納米SiO2填料對低表面能有機硅防污涂料性能的影響

祁凱月，溫淏森，劉元偉，陳 宇

( 濱州學院 化工與安全學院，山東 濱州 256600)

為了防止海洋生物在船體表面上的附著，在船體表面涂裝低表面能涂料是一種既高效又便捷的方法[1-5]。 低表面能材料由于具有低的表面能，高雙疏(疏水、疏油)性、不黏性和耐候性等使其材料表面與液體的接觸角大，污物附著力小，廣泛應用在航空航天、印刷、生物化學、環境防污與海洋防污等領域[6-9]。防污涂層是低表面能涂層聚合物最為重要的一個應用領域，涂層聚合物的低表面能性質使污物在涂層表面附著困難，即使有附著，附著強度也不大；此外低表面能防污涂層聚合物不具有毒性，有效期長，是取代傳統毒殺型防污涂料的一個重要方向[10-12]。

本文利用自由基反應合成具有低表面能性質的有機硅丙烯酸樹脂(基料)，研究納米SiO2粒子用量對涂膜性能的影響規律，為聚硅氧烷改性聚氨酯涂層聚合物的分子設計提供依據。

1 試驗

1.1 低表面能涂料的制備

在裝有冷凝管、溫度計的三口燒瓶中加入定量的二甲苯溶劑，升溫至85 ℃，在2 h內分批加入一定量的丙烯酸類單體、有機硅單體和引發劑的混合物，滴加過程中保持攪拌、且保持溫度在80～90 ℃；滴加完畢后保溫反應2 h。然后加入一定量的固化劑與催化劑，保溫0.5 h后結束反應，得到所需要的目標樹脂，涂在打磨過的Q235鋼板上、室溫干燥。

1.2 結構表征及力學性能測試

采用NICOLET380型傅里葉變換紅外光譜儀對得到的有機硅改性丙烯酸樹脂進行紅外光譜測試，利用JC2000DF型接觸角測量儀在室溫下對試樣進行靜態接觸角測試，采用百格法對涂層的附著力性能進行了力學測試。

2 試驗結果與討論

2.1 紅外光譜結構表征

本實驗對制得有機硅改性丙烯酸樹脂的基料進行了紅外結構表征，結果如圖1。

通過圖1的紅外光譜圖可以看出較單純丙烯酸樹脂的紅外光譜出現了新的峰，通過有機硅單體改性過后的丙烯酸樹脂在800 cm-1處出現了Si-C的吸收峰，在1000 cm-1附近出現了Si-O的吸收峰。這說明有機硅和丙烯酸樹脂發生了反應，丙烯酸的雙鍵結構打開，并成功"嫁接"到有機硅的結構上。

圖1 有機硅改性丙烯酸樹脂的紅外光譜圖

2.2 合成有機硅改性丙烯酸樹脂涂層單因素實驗研究

2.2.1 丙烯酸添加量對涂層性能的影響

當基料為21 g時，在固定其他實驗條件不變的條件下，僅改變丙烯酸單體的含量。結果見圖2。

圖2 丙烯酸添加量對涂層接觸角的影響

采用百格法對涂層的附著力性能進行了力學測試；每個樣品平均測量3次，取平均值。實驗結果見表1。

表1 丙烯酸添加量對涂層附著力的影響

由表1可以看出，隨著丙烯酸添加量的增加，接觸角先增加后減小，附著力逐漸增加，這是因為丙烯酸單體中羧基可以較好的與金屬基體鍵合，進而提高有機硅樹脂與Q235碳鋼的結合力。

2.2.2 納米SiO2添加量對涂層性能的影響

在合成有機硅樹脂過程中，添加0.5 g丙烯酸，考察不同含量的納米SiO2顆粒對涂層接觸角與附著力的影響，見圖3與表2。

圖3 納米SiO2 添加量對涂層接觸角的影響

由圖3可知，與未添加納米SiO2相比，添加納米SiO2涂層的接觸角明顯增大，隨著納米SiO2添加量由4 %到12 %，接觸角隨之增加，當納米SiO2添加量為12 %時，接觸角達到最大值為150。然而當添加量超過12 %后，涂層的接觸角隨著納米SiO2添加量增加略有下降，其原因可能是由于過多的納米粒子發生團聚，影響基料的連續成膜，涂膜出現粉化現象。

表2 不同添加量15 nm納米SiO2 對涂層性能的影響 Table 2 The influence of the nano-SiO2 on adhesio

2.2.3 環氧樹脂含量對涂層力學性能的影響

當基料為21 g時，在固定其他實驗條件不變的條件下，考察合成過程中環氧樹脂的添加量對涂層性能的影響，結果見圖4與表3。由表3可以，隨著環氧樹脂添加量的增大，涂層的附著力及硬度均有提高，但接觸角略有下降，超過1.57 %后，接觸角下降較多。

表3 不同環氧樹脂添加量對涂層性能的影響

圖4 環氧樹脂添加量對涂層接觸角的影響

2.3 正交試驗

表4為正交實驗的測試結果，由極差分析可知R1>R2>R3>R4，即影響接觸角因素次序：丙烯酸含量>SiO2>甲苯含量>環氧含量。最優合成條件為：SiO2用量為1.92 g、丙烯酸用量為1 g、環氧樹脂為2.5 g、甲苯用量為9.6 g。

表4 正交實驗結果

表4(續)

3 結論

(1) 當有機硅樹脂合成過程中加入丙烯酸與環氧樹脂可以提高樹脂的附著力，由粉化現象提高到4級。

(2) 納米SiO2用量對涂膜靜態水接觸角影響較大，當其用量為12%時，涂膜的接觸角可達150。

(3)通過正交試驗獲得納米SiO2改性有機硅樹脂的最佳條件為SiO2用量為1.92 g、丙烯酸用量為1 g、環氧樹脂為2.5 g、甲苯用量為9.6 g。