因为，纳米二氧化硅改性后，环氧树脂分子链上引入了网状的硅氧硅（SiOSi）结构和硅氧（SiO）柔性链段，所以涂膜柔韧性增强。当纳米二氧化硅过量后，涂层又产生部分缺陷，导致涂层强度降低。22 固化剂的选择本研究中，固化剂的选择主要根据涂料的力学性能和固化应用性能，见表3。由表3 可见：涂层固化后，力学性能相差不大，为赋予涂料优良的施工应用性能，选用了固化要求较低的2010 固化剂，并根据试验确定了固化剂用量。23 颜填料的选择本研究中，采用防锈颜料提高涂层的耐蚀性。防锈颜料主要有铅系颜料及铬酸盐、钼酸盐、磷酸盐颜料等。根据经验选用了磷酸锌和三聚磷酸铝进行试验。磷酸锌主要对初期腐蚀起到抑制作用，而三聚磷酸铝则对已产生的腐蚀起到抑制作用。填料选用滑石粉、轻质碳酸钙等，主要用于调整涂料黏度、沉降性能、表面状态等。根据填料自身特点，通过试验，确定了填料的用量和比例。24 助剂的选择241 活性稀释剂为提高涂料的施工固含量，改善环保性，涂料中加入活性稀释剂。为保证涂层性能，考察了涂层的耐冲击性和柔韧性，试验结果见表4。由表4 可见：随着活性稀释剂的加入，涂层耐冲击性下降，当活性稀释剂用量大于15% 时，柔韧性也开始下降。根据试验结果，活性稀释剂用量以10%为宜。242 其他助剂本研究中，为使纳米二氧化硅及其他填料能更好地分散在树脂中，选择了润湿分散剂；为改善涂层的表面状态，选择了流平剂；为改善涂料的生产状态，选择了消泡剂等。25 涂料/ 涂层的性能对制备的纳米二氧化硅改性环氧防腐底漆进行检测，其各项性能指标见表5。表5 纳米二氧化硅改性环氧防腐底漆的性能指标由表5 可见：纳米二氧化硅改性环氧防腐底漆的防腐性能良好，耐盐雾性、耐湿热性均达3 000 h 以上；涂层力学性能优良，柔韧性、耐冲击性和附着力均达到较高要求；涂料施工固体分达75%，可常温快速固化，且在0℃亦可固化，涂料的施工性能优良。3 结语以纳米二氧化硅改性环氧树脂为主要成膜物，配以适当的固化剂、功能性颜料等，制得一种具有良好物理机械性能和防腐蚀性，且施工性能优良的环氧防腐底漆。纳米二氧化硅的应用极大地提高了环氧涂层的湿附着力和柔韧性，当其用量为2%~3% 时，涂层的湿附着力提高了3 倍，柔韧性从30 cm 提高到70 cm。