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环保型纳米TiO2改性水性环氧涂料的研制

作者: zhishangtools  更新时间: 2012-07-01 15:02:36

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000)

    摘要:通过正交实验和单因素实验,以涂膜的拉伸强度为依据,确定了纳米TiO2改性水性环氧涂料时,制备环氧-甲基丙烯酸乙酯接枝共聚乳液的单体过氧化苯甲酰(BPO)和甲基丙烯酸乙酯(EMA)的最佳用量,适当的反应时间和反应温度,固化剂的最佳添加量,以及纳米TiO2的最佳添加量。对涂膜进行了红外光谱和热重分析,对比检测了未改性环氧涂料、EMA改性环氧涂料、纳米TiO2改性水性环氧涂料的各方面性能。结果表明,纳米TiO2改性水性环氧涂料的各方面性能良好,涂膜具有较高的机械强度、良好的附着力、较好的热稳定性和耐水、耐酸碱性能。

    关键词:环氧-甲基丙烯酸乙酯乳液;水性涂料;纳米TiO2

    中图分类号:TQ637  文献标识码:A  文章编号:1008-9500(2012)02-0034-03

    目前常用的环氧树脂涂料大部分是溶剂型,其中的有机挥发物大多属于易燃易爆及有毒物质。如直接排放到大气中,在紫外线辐射下会产生光烟雾或形成酸雨,对环境造成严重污染[1]。因此,对环氧树脂涂料的水性化研究具有重要意义。因环氧树脂较脆,其力学性能不够完善[2],而纳米TiO2颗粒小,具有极强的表面活性,与环氧树脂结合可明显提高涂层的结合力、硬度和拉伸强度[3]。通过化学接枝改性法,将甲基丙烯酸乙酯接枝到环氧树脂上使其获得亲水基而水性化,并添加纳米TiO2,使制备的涂料具有较好的拉伸强度,良好的附着力,较高的热稳定性和耐水、耐酸碱性能。

    1·实验部分

    1.1主要原料

    环氧树脂E-44,沈阳正泰防腐材料有限公司;过氧化苯甲酰,沈阳华特化学有限公司;甲基丙烯酸乙酯,沈阳德美化工有限公司;乙二胺,沈阳第一有机化工股份有限公司;纳米TiO2(30~50nm),上海润和纳米材料公司。

    1.2主要仪器与设备

    数显恒温水浴锅,HH-4型,常州国华电器厂;傅里叶红外光谱,FT2000型,美国尼高力公司;热重测试仪,STA449C型,德国耐驰公司;拉伸试验机,XLD-1KN型,承德试验机有限责任公司。

    1.3制备工艺

    在装有搅拌器、滴液漏斗、冷凝管及温度计的四口烧瓶中依次加入一定量的E-44,EMA,BPO,控制反应温度和反应时间制备接枝共聚物;接着加入一定量的氨水和蒸馏水,调节pH值为7左右得乳液,室温保存。最后依次加入纳米TiO2、二甲基硅油,高速搅拌即得环保型纳米TiO2改性水性环氧涂料,与相应的固化剂乙二胺配量使用。配方见表1所示。

表1 纳米TiO2涂料的基础配方

表1 纳米TiO2涂料的基础配方

 

    1.4性能检测

    傅里叶红外光谱仪检测内部基团;热重测试仪检测其热稳定性;吸水率根据GB/T1738-1979《绝缘漆漆膜吸水率测定法》标准测定;附着力按照GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》标准测定;贮存稳定性根据GB/T6753.3-1986《涂料贮存稳定性试验方法》进行测定;拉伸强度根据GB/T16421-1996《塑料拉伸性能小试样试验方法》标准测定;耐水性根据GB/T1733-1993《漆膜耐水性测定法》标准测定;耐酸性和耐碱性根据GB/T1763-1979《漆膜耐化学试剂性测定法》标准测定。

    2·结果与讨论

    2.1正交设计实验

    水平因素见表2所示,正交实验见表3所示。

表2 水平因素

表2 水平因素

 

表3 正交实验表

表3 正交实验表

 

    2.2正交实验结果

    由表3可知,通过正交实验的极差分析,各因素对涂膜的平均拉伸强度的影响顺序是:A>B>C>D>E。故最佳方案为A3B2C2D2E3。即固化剂乙二胺为10%,EMA为3%,BPO为2%,反应温度70℃,反应时间60min。

    2.3红外光谱分析

    接技共聚物红外光谱见图1所示。从图1可以看出,1602cm-1为对位取代苯氧基的特征吸收峰,1258cm-1处为环氧树脂的C-O伸缩振动,1157cm-1处-C(CH3)2-骨架振动,830cm-1和1501cm-1处为的苯环上的对位双取代特征峰;1725cm-1处有很强的C-O的伸缩振动。证明甲基丙烯酸乙酯确实接枝到了环氧分子链上。红外光谱证实了甲基丙烯酸乙酯与环氧树脂形成接枝共聚物。

表3 正交实验表

1 接枝共聚物红外光谱

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    2.4纳米TiO2加入量对涂膜拉伸强度的影响

    纳米TiO2加入量对涂膜拉伸强度的影响见图2所示。在体系含有3%纳米TiO2的时候,涂膜的拉伸强度最大,但超过3%后,拉伸强度急剧下降。原因是纳米TiO2的表面活性很强,可以加剧涂层高分子链段的运动,提高拉伸强度。但是纳米微粒的含量太高,其聚集倾向越严重,分散的难度也就越大,从而使涂膜的拉伸强度下降。

图2 TiO2加入量与拉伸强度的关系

图2 TiO2加入量与拉伸强度的关系

 

2.5热重分析

热重分析如图3、图4所示。未改性环氧涂料的起始分解温度Ti为303.51℃,50%热失重的温度为393.62℃,热反应终止温度Tf为616.03℃(此时质量剩余率为13.97%)。纳米复合改性水性环氧涂料的Ti为315.46℃,50%热失重的温度为406.65℃,Tf为725.04℃(此时质量剩余率为17.98%)。说明纳米粒子的加入提高了涂料的热稳定性,原因是环氧基团在界面上与纳米粒子产生远大于范德华力的作用力,形成非常理想的界面,能起到很好的引发微裂纹、吸收能量的作用,使分子间的作用力更强,热稳定性能得到提高。

图3 未改性环氧涂料的TG曲线

图3 未改性环氧涂料的TG曲线

 

    2.6涂料的主要性能指标

    涂料的主要性能检测结果如表4所示。

图4 纳米TiO2改性水性环氧涂料的TG曲线

图4 纳米TiO2改性水性环氧涂料的TG曲线

 

    3·结论

    (1)接枝共聚物的最佳工艺条件是:固化剂乙二胺添加量为10%,EMA添加量为3%,BPO添加量为2%,反应温度70℃,反应时间60min。

    (2)甲基丙烯酸乙酯确实接枝到了环氧分子链上。甲基丙烯酸乙酯与环氧树脂形成接枝共聚物。

    (3)纳米TiO2的最佳添加量为3%。

    (4)制备的环保型纳米TiO2改性水性环氧涂料的冲击强度显著提升,涂膜具有较高的机械强度、良好的附着力、较好的热稳定性和耐水、耐酸碱性能。

   

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