一種高耐磨紫外光固化涂料的研制

1、第33卷第9期2005年9月化工新型材料NEWCHEMICALMATERIALSVol133No1943一種高耐磨紫外光固化涂料的研制李宏濤付爭兵(長春工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,長春130012)摘要選用納米SiO2作為填料,經(jīng)偶聯(lián)劑表面修飾后,采用超聲波分散方式與聚氨酯丙烯酸酯復(fù)合,制備高耐磨紫外光固化涂料。討論了影響涂層耐磨性的幾個因素,確定了較優(yōu)配方。關(guān)鍵詞納米SiO2,紫外光固化,耐磨性Developmentofananti2abrasionUV2curingpaintLiHongtaoFu(CollegeofBioengineering)UVpainthasbeendevelopedwi

2、thnanoSiO2asfillerthatwasmodifiedwithcouplerandacrylicesterbyultrasonicmethod.Somefactorsinfluencingtheanti2abra2sionarediscussed.Theexcellentcompositewaschosen.KeywordsnanoSiO2,UV2curing,anti2abrasion納米材料具有特異性能,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。本實驗用納米SiO2為填料,經(jīng)表面修飾后用超聲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

3、.4性能測試涂層的耐磨性能用JM23型涂層磨耗儀測定,其測量原理見圖1,將10×10cm的樣板固定在磨耗儀可轉(zhuǎn)動底座上,按要求把橡膠砂輪壓下與涂層表面水平接觸。當(dāng)載荷量為1×104N時,樣板按規(guī)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,計數(shù)器記錄到100轉(zhuǎn)時停止。用分析天平稱取磨損前后樣板的重量,其差值即為磨耗量。耐磨性用下式計算:耐磨性=(M1-M2)/DM1、M2分別是樣板磨損前后的重量(g),D為m。涂層厚度,本實驗中涂層厚度為301實驗部分1.1主要原材料納米SiO2、聚氨酯丙烯酸酯、活性稀釋單體HDDA、光引發(fā)劑1173、硅烷偶聯(lián)劑KH2570、其它涂料助劑。1.2儀器紫外光源(80W/cm)

4、、涂布器,天津儀器廠;JM23型磨耗儀,上海現(xiàn)代環(huán)境技術(shù)有限公司;天平(感量0.001g),KQ25013超聲波清洗機(jī),昆山超聲儀器有限公司。1.3涂料制備將納米SiO2、硅烷偶聯(lián)劑、活性稀釋和聚氨酯丙烯酸酯按配比用超聲波分散后,然后加入光引發(fā)劑,攪拌均勻,熟化1h,制備漆膜。圖1耐磨實驗示意圖涂料其他性能參照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(見44化工新型材料第33卷表1)。表1耐磨UV涂料的主要性能測試結(jié)果性能漆膜顏色與外觀固體組分含量%柔韌性/mm附著力(劃圈法)/級耐沖擊性/cm硬度黏度/s磨耗(1000g/100r)性能指標(biāo)透明,漆膜平整檢驗方法-GB/T1725GB/T1731GB/T1720

5、GB/T1732GB/T1730GB/T1723-勻分散并同樹脂結(jié)合打下良好的基礎(chǔ)。超聲波分散時間是5個周期(超聲2min,停止2min),避免過熱,因為隨著溫度的升高,顆粒的碰撞幾率增加,可能會進(jìn)一步加劇團(tuán)聚。從圖3可看出,納米SiO2在樹脂中分散呈鏈狀,說明納米粒子經(jīng)偶聯(lián)劑表面修飾后與樹脂結(jié)合良好;從圖4可見納米SiO2分散均勻,且粒子全在納米級。2結(jié)果討論2.1納米SiO2的用量34納米分散的照片×200000添加納米SiO2的涂料,者,且隨著納米SiO2高,%(圖2)。活性單體的功能是反應(yīng)稀釋劑、交聯(lián)劑和性能增強(qiáng)劑。單官能度單體只有一個活性基團(tuán),在固化過程中不能產(chǎn)生交聯(lián)點,交

6、聯(lián)密度低,導(dǎo)致耐磨性降低。增加單體的官能度會加速固化的過程,但同時會對最終轉(zhuǎn)化率帶來不利的影響,導(dǎo)致聚合物涂層中含有大量的單體殘留。單體官能度增加,涂層的交聯(lián)度增加,有利于耐磨性提高,但收縮率逐漸增大,對底材的附著力下降,導(dǎo)致涂層片狀脫落,磨耗圖2納米SiO2含量對涂層磨耗值的影響分析其原因如下:一是納米粒子尺寸小,均勻分散在樹脂中,使涂層表面較為光滑,在涂膜摩擦過程中,納米粒子在涂膜表面產(chǎn)生富集,充當(dāng)了自潤滑的作用,降低了涂膜的摩擦系數(shù);二是涂膜表面的樹脂被磨損后,在表面富集的納米SiO2顆粒足以形成完整的潤滑膜,使樹脂被磨損的幾率減小,從而耐磨性提高。本實驗確定SiO2用量是總量的10%。

7、2.2納米SiO2的分散為了得到好的分散效果,實驗中采用了兩條途徑:一是加入硅烷偶聯(lián)劑KH2570。用偶聯(lián)劑對納米粒子進(jìn)行表面修飾,可以顯著改善無機(jī)粒子的反應(yīng)分散性和涂料對基材的附著力,提高涂層的耐磨性及其它力學(xué)性能;二是利用超聲波進(jìn)行分散,超聲波的能量能夠擊碎團(tuán)聚的納米顆粒,同時讓硅烷偶聯(lián)劑和納米顆粒進(jìn)行作用,為納米粉體在樹脂中均值增大。同時,官能度增加,黏度大,不能很好的稀釋樹脂,但有時會因為涂料黏度過大,鋪展不好,固化時涂層容易開裂,所以選擇時應(yīng)綜合考慮。根據(jù)選用的樹脂黏度、分子量以及單體的成本因素,實驗中選用二官能度的1,62己二醇二丙烯酸酯(HD2DA),用量為總量的15%。2.4光

8、引發(fā)劑對耐磨性的影響漆膜耐磨性與光引發(fā)劑的濃度并不是呈線形關(guān)系(如圖5),當(dāng)其濃度增加到4%5%時磨耗達(dá)到最小值,然后隨引發(fā)劑濃度增大呈上升趨勢。這主要是因為引發(fā)劑濃度過低時,它所產(chǎn)生的少量自由基主要由涂層表面的O2消耗,不能充分引發(fā)自由基聚合,使交聯(lián)密度降低,耐磨性下降;引發(fā)劑濃度過高,紫外光分解光引發(fā)劑的能力基本飽和,體系內(nèi)殘留自由基數(shù)目基本確定,多余的光引發(fā)劑以分子的形式存在,在紫外光的照射下,過量的引發(fā)劑分解產(chǎn)生大量的自由基而引起涂層一定程度的粉化,從而(下轉(zhuǎn)第50頁)造成耐磨性下降。50化工新型材料第33卷散。因而,在鎳粉用量一定的條件下,增加PAN用量,有利于制備出分散相對均勻的復(fù)

9、合體系。2.4PAN/鎳粉/環(huán)氧樹脂復(fù)合體系應(yīng)力2伸長曲線3結(jié)論十二烷基苯磺酸比鹽酸摻雜的PAN導(dǎo)電性更優(yōu)良,紅移現(xiàn)象也更明顯。摻雜PAN除了本身具有的屏蔽和防腐性能外,PAN的加入有利于提高鎳粉在環(huán)氧樹脂中的分散均勻性,且復(fù)合材料的機(jī)械性能也得到提高。參考文獻(xiàn)1LEECY,SongHG,JangKS,etal1J.SyntheticMetal,1999,10213462GangopadhyayR,DeA,GhoshG.SyntheticMetal,2001,123213宋月賢,韋瑋,鄭元鎖,徐傳鑲.J1化工新型材料,2000,28(9)34施冬梅,杜仕.,2001,29(10)205,.J1

10、,1998,)6,WebberC,etal1J1RadiationPhysicsandChemistry2003,683877蔣永鋒,郭興伍,翟春泉,丁文江.J1功能高分子學(xué)報,2002,15(4)473分析由圖1a可看出,鎳粉用量一定,增大PAN2DB2SA用量,材料應(yīng)力有較大提高,而應(yīng)力達(dá)最大值的形變減小,主要是互穿網(wǎng)絡(luò)的形成增加了材料的剛性。圖1b表明,較少量鎳粉的加入,對復(fù)合材料有增強(qiáng)作用;當(dāng)鎳粉增加到一定程度,繼續(xù)增加其用量,材料的應(yīng)力卻不再增加。這說明該復(fù)合體系的機(jī)械性能主要是由PAN的加入量決定的。圖1鎳粉/環(huán)氧/PAN復(fù)合材料的應(yīng)力2伸長曲線(a:20%鎳粉,PAN2DBSA5

11、%,10%,15%;b:PAN2DBSA15%,鎳粉5%,10%,15%)8蘇靜,王庚超,鄧惠山,范曉青.J1功能高分子學(xué)報,2002,15(2)1229何波兵,鐘安永,陳德本,周宗華.J1高分子材料科學(xué)與工程,2002,18(3)65收稿日期:2005201224(上接第44頁)(2)引發(fā)劑本身能夠吸收紫外光,濃度過高,固化不完全,過低不能引發(fā)反應(yīng)。(3)較優(yōu)配方是:樹脂65%,單體15%,光引發(fā)劑5%,偶聯(lián)劑3%,SiO2填料10%,其它2%。主要參考文獻(xiàn)1張玲,曾兆華,陳用烈1J1功能高分子學(xué)報,2000,132強(qiáng)軍峰,王楊勇,井新利1J1石化技術(shù)與應(yīng)用,2002,(2)3馬海華,李志章,袁訓(xùn)1J1材料科學(xué)與工程,1995,13(2)4王德海,江欞1紫外光固化材料1J1科學(xué)出版社,20015陳用烈,曾兆華,楊建文1輻射固化材料及應(yīng)用1J1化學(xué)工圖5引發(fā)劑含量對耐