环氧改性丙烯酸自清洁防腐涂料制备与应用研究

环氧改性丙烯酸自清洁防腐涂料制备与应用研究

□ 杜玉成1, 李岩凌1, 李洪义1, 杨伟超1, 封 雷2, 谢俊池2, 任 重2, 苏志翔3, 王 伟3
(1.北京工业大学材料科学与工程学院,北京 100022; 2.北京国科京彪新材料科技有限公司,北京 100061;3.秦皇岛首秦钢铁公司设备部,河北秦皇岛 066326)

0 前 言
随着环保意识的增强及企业对绿化美化的要求,一些钢铁企业对其厂区设备及钢结构在进行防腐治理的同时,对防腐涂装外观美化非常重视。如果防腐涂层具有良好的防腐特性且具有一定的自清洁功能,即对带有酸性、碱性的粉体颗粒和气体凝聚体,具有很好的防腐蚀性能,使其不对涂层有任何腐蚀作用;同时涂层表面又对已落的灰尘或其它污染物具有一定的降解功能,或由于某种物质的存在,使灰尘不能牢固地附着在涂层表面,用水较易冲洗或用湿布易擦,可有效解决为了美观反复涂刷所带来的人力和物力巨大浪费问题。基于上述分析,本文开展了防腐涂层材料具有自清洁功能的研究。采用了具有良好耐酸、耐碱性能,且涂层表面光泽度高、光洁性好的基料,选取了具有一定光催化性能和超疏水性物质,制备了涂层表面对污染物具有一定的排斥性和分解特性的自清洁防腐涂料。

1 试验部分
1.1 试验材料
H C P E(裕隆化工);环氧改性丙烯酸树脂(三木化工);氟树脂(深圳一品莲);N75(拜耳);3380(旭化成);B S750(三木化工);锐钛型纳米T i O2(进口);金红石型T i O2(国产);偶联剂改性1 200目滑石粉(国产);偶联剂改性无定型S i O2(国产);H T高光疏水助剂(国产)。

1.2 分析与测试
电子天平、1 000 m L砂磨机、O C A20视频光学接触角测量仪、粗糙度测定仪、耐污性能测试装置(参照GB/T9780测试)。

2 配方结构分析
2.1 基料选取
基料的选取基于以下三方面:防腐性(耐酸耐碱)、光泽与光滑度、自清洁性(以接触角大小衡量)。本文选取了H C P E、E10改性丙烯酸树脂、氟树脂,其耐酸、碱性在15%H2S O4、10%H C l、15%N a O H点蚀测试中288 h涂膜均无变化,长期点蚀E10改性丙烯酸树脂、氟树脂较好;光泽与光滑度E10改性丙烯酸树脂较好;在不添加光催化剂和疏水物的情况下,三种基料H C P E、E10改性丙烯酸树脂、氟树脂涂层的接触角分别为:67°、81°、105°,氟树脂的疏水性要好,考虑到基料的原材料成本问题,本文选E10改性丙烯酸树脂,而E10改性丙烯酸树脂为双组分涂料,固化剂分别采用N75、3380、B S750均为聚氨酯类固化剂,对接触角的影响不大,而光泽度N75要好,本文采用N75作为涂料体系的B组分。

2.2 偶联剂改性滑石粉用量、H T疏水助剂用量对涂层接触角的影响
自荷叶效应(“Lotus- effect”) 的自清洁效果被发现以来,人们已经认识到荷叶表层生长着纳米级的蜡晶,使得荷叶表面具有超疏水性(其接触角可达150°~160°),是产生自清洁的主要动因。因此涂层表面的超疏水性被认为其表面具备自清洁功能是否存在的关键。为此本文进行了改善涂层表面接触角的试验研究。
图1为在涂料中添加改性滑石粉填料、H T疏水助剂添加量对涂层表面接触角(疏水性)影响关系曲线。

由图1可知,单独添加改性填料、H T疏水助剂对涂层的接触角均有提高,而以H T疏水助剂提高显著。随着改性填料添加量的增加,接触角由75°增加至92°,过量添加其接触角的增量不大,以10%添加量为好;H T疏水助剂以1%的添加量为好。将二者混合添加时(1%H T助剂+改性滑石粉),其疏水效果更加明显,总添加量大于11%时,接触角可达105°,涂层表面具有良好的疏水性。

2.3 改性气相SiO2对涂层表面粗糙度、接触角的影响
荷叶表面微观结构研究发现,荷叶表面乳突(平均直径5~9 μm)上还存在纳米结构[(124.3±3.2) n m],这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是产生超疏水和自清洁效应的根本原因,合适的表面粗糙度对于构建疏水性自清洁表面非常重要。本文在上述试验的基础上,进行了添加无定型S i O2以改善涂层表面的粗糙度,以便进一步改善涂层表面的疏水性。
图2为偶联剂改性无定型S i O2添加量对涂层表面粗糙度、疏水性关系曲线。其中粗糙度为相对于涂层表面1 μm高度的比值。

由图2可知,随S i O2的添加,涂层表面粗糙度有所改善,同时涂层表面的疏水性进一步提高,当添加量大于0.25%时,涂层表面的接触角可达109°。其表面接触角测试如图3所示。

We n ze曾就液体相对于固体表面的接触角与表面的粗糙度作过定性描述,即粗糙度定义为固体与液体接触面之间的真实面积与几何面积的比值。
γ=cosθγ/cosθ (γ≥1;θ≠90°)
其中:θγ为液体在粗糙表面上的接触角;θ为液体在理想光滑面上的真实接触角。
由此可知, θ > 9 0 ° 时, 粗糙度可使接触角θ进一步增大,即粗糙度可提高表面的疏水性;θ<90°时,粗糙度可使θ进一步变小,即可使表面疏水性降低。表面粗糙度可使表面疏水性强者更强,弱者更弱。因此合理的设计涂层表面的粗糙度非常关键,本试验中涂层表面的接触角均已大于90°,在不影响表面光泽及平整度的条件下,微米级的粗糙表面有利于改善涂层表面的疏水性。
2.4 锐钛型纳米TiO2对抗污性能的影响
在上述研究的基础上,尝试了在光催化作用下,涂层表面污染物可冲洗性的性能研究。图4为在涂料中添加具有光催化作用的锐钛型纳米T i O2对涂层抗污染性能关系曲线。其中涂层表面的抗污染性测试标准及过程参照GB/T9780进行。

由图4可知,添加纳米T i O2对涂层抗污染性有显著改善,表现为随着纳米T i O2量的增加,涂层的沾污率显著下降,当添加量大于0.25%时,涂层表面几乎不污染。

2.5 高光自洁漆现场应用测试
本文在自清洁漆试验研究的基础上,进行了首秦钢铁公司现场性能试验,图5为小试产品现场涂刷8个月图片,该产品具有较好的自清洁功能,其中在有部分污染物的表面非常容易冲洗、冲刷;图6为200 k g涂料现场涂装的Φ2 m工业管道之一的涂装5个月图片,表面仍光亮如新。

3 技术性能参数及理化性能(见表1、表2)
表1 技术性能参数

4 结 论
以E10环氧改性丙烯酸树脂为基料、N75聚氨酯为固化剂,可制备出耐酸、耐碱的高光防腐涂料,在添加纳米TiO2光催化剂、HT高光疏水助剂、偶联剂改性非晶态S i O2等功能性材料的基础上,涂层表面具有良好的疏水(接触角可达109°),具有优良的疏水特性;试验室及现场工业应用试验表明,该涂层具有良好的自清洁效果。

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