納米-無機復合涂料的制備及其性能研究

2018-05-24 06:25:43譚向君劉玉碩張世奇馬智超郭迎望

山東化工 2018年9期

譚向君，王維，劉玉碩，張世奇，馬智超，郭迎望

(中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院，山東東營 257000)

19大以來中央推出新的社會發展政策，使包括海洋經濟在內的社會經濟各領域迎來新的發展機遇[1]。與此同時，擔任重要角色的鋼結構在海洋飛濺區的腐蝕速率最高，是大氣區和全浸區的數倍[2]，對其防腐保護措施也提出了新的要求。

目前通過防腐涂料來實現對金屬腐蝕的防護是目前的最佳防腐蝕方法，正是因為涂裝技術簡單而且操作簡便、價格低廉、保護時效長等眾多優點被廣泛應用[3]。而隨著人們環保意識的增強，水性防腐涂料這種零VOC釋放的環保型涂料逐漸出現在人們的視野[2]。水性無機富鋅涂料具有安全環保、耐腐蝕等優點[4]，但是涂層干燥慢、脆性強、耐鹽霧性差；納米TiO2、ZnO顆粒小、表面活性高[5]，具有耐腐蝕，抗沖擊性、耐鹽霧性強等優點[6]。然而，關于對納米材料復合，分別對基料和顏料進行改性，來提高防腐蝕涂料的各種性能的文獻報道甚少，因此有必要展開進一步的研究工作。

1 實驗部分

1.1 實驗用品及儀器

實驗所使用藥品名稱：硅溶膠、鋅粉(顆粒狀)、磷酸三丁酯、分散劑(5040)、硅烷偶聯劑、低模數硅酸鉀溶液、納米ZnO、納米TiO2、無水乙醇，稀鹽酸1.5%等。

實驗儀器：恒溫水浴鍋、攪拌器、涂抹附著力測試儀等。

1.2 無機富鋅涂料的制備

1.2.1 硅酸鹽的選擇

水性無機富鋅防腐涂料的基料選用硅酸鉀。因為鉀離子的體積大，并且帶有微弱電荷，運動穩定且可溶，是制備富鋅涂料較好的基料。

1.2.2 助劑的選擇

在本實驗中，選取磷酸三丁酯作為消泡劑，羥乙基纖維素作為增稠劑，分散劑4050作為分散劑。

1.2.3 高模數硅酸鉀溶液的制備

將一定質量的低模數硅酸鉀溶液倒入燒杯中，將燒杯置于恒溫水浴鍋中，升溫至20～70℃，加入少量的去離子水，邊攪拌邊將硅溶膠緩慢滴加入反應器中，加入一定量的去離子水，混合溶液攪拌反應 15min左右，得到不同模數的硅酸鉀溶液，放置密閉容器中備用。

1.2.4 涂料的配制

組分一為基料：高模數硅酸鹽溶液；組分二為顏料和助劑：鋅粉、消泡劑、增稠劑、分散劑等的混合物，將兩個組分進行攪拌混合得高模式硅酸鹽水性無機富鋅防腐涂料。

1.3 納米-無機復合涂料的制備及性能測試

1.3.1 納米無機無機復合涂料的制備

量取3%的納米顆粒，先分別與無機富鋅涂料的基料(硅酸鉀溶液)和顏料(鋅粉)充分混合，從而制得幾種不同的納米無機復合涂料。

1.3.2 涂料的性能測試

1.3.2.1 涂層附著力測定

采用劃格法按 GB/T9286-1998 來測試 WPU 涂膜附著力。

1.3.2.2 涂料的穩定性

靜置涂料，用玻璃棒攪拌，觀察涂料中是否有塊狀物，是否有沉積物。

1.3.2.3 pH值測定

涂液外觀及pH值的測試目測涂液的顏色、光澤度，看涂液分散是否均勻、是否有團聚鋅粉存在。

1.3.2.4 涂層耐水性測試

根據國標 GB/T 1733-93《漆膜耐水性測定法》甲法中的描述進行測試。

1.3.2.5 涂層干燥時間的測定

根據國標 GB/T1728-1979《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》的描述進行測定。

2 結果與討論

2.1 水性無機富鋅涂料的制備條件優化

2.1.1 硅酸鹽模數的選擇

在恒溫水浴 70℃攪拌的條件下分別制備了模數為 5、5.5、6、6.5、7、7.5、8，固含量 30%的硅酸鉀溶液，將鋅粉與基料以2.5∶1 的比例混合，加入 2%消泡劑以及 1%增稠劑、分散劑反應 30min 得到涂料。隨著模數的提高，硅酸鉀逐漸由低聚硅酸鹽向高聚硅酸鹽轉化形成膠粒，模數越高的溶液中活性硅羥基數量越多，極易造成體系隨著時間的延長而逐漸老化，導致了貯存穩定性變差。此外，涂料的粘度隨著模數的增大而變大，粘度小或者過大都不適宜涂裝。模數為5.5的硅酸鉀溶液貯存穩定性好，粘度適中，涂層外觀良好，因此選擇硅酸鉀模數為5.5的溶液進行接下來的研究。

2.1.2 制備高模數硅酸鉀溶液最優條件判定

2.1.2.1 溫度

在一系列溫度下制備模數為5.5，固含量 20%的硅酸鉀溶液，反應 10min，得到不同溫度條件下溶液的透明度，并且測量了溶液的粘度，來確定制備高模數硅酸鉀溶液的溫度。

表1 溫度對硅酸鹽的影響

從表1中的實驗結果可以看出，溫度對制備高模數硅酸鉀溶液的外觀有很大影響。當溫度為40℃時，有少量組分產生了化學反應，只是形成了半透明溶液；隨著溫度的升高，溶液逐漸變得透明、澄清；溫度大于 70℃，溶液的膠體感變強，且溶液有較多量的白色絮狀物出現；溫度在 95℃時，溶液已經變成了凝膠狀。同時溫度對粘稠度也有一定的影響，隨著溫度的升高粘稠度不斷上升。綜上，最終我們將溫度定在了70℃。

2.1.2.2 反應時間

在恒溫水浴 70℃條件下制備了模數為5.5、固含量20%的硅酸鉀溶液，考察了反應時間對制備高模數硅酸鉀溶液的影響，結果見表2。

表2 反應時間對硅酸鹽的影響

由表2可見，反應初期，溶液由渾濁狀態變為透明，隨著反應時間的延長，在20min 時溶液中出現了絮狀物質，是硅溶膠分解生成的SiO2；25min時溶液變得粘稠而且有形成膠體的趨勢；當溫度超過30min，溶液已經變成了膠狀物質。可見，隨著時間的延長，高模數硅酸鉀溶液體系變得很不穩定，因此制備高模數硅酸鉀溶液的反應時間不宜過長，在10min左右最佳，本實驗選擇反應時間段為 10min。

2.1.3 無機富鋅涂料的顏料與基料最佳配比

在恒溫水浴 70℃的條件下制備模數為5.5、固含量20%的硅酸鉀溶液，與不同量的鋅粉常溫條件下混合30min得到涂料。表3顯示了不同鋅粉的加入量對涂層的影響。