TiO2/FEVE氟碳涂料耐老化性能试验分析

0 前 言
有机涂层作为一种表面功能材料,具有装饰性、保护性等功能,广泛应用于耐候性要求高的场所[1],如杭州湾跨海大桥、京沪高铁项目、北京奥运会场馆、拉萨火车站等重大项目。另外,特别是一些气候恶劣的地区:如高紫外、高温差的高原地区以及高温、高湿和高盐雾的热带沿海地区对有机涂层的耐候性能要求更高。氟聚合物(主要有聚偏四氟乙烯和聚四氟乙烯)涂料具有长效防腐蚀性及高耐候性,使用寿命在20 a以上,已有大量报道[2-4]。
老化机理已有人进行了研究[5-7],有机涂层老化降解是由内外因素引起的,但内在因素如涂层各组分的性能及其配方起决定作用;外在影响因素主要有阳光(特别是紫外线)、温度、氧气、水和污染物等引发的氧化和水解。通过对光氧化降解机理与树脂的水解性机理分析,可从这两个方面着手增强树脂的耐老化性能。此外,在配方过程中通过选择合适的紫外线吸收剂来增加有机涂层的耐紫外性能。
本文设计的高耐候性涂料主要由高耐候性氟碳改性高分子成膜物质、高效的紫外线吸收剂和自由基捕获剂组成。并对涂层样板进行了人工加速老化试验,通过测试涂层的光泽值以及变色(色差),考察了涂层的耐老化性能;采用温度冲击试验箱,检测了涂层耐温变性能。

1 试验部分
1.1 主要原材料
氟碳树脂GK570,大金化工;羟基丙烯酸树脂BS-8160,江苏三木;异氰酸树脂Desmodur®N3390,拜耳;金红石型钛白粉R-960,杜邦;分散剂BYK163,毕克;流平剂,EFKA3600;有机紫外线吸收剂5060,汽巴;无机纳米TiO2;醋酸乙酯、醋酸丁酯、甲苯、二甲苯及其混合物,混合溶剂。

1.2 涂料配方设计与制备
高耐候性涂料配方设计包括甲乙两种组分,甲组分为异氰酸树脂和混合溶剂,乙组分为成膜物质、颜(填)料、助剂和紫外线吸收剂等,为了对比试验的需要,特别配制了目前常用的丙烯酸体系涂料,制备4种体系样板,编号为1#~4#。1#:大金氟碳涂层,2#:大连振邦氟碳涂层,3#:无锡万博氟碳涂层,4#:丙烯酸涂层。涂料配方见表1。

1.3 涂层样板制备
按照n(—NCO)∶n(—OH)=1.1∶1的比例将基料和固化剂混合搅拌均匀,熟化0.5 h后,样板采用热镀锌板,经过磷化、底漆、面漆涂覆处理,采用高压无空气喷涂法制备涂层试样,涂层厚度为(30±2) μm。

1.4 老化性能测试
紫外线加速老化试验采用QUV/spray型紫外老化试验箱,参考GB1865-80(89)检测涂层性能,试验条件见表2。试验按照GB/T1766-1995《色漆和清漆涂层老化的评级标准》检测样品。

1.5 耐温变性能测试
按照GJB150.1-86,试验样品放置在试验箱内,并将试验箱内温度升到70 ℃,保持1 h或者直至试验样品达到温度稳定,以时间长者为准。高温阶段结束后,在5 min内将试验样品转换到已调节到-55 ℃的低温试验箱内,保持1 h或者直至试验样品达到温度稳定,以时间长者为准。低温阶段结束后,在5 min内将试验样品转换到已调节到70 ℃的高温试验箱内,保持1 h或者直至试验样品达到温度稳定,以时间长者为准。重复上述试验,以完成3个循环周期。
试验条件:70 ℃。
试验温度:高温为70 ℃,低温为-55 ℃。
试验温度保持时间:1 h或者直至试验样品达到温度稳定,以时间长者为准。
转换时间:不大于5 min。
循环次数:3次。

2 结果与讨论
2.1 老化性能
用镜面光泽度计测量样品60°镜面光泽,结果如表3。

注:样板光泽(60°)。
根据式(1)可以计算出样品的保光率:

根据式1可计算出涂层的保光率,如表4。


注:执行ISO11507标准。
从表2、表3和图1可以看出,样品的原始光泽均大于70%,而4#样品高达95%,说明丙烯酸涂层比氟碳体系涂层的光泽高。随着老化时间增加,1#、2#、3#样板变化不明显,光泽下降较小,当试验进行到600h,2#样板光泽为73%,3#样板光泽达到75%;当试验进行到1 200 h,1#样板光泽反而有所上升,达到80.1%,这说明涂层内部的—NCO与—OH交联固化还没有完全完成,进一步交联固化后表面形成更加致密的涂膜,涂层光泽增大。而1 000 h到1 200 h,1#、2#、3#样板光泽有所上升,是因为两次测试状态分别为冷凝状态和光照状态。随着老化时间的增长,样板的光泽开始下降,经过1 000 h的老化试验,4#样品光泽剧烈下降,光泽值为33%,保光率为34.74%,而1#、2#、3#样板保光率变化不明显,2 000 h的老化试验,其保光率大于89%。由表4可以看出,经过1 000 h的老化试验,1#、2#、3#样板色差变化不明显,均小于1.06,1#样品经过2 000 h的老化试验,其色差也只有0.82,2#、3#的色差也小于3,2#为2.3,3#为1.65,4#经过1 700 h的老化,其色差达到3.35。
由以上试验数据可以看出,氟碳体系的涂层,经过2 000 h的老化试验,其保光率、色差变化较小,说明其耐紫外光性能优异;相对来说,4#样板(即丙烯酸涂层)经过1 000 h的老化试验,其保光率只有34.74%。氟碳涂层较高的耐候性能,是由于氟碳树脂结构呈现出交替共聚,四氟乙烯结构单元保护了易受氧化及紫外线等侵蚀的乙烯基结构单元,因而具有超强的耐紫外线、耐候性能。

2.2 耐高低温性能
对1#~4#样板进行高低温冲击试验后,测试涂层的附着力和冲击强度,测试结果表明,附着力测试:划圈法,采用划圈附着力测定仪测试,丙烯酸样板3级,氟碳样板1级。冲击强度测试:按GB/T1732-93规定,冲击试验器的重锤质量是1 kg,丙烯酸样板出现涂层脱落现象,而氟碳样板涂层无变化。

3 结 语
(1)通过人工加速老化试验以及光泽值的测量,FEVE氟碳涂层,经过2 000 h的老化试验,其保光率、色差变化较小,说明其耐紫外光性能优异;相对来说,4#样板(即丙烯酸涂层)经过1 000 h的老化试验,其保光率只有34.74%。
(2)通过高低温试验以及涂层力学性能测量,结果表明,氟碳体系的涂层附着力1级,丙烯酸样板3级。冲击强度测试结果表明,当冲击试验器的重锤质量是1 000 g,丙烯酸样板出现涂层脱落现象,而氟碳样板涂层无变化。
(3)当然涂层的老化是一个复杂的物理化学过程,主要受外在与内在因素影响,是一种由内因(原材料、配方、生产与施工工艺)与外因(使用环境)相互作用、交替影响的极为复杂的过程。外在因素是指气候环境,而成膜物质体系与颜填料体系的耐老化性能及施工工艺是影响高原涂层耐老化性能的主要内在因素,本文主要研究了成膜物质对涂层老化的影响,颜(填)料等对涂层老化的影响将在下一步的研究工作中开展。

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