一种新型高耐磨性紫外光固化路标涂料的研制

data-full-width-responsive="true"> 摘　要:选用纳米TiO2 作为填料,经表面亲油改性,采用活性单体交联和紫外光固化,制备了一种新型高耐磨性路标涂料 讨论了TiO2 、光引发剂、活性单体用量及种类对涂料耐磨性的影响 结果表明:较适宜的添加量为:纳米TiO2 用量为12 %(W) ;活性单体为双官能度且用量10 %;光引发剂用量为6 %　目前广泛使用的路标涂料其基体为:热塑性丙烯酸树脂、环氧树脂、过氯乙烯树脂等 涂饰厚度约为3 -5mm ,固含一般为60 - 70 % ,属于挥发量大的溶剂型涂料,对环境污染较严重 随着工业的飞速发展,车流量大大增加,此类涂料的耐磨性已满足不了现代化公路的要求,公路上到处可见斑驳的路标,重新涂的路标漆甚至在1 - 2 年内就磨损贻尽,不但影响现代化公路的形象,而且由于路标不明导致交通事故增加 重新涂饰该类涂料,不但耗费人力、物力,且浪费资源和增大污染,因此,研制一种新型高耐磨低污染的路标涂料意义非常重大　　纳米材料因其具有独特的纳米效应,已成为世界各国研究的热点 纳米材料应用于涂料中能大大提高涂料的耐磨性[1 - 3 ] 、硬度、耐酸、耐碱、耐水、耐候[4 ]等性能 纳米TiO2 经表面亲油改性用在路标涂料中提高其耐磨性,国内外尚未见报道　　我们基于对纳米涂料多年研究,选用纳米TiO2 作填料,经表面改性分散于聚氨酯丙烯酸树脂中,同时加入一定量的活性单体、光引发剂、助剂等,制成了一种新型高耐磨路标涂料,且使用成本比现今广泛使用的路标涂料要低1 　实验部分1 1 　主要原材料　　纳米TiO2 (10nm) ,芳香族聚醚型聚氨酯三丙烯酸酯,活性单体(双官能基: 三丙二醇二丙烯酸酯TPGDA ; 三官能基: 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯TMPTA ;六官能基: 二季戊四醇六丙烯酸酯DPHA ;单官能基: 苄基丙烯酸酯BA) ,光引发剂1173 ,分散剂,消泡剂,助剂等1 2 　仪器及设备　　紫外光源(80w/ cm) ,湿膜涂布器(上海化工设备仪器厂) ;JM - 3 型磨耗仪(上海现代环境技术有限公司) ;电子天平(称量0 01g) 等1 3 　涂料配方及制备1 3 1 　涂料配方　见表11 3 2 　涂料制备　将聚氨酯三丙烯酸酯、纳米TiO2 (亲油改性) 、活性单体、助剂按配比高速分散20min 后,加入1173 慢速搅拌均匀,熟化1 - 1 5h后制备漆膜1 3 3 　TiO2 表面亲油改性　先将硬脂酸、增稠剂、分散剂在二甲苯中溶解,然后加入纳米TiO2 高速搅拌,并升温至95 ℃,保温反应2h 用离心机分离,除去上部清液,用二甲苯洗涤2 - 3 次,烘干研磨后备用1 4 　表征　　涂层的耐磨性能用JM - 3 磨耗仪测定;压臂载荷500g ,样板为20 20 5cm 水泥板,涂上本涂料,干膜厚度为37m ,固定在磨耗仪底座,测300 转时磨耗的质量损失(m1 - m2) ,以(m1 - m2) / D 作为衡量涂层的耐磨性能,D 为涂层干膜厚度2 　结果讨论2 1 　纳米TiO2 用量对涂层耐磨性影响　　由图1 可以看出,随着纳米TiO2 (w %) 量的不断增加,涂膜的耐磨性有较大幅度的提高,当TiO2 (w %)增加到12 %以上,涂膜的耐磨性增加缓慢 纳米TiO2 使涂膜耐磨性得到大幅度提高,分析原因可能有以下几个方面:一是纳米TiO2 粒子很小(10nm) 能均匀嵌入有机树脂中,与有机树脂交联固化后形成三维网格体系,增强了树脂内部的结合力和机械强度 从而能承受更大的应力而不破损[5 ] ;二是纳米TiO2 粒子很小,经表面亲油改性并能均匀稳定分散在涂料中,与树脂形成的漆膜致密,坚实和光滑,降低了涂膜表面的摩擦系数(我们实验测得普通路标漆漆膜的摩擦系数是该涂料涂膜摩擦系数的3 2 倍) ;三是纳米TiO2 具有极高的表面能,在涂膜初期破损后,暴露的纳米TiO2 粒子在涂膜表面产生富集,充当了自润滑剂作用,且富集的纳米TiO2 粒子足以形成完整的润滑膜,因而降低了涂膜的摩擦系数[6 - 7 ] ,且使表面下的树脂基体被磨损的几率减少,从而提高了涂膜的耐磨性 另一方面,随着磨轮的转动,磨轮上坚硬的TiO2 固体颗粒,很容易嵌入到相对较软的树脂基体中,随着树脂的磨损、暴露出来坚硬的纳米TiO2 粒子在其中起着阻碍磨料继续深入磨损涂层的作用 从而使磨损率降低 本实验确定纳米TiO2 用量为12 % ,超过此量不但对耐磨性能提高不大,且纳米TiO2 用量过大,成本增加,涂料粘度高,不利于施工2 2 　活性单体用量及选择　　活性单体在涂料中充当稀释剂、交联剂的作用,不同活性单体及用量(质量分数、%) 对涂膜耐磨性的影响见图2 所示　　由图2 可知,四种活性单体对涂膜磨耗性能的影响,表现出不同行为 其中以双官能基活性单体( TPGDA) 为最佳,三官能基活性单体( TMPTA) 和六官能基活性单体(DPHA) 当添加量 6 %时,耐磨性有一定程度的提高; 添加量 6 %时,耐磨性能反而下降,单官能基活性单体(BA) 对耐磨性几乎不产生影响分析原因是:三官能基、六官能基活性单体,属于高反应活性、高交联密度的稀释剂,和树脂交联固化时,固化速度快,导致涂层残留单体多,涂层收缩率增大,涂膜硬度提高,但脆性增大,附着力下降,涂膜受到磨损时产生较大片状脱落,使耐磨性下降;单官能团活性单体因只存在一个活性基团,交联固化时,交联密度低,虽然使涂层附着力增加,但涂层内部结合力不高,导致耐磨性下降,双官能基的活性单体具较强稀释性和适宜的交联密度,和树脂基体交联固化时,不但有较好的交联密度,而且能使树脂得到很好的稀释,粘度适中,铺展性好,使涂层耐磨性提高,由图2 可看出,本实验活性单体选用双官能基的三丙二醇二丙烯酸酯( TPGDA) ,用量为12 %2 3 　光引发剂(1173) 对涂膜耐磨性的影响　　由图3 可以看出,当光引发剂用量为1 - 3 %时,涂膜磨耗值较大,光引发剂用量为4 - 6 %时,涂膜磨耗值为最低,光引发剂用量超过6 %以后,涂膜磨耗值反而上升,且上升速度很快 其原因是:当光引发剂浓度过低时,产生的自由基数目少,不能充分引发自由基与树脂交联,交联密度过低使涂膜耐磨性下降,当光引发剂浓度过高时,反应活性点多,快速反应,致使树脂分子量小,涂膜机械强度下降,耐磨性降低 由图3 知,合适的光引发剂的用量为6 %2 4 　使用成本分析　　本实验材料成本虽然较高,但单位面积使用量比目前采用的路标涂料要低得多,实际使用成本低,且耐磨性要高得多,使用寿命长,表2 是实验使用成本分析结果2 5 　涂料性能检测结果　　按照国家有关标准,对本实验涂料的主要性能进行了检测,其结果见表33 　结　论3 1 　对纳米TiO2 进行表面亲油改性能成功应用于紫外光固化涂料,并成功研制出一种新型高耐磨性紫外光固化路标涂料 纳米TiO2 能显著提高涂膜耐磨性,且适宜使用量为12 %3 2 　活性单体双官能基为最佳, 其合适用量为10 %3 3 　光引发剂浓度过低、交联度不够,耐磨性下降;浓度过高,固化后树脂相对分子量小,耐磨性下降,合适的光引发剂用量为6 %3 4 　本涂料比目前普通采用的以环氧树脂为基料和以热塑性丙烯酸为基料的路标漆使用成本要低得多,且相对挥发物要少得多,也是一种环保型的路标涂料,具有很高的推广价值3 5 　合适的施工(固化) 机械的开发应用是本涂料工业化应用有待解决的关键问题之一