納米二氧化硅對(duì)環(huán)氧涂料性能的影響探討

高慧妍 （沈陽(yáng)科技學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110000）

0 引言

環(huán)氧涂料優(yōu)點(diǎn)為耐腐蝕、耐酸堿、潔凈、環(huán)保，但普通環(huán)氧涂料具有以下缺點(diǎn)：耐磨損性并不理想，在有水的場(chǎng)合更易磨花，抗沾污性、耐車輪黑印較差。在環(huán)氧涂料中引入納米二氧化硅后，能有效克服這些缺點(diǎn)，特別是能非常明顯地增加涂料的綜合力學(xué)性能和抗溫性［1-4］。

我國(guó)是涂料生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但當(dāng)前國(guó)產(chǎn)涂料普遍存在著性能方面，如懸浮穩(wěn)定性、觸變性、耐候性、耐洗刷性等的不足，致使每年需進(jìn)口大量高質(zhì)量的涂料。近年來，隨著涂料技術(shù)的不斷提升，一些涂料生產(chǎn)企業(yè)已成功地實(shí)現(xiàn)了納米二氧化硅在涂料中的應(yīng)用，這種納米改性涂料一改以往傳統(tǒng)產(chǎn)品的不足，其主要性能指標(biāo)均有所提高，此外涂膜與墻體結(jié)合強(qiáng)度大幅提高，涂膜硬度顯著增加，表面自潔能力也得到改善［5-8］。

本研究采用納米二氧化硅對(duì)環(huán)氧涂料進(jìn)行改性，并且通過紅外光譜分析、漆膜附著力試驗(yàn)、漆膜耐沖擊力測(cè)定、漆膜的硬度測(cè)試、漆膜的耐熱性試驗(yàn)等，對(duì)試樣樣品的性能和機(jī)理進(jìn)行初步探討［9-11］。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與儀器設(shè)備

原材料：E-44環(huán)氧樹脂，分析純，南通星辰合成材料有限公司；低相對(duì)分子質(zhì)量聚酰胺復(fù)合固化劑，分析純，天津燕?；瘜W(xué)有限公司；納米二氧化硅，分析純，上海紫衣試劑廠；助劑、分散劑、增稠劑、消泡劑，分析純，山東宏祥化工有限公司。

儀器設(shè)備：攪拌器（DF-101S），山東諾明儀器有限公司；鉛筆硬度計(jì)（QHQ），中科路達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司；漆膜附著力測(cè)試儀（QFH），艾瑞普商貿(mào)有限公司；彈性試驗(yàn)器（QTX），北京卓川科技有限公司；彎曲試驗(yàn)器（QTY-32），達(dá)標(biāo)儀器設(shè)備有限公司；傅里葉紅外光譜儀（Bio-Rad FTS），金程儀器有限公司。

1.2 樣品的制備

1.2.1 環(huán)氧涂料基礎(chǔ)配方

環(huán)氧涂料的基礎(chǔ)配方見表1。

表1 環(huán)氧涂料的基礎(chǔ)配方Table 1 The basic formula of epoxy coatings

1.2.2 納米二氧化硅改性環(huán)氧涂料的制備

將納米SiO2加入到一定量的分散劑溶液中，磁力攪拌15 min后，再進(jìn)行超聲分散30 min；按表1所示的配方，分別加入分散劑、消泡劑、顏填料。將所得混合物料充分研磨，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，在研磨過程中，加入增稠劑，分散混合30 min后制得顏料漿；在400 r/min的低轉(zhuǎn)速下繼續(xù)研磨，并加入成膜助劑。最后加入E-44環(huán)氧樹脂，繼續(xù)分散30 min后得到混合物料。將制得的混合物料過濾，即得到納米二氧化硅改性環(huán)氧涂料A組分。

1.2.3 納米二氧化硅改性環(huán)氧涂層的制備

將碳鋼片（規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm）用400#砂紙去掉表面保護(hù)層，再用乙醇（分析純）除水，將納米二氧化硅改性環(huán)氧涂料A組分與B組分充分混合，采用刷涂法將混合物均勻地涂覆在處理好的碳鋼片上，涂層總厚度為（50±5）μm，將試片放在通風(fēng)陰涼處，24 h后涂層完全固化。

1.3 涂料樣品結(jié)構(gòu)表征及漆膜性能測(cè)試

1.3.1 樣品的結(jié)構(gòu)表征

采用PerkinElmer公司生產(chǎn)的傅里葉紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1.3.2 漆膜的性能測(cè)試

按標(biāo)準(zhǔn)GB 1727—1992《漆膜一般制備法》對(duì)漆膜進(jìn)行附著力測(cè)試；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1732—2020《漆膜耐沖擊測(cè)定法》對(duì)漆膜進(jìn)行耐沖擊性試驗(yàn)；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1735—2009《色漆和清漆耐熱性的測(cè)定》對(duì)漆膜進(jìn)行耐熱性試驗(yàn)；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6739—2006《色漆和清漆鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》對(duì)漆膜進(jìn)行硬度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1為未改性的環(huán)氧涂料紅外譜圖。

圖1 未改性的環(huán)氧涂料紅外譜圖Figure 1 Infrared spectrum of epoxy coatings without modification

由圖1可見，在2 936 cm-1和2 877 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，2 962 cm-1為亞甲基（—CH2—）的伸縮振動(dòng)吸收峰，912 cm-1處為環(huán)氧基團(tuán)的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。

圖2為納米二氧化硅改性環(huán)氧涂料的紅外譜圖。

圖2 納米二氧化硅改性環(huán)氧涂料的紅外譜圖Figure 2 Infrared spectrum of epoxy coatings modified with nano silica

由圖2可見，在3 500 cm-1處附近存在較寬的吸收峰，為Si—OH鍵和N—H鍵等吸收峰的疊加。2 935 cm-1和2 853 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰。1 608 cm-1與1 459 cm-1處為環(huán)氧基團(tuán)上苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰。1 363 cm-1處為C—N鍵的伸縮振動(dòng)峰，這表明聚酰胺樹脂與環(huán)氧樹脂混合物發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)。1 250 cm-1處附近為環(huán)氧樹脂中聚醚的吸收峰，1 040 cm-1和850 cm-1處對(duì)應(yīng)Si—O—C鍵的伸縮振動(dòng)峰，這表明納米二氧化硅加入環(huán)氧體系后形成了致密的聚合物網(wǎng)絡(luò)。

2.2 納米二氧化硅對(duì)涂層附著力的影響

表2為不同納米二氧化硅的添加量對(duì)涂層附著力的影響。

表2 不同納米二氧化硅的添加量對(duì)涂層附著力的影響Table 2 The effects of the different nano-silica dosages on the coating’s adhesion

由表2可見，加入納米二氧化硅粒子后，與涂層形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，樹脂分子間的相互作用力增強(qiáng)，漆膜附著力提升，漆膜附著力在納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %時(shí)達(dá)到最大。而納米二氧化硅過量后會(huì)阻礙樹脂分子與金屬基體的接觸，反而造成附著力下降。故當(dāng)納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %時(shí)，漆膜的附著力最好。

2.3 納米二氧化硅對(duì)涂層耐沖擊性能的影響

表3為不同納米二氧化硅的添加量對(duì)涂層耐沖擊性能的影響。

表3 不同納米二氧化硅的添加量對(duì)涂層沖擊性能的影響Table 3 The effects of the different nano-silica dosages on the coating’s impact resistance

由表3可見，當(dāng)納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %～5 %時(shí)，涂層的耐沖擊性較高。涂層耐沖擊性能得到提升是因?yàn)榧{米粒子既具有較大的比表面積，又具有良好的分散性，這使得納米粒子與樹脂分子間相容性較好，形成內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使涂層的交聯(lián)密度增大。

2.4 納米二氧化硅對(duì)涂層硬度的影響

表4為不同納米二氧化硅的添加量對(duì)涂層硬度的影響。

表4 不同納米二氧化硅的添加量對(duì)涂層硬度的影響Table 4 The effects of the different nano-silica dosages on the coating’s hardness

由表4可見，隨著納米二氧化硅添加量的增加，涂層硬度也隨之提升。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的納米二氧化硅后，涂層的硬度為4H，而隨著納米二氧化硅的添加量繼續(xù)增加，涂層硬度則降低，故當(dāng)納米二氧化硅的添加量為5 %時(shí)，涂層的硬度最大。

2.5 納米二氧化硅對(duì)涂層耐熱性的影響

以聚酰亞胺為固化劑時(shí)，研究不同添加量的納米二氧化硅對(duì)涂層耐熱性的影響。結(jié)果顯示，將試片在60 ℃、80 ℃下分別加熱4 h后，涂層完好，無變色或開裂現(xiàn)象發(fā)生。將試片在100 ℃下加熱4 h后，除了納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %、6 %、7 %的試片之外，其余試片涂層都有輕微變色。將試片在120 ℃下加熱4 h后，納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7 %的試片涂層有輕微變色，納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %和6 %的試片涂層無明顯變色，未出現(xiàn)、起泡、皺皮、開裂等現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

探討了納米二氧化硅對(duì)環(huán)氧涂料相關(guān)性能的影響，通過對(duì)照試驗(yàn)對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜分析，漆膜附著力、耐沖擊力、硬度、漆膜耐熱性等相關(guān)性能測(cè)試和初步探索，主要結(jié)論：（1）利用傅里葉紅外光譜儀對(duì)試樣樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的表征，研究結(jié)果顯示，納米二氧化硅改性后的環(huán)氧涂料分子間形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有新的Si—O—C鍵產(chǎn)生，形成了無機(jī)-有機(jī)結(jié)構(gòu)；（2）當(dāng)納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %時(shí)，漆膜的附著力最好；（3）當(dāng)納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %時(shí)，漆膜的硬度最好；（4）當(dāng)納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %～5 %時(shí)，涂層的耐沖擊性較好；（5）當(dāng)納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %和6 %時(shí)，試片在120 ℃下加熱4 h后無明顯變色，涂層未出現(xiàn)起泡、皺皮、開裂等現(xiàn)象。