一种高耐磨紫外光固化涂料的研制

data-full-width-responsive="true"> 纳米材料具有特异性能, 添加到涂料中可以大大改善涂料的耐磨性、紫外屏蔽性和表面活性等。本实验用纳米SiO2 为填料, 经表面修饰后用超声波分散的方式使其分散在聚氨酯丙烯酸酯中, 制得高耐磨紫外光固化涂料。1 实验部分1 1 主要原材料纳米SiO2 、聚氨酯丙烯酸酯、活性稀释单体HDDA、光引发剂1173、硅烷偶联剂KH-570、其它涂料助剂。1 2 仪器紫外光源( 80W/ cm) 、涂布器, 天津仪器厂; JM-3 型磨耗仪, 上海现代环境技术有限公司; 天平( 感量0 001g) , KQ-5013 超声波清洗机, 昆山超声仪器有限公司。1 3 涂料制备将纳米SiO2 、硅烷偶联剂、活性稀释和聚氨酯丙烯酸酯按配比用超声波分散后, 然后加入光引发剂,搅拌均匀, 熟化1h, 制备漆膜。1 4 性能测试涂层的耐磨性能用JM-3 型涂层磨耗仪测定, 其测量原理见图1, 将10 x 10cm 的样板固定在磨耗仪可转动底座上, 按要求把橡胶砂轮压下与涂层表面水平接触。当载荷量为1 @ 104N 时, 样板按规定转速转动, 计数器记录到100 转时停止。用分析天平称取磨损前后样板的重量, 其差值即为磨耗量。耐磨性用下式计算:耐磨性= ( M1- M2 ) / DM1、M2 分别是样板磨损前后的重量( g) , D 为涂层厚度, 本实验中涂层厚度为30Lm。涂料其他性能参照有关国家标准进行检测( 见表1) 。2 结果讨论2 1 纳米SiO2 的用量添加纳米SiO2 的涂料, 其耐磨性都好于不加者, 且随着纳米SiO2 的加入, 漆膜的耐磨性显著提高, 但当加入量超过一定范围( 该体系为10%) , 进一步加入可看出磨耗量变缓慢( 图2) 。分析其原因如下: 一是纳米粒子尺寸小, 均匀分散在树脂中, 使涂层表面较为光滑, 在涂膜摩擦过程中, 纳米粒子在涂膜表面产生富集, 充当了自润滑的作用, 降低了涂膜的摩擦系数; 二是涂膜表面的树脂被磨损后, 在表面富集的纳米SiO2 颗粒足以形成完整的润滑膜, 使树脂被磨损的几率减小, 从而耐磨性提高。本实验确定SiO2 用量是总量的10%。2 2 纳米SiO2 的分散为了得到好的分散效果, 实验中采用了两条途径: 一是加入硅烷偶联剂KH-570。用偶联剂对纳米粒子进行表面修饰, 可以显著改善无机粒子的反应分散性和涂料对基材的附着力, 提高涂层的耐磨性及其它力学性能; 二是利用超声波进行分散, 超声波的能量能够击碎团聚的纳米颗粒, 同时让硅烷偶联剂和纳米颗粒进行作用, 为纳米粉体在树脂中均匀分散并同树脂结合打下良好的基础。超声波分散时间是5 个周期( 超声2 min, 停止2 min) , 避免过热, 因为随着温度的升高, 颗粒的碰撞几率增加, 可能会进一步加剧团聚。从图3 可看出, 纳米SiO2 在树脂中分散呈链状, 说明纳米粒子经偶联剂表面修饰后与树脂结合良好; 从图4 可见纳米SiO2 分散均匀, 且粒子全在纳米级。2 3 活性稀释单体的选择活性单体的功能是反应稀释剂、交联剂和性能增强剂。单官能度单体只有一个活性基团, 在固化过程中不能产生交联点, 交联密度低, 导致耐磨性降低。增加单体的官能度会加速固化的过程, 但同时会对最终转化率带来不利的影响, 导致聚合物涂层中含有大量的单体残留。单体官能度增加, 涂层的交联度增加, 有利于耐磨性提高, 但收缩率逐渐增大, 对底材的附着力下降, 导致涂层片状脱落, 磨耗值增大。同时, 官能度增加, 黏度大, 不能很好的稀释树脂, 但有时会因为涂料黏度过大, 铺展不好, 固化时涂层容易开裂, 所以选择时应综合考虑。根据选用的树脂黏度、分子量以及单体的成本因素, 实验中选用二官能度的1, 6-己二醇二丙烯酸酯( HDDA), 用量为总量的15%。2 4 光引发剂对耐磨性的影响漆膜耐磨性与光引发剂的浓度并不是呈线形关系( 如图5) , 当其浓度增加到4% ~ 5% 时磨耗达到最小值, 然后随引发剂浓度增大呈上升趋势。这主要是因为引发剂浓度过低时, 它所产生的少量自由基主要由涂层表面的O2 消耗, 不能充分引发自由基聚合, 使交联密度降低, 耐磨性下降; 引发剂浓度过高, 紫外光分解光引发剂的能力基本饱和, 体系内残留自由基数目基本确定, 多余的光引发剂以分子的形式存在, 在紫外光的照射下, 过量的引发剂分解产生大量的自由基而引起涂层一定程度的粉化, 从而造成耐磨性下降。3 结论( 1) 加入纳米SiO2 能提高树脂涂层的耐磨性,且纳米SiO2 含量在10% 时涂层的耐磨性能及综合性能最好。( 2) 引发剂本身能够吸收紫外光, 浓度过高, 固化不完全, 过低不能引发反应。( 3) 较优配方是: 树脂65%, 单体15% , 光引发剂5%, 偶联剂3%, SiO2 填料10% , 其它2%。