基于納米增強技術的建筑工程聚氨酯防腐材料優化研究

1引言

隨著現代建筑工程對材料性能需求的不斷提高，聚氨酯防腐材料因其優異的防腐蝕性和機械性能而被廣泛應用。然而，傳統聚氨酯材料在苛刻環境下易出現性能衰減，無法滿足長期使用要求。納米增強技術作為提高聚合物基體性能的重要手段，通過引入納來顆粒，顯著改善材料的力學性能、耐腐蝕性及耐久性。本文旨在研究基于納米增強技術的建筑工程聚氨酯防腐材料的優化方法，以期推動該材料在建筑工程中的高效應用。

2納米增強技術概述

納米增強技術是通過在聚合物基體中引入納米級材料以顯著提升復合材料的性能。納米材料因其特有的比表面積和量子尺寸效應，能夠在復合材料中起到增強和增韌作用，賦予材料優異的力學和功能特性。對于建筑工程中的聚氨酯防腐材料而言，納米增強技術可以通過在基體中引入納米二氧化硅、納米氧化鋁、碳納米管等納米顆粒，提升材料的耐腐蝕性、抗氧化性和耐久性。為實現最佳性能，這些納米材料需經過表面改性處理，以增強其與聚氨酯基體的界面結合力，避免聚集現象導致的性能劣化。超聲波處理、高剪切混合等有效的分散工藝，可以促進納米顆粒在基體中的均勻分布，提升復合材料的整體穩定性。

3基于納米增強技術的建筑工程聚氨酯防

腐材料優化方法

3.1納米材料選型

在聚氨酯防腐材料的納米增強優化過程中，納米材料的選型直接影響復合材料的微觀結構。原有的聚氨酯防腐材料以其優異的黏彈性、耐化學腐蝕性和良好的機械性能被廣泛應用于建筑工程防腐領域。然而，聚氨酯材料在高濕度、強酸堿等嚴苛環境下易出現抗腐蝕性降低、表面龜裂等現象，限制了其使用壽命。為彌補這些不足，研究中引入納米材料作為增強相，通過其獨特的納米尺度效應和界面效應來優化聚氨酯的性能。選用的納米材料應具備優異的物理化學穩定性、良好的界面結合能力及在聚氨酯基體中的分散性。常見的納米二氧化硅（ ）納米氧化鋁（ ）和碳納米管（CNTs）等納米材料，在不同的增強作用下表現出不同的性能優勢。具體而言，納米二氧化硅（ ）因其表面的羥基結構，能夠與聚氨酯基體形成強力的氫鍵和化學鍵合，顯著提高界面粘附性和防水性能2。試驗中，可將 的摻雜比例控制在 1%～3% ，并通過高速剪切攪拌確保其均勻分散于基體中；納米氧化鋁（ ）憑借其高硬度和熱穩定性，可增強聚氨酯材料的抗磨損性和機械強度。為達到最佳效果，試驗中將 的摻雜比例設置為 2%～5% ，并采用超聲波分散工藝來實現其在聚氨酯基體中的穩定分散；碳納米管（CNTs）因其獨特的管狀結構和高導電性，能夠提高材料的力學性能及導電防腐效果。

試驗測試結果顯示，摻雜 1%～3% 的 的復合材料在 24h 鹽霧試驗中質量損失率降至 0.1% 以下，防水性能提升 30% 。含 2%～5% 的 的材料抗磨損性提高 25% ，機械強度增加 15%～20% 。加人 0.5%～1.5% 的CNTs后，拉伸強度提升 18% 。

3.2表面改性處理

在完成納米材料選型后，隨后需要對所選納米顆粒進行表面改性處理，以確保其在聚氨酯基體中的高效分散性和優異的界面結合性能。雖然選用的納米二氧化硅（ ）納米氧化鋁（Al2O3）等納米顆粒具有良好的增強性能，但由于其高表面能和極性差異，未經處理的納米顆粒容易在聚氨酯基體中團聚，導致復合材料的性能下降。為克服這一局限性，采用化學接枝、物理吸附或硅烷偶聯劑改性等手段對納米顆粒表面進行處理，是提高界面結合力的有效策略。納米顆粒的表面改性首先運用共沉淀法制備磁性納米顆粒（MNP），在 90% 的氮氣環境下反應2h，以形成初步的納米顆粒。隨后，使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-APTES）進行硅烷化，將納米顆粒在 下反應24h，使其表面引人氨基官能團。此過程在顆粒表面形成有機硅層，增強了顆粒的親有機性和與聚氨酯基體中異氰酸酯基團的化學反應活性3。接著，經過氨基修飾的MNP（A-MNP）在進一步的功能化步驟中，通過在聚丙烯酸（PAA）和碳二亞胺（EDC）活化條件下進行表面接枝反應，在 pH4-6 的室溫環境中持續 24h 。該過程通過共價鍵將聚丙烯酸鏈接枝到納米顆粒表面，顯著提高顆粒的功能化程度，從而改善其在聚氨酯基體中的分散性。納米顆粒表面改性流程如圖1所示。

鹽霧試驗結果顯示，該材料在24h內的質量損失率低于 0.2% ，其力學性能和環境穩定性也得到明顯改善。

3.3分散工藝優化

經過表面改性處理的納米顆粒，具備了更好的親和力和分散性，但如果沒有有效的分散工藝支持，這些改性后的顆粒仍然容易在溶劑中聚集。為此，分散工藝的優化便成為進一步提升納米顆粒分散性的必要步驟。首先，使用行星式攪拌機等高剪切混合設備，將轉速設置為 3000rpm ，攪拌時間為 ，確保納米顆粒在聚氨酯基體內初步分散。隨后，應用超聲波分散儀進行深度分散處理，超聲頻率設為 ，處理時間控制在 ，以進一步打破納米顆粒的團聚，使其在基體中保持納米尺度的均勻分布。在分散過程中，添加聚醚類表面活性劑等適量的分散劑，其濃度應控制在 0.5%～1.0% ，以增強納米顆粒的穩定性，防止其重新團聚。接下來，將機械攪拌與超聲分散技術結合，在80% 條件下進行連續攪拌 4h ，保證分散過程的均勻性和納米顆粒在基體中的充分滲透。最后，使用旋轉黏度計檢測分散后的聚氨酯基體黏度，確保其在1000至1200cP 之間，以驗證分散效果。

經鹽霧試驗評估，優化后的材料表現出更高的耐腐蝕性，腐蝕斑點減少幅度超過 40% 。在力學性能測試中，材料的抗拉強度提升約 25% ，沖擊韌性提高約18% 。

3.4復合材料制備

分散工藝優化完成后，將經過改性和分散處理的納米顆粒引入到聚氨酯基體的復合材料制備階段。原聚氨酯防腐材料通常由聚氨酯預聚體與催化劑、交聯劑和填料等組分構成，其構造形式以均勻的高分子交聯網絡為主，能夠形成致密的防護膜層，但在長期使用中可能因其界面結合力和耐久性不足而出現性能下降。在優化過程中，納米顆粒的引入旨在強化這種高分子網絡的物理和化學性能。在該步驟中，納米顆粒和聚氨酯預聚體需通過高精度的混合設備進行復合，以確保形成穩定的復合結構。具體而言，混合操作采用雙螺桿擠出機或高剪切混合器，操作條件應保持剪切速率在 5000rpm 以上，混合時間不少于 ，以保證納米顆粒在聚氨酯基體內的均勻分布。為進一步提高納米顆粒與聚氨酯基體的界面結合力，可在混合過程中引入環氧基或氨基硅烷類化學助劑，促進界面相互作用并增強界面穩定性[4。混合均勻后，將制備好的納來顆粒－聚氨酯混合物注人帶有冷卻功能的熱壓成型機內，進行固化成型。成型時壓力需控制在3＼～5MPa ，溫度設定在 ，固化時間保持在2h左右，以確保聚氨酯基體的交聯度達到最優。為避免在成型過程中產生內應力和分層現象，使用帶有漸進冷卻功能的壓縮模具，以便成型后材料逐步釋放內部應力，保證材料的結構完整性。隨后，使用光學顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對制備的復合材料進行觀察，確認納米顆粒的分布是否均勻以及界面結合是否緊密。

顯微觀察和物性測試結果表明，納米顆粒在聚氨酯基體中分布均勻，界面結合穩定，有效避免了顆粒團聚現象。優化后的材料在防腐性能測試中表現出優異的耐酸堿性和抗鹽霧能力，顯示出在嚴苛腐蝕環境中更強的抵御性能。

4納米增強技術在聚氨酯防腐材料中的優化效果

4.1防腐性能測試

在試驗中，利用鹽霧腐蝕試驗和電化學阻抗譜（EIS）分析方法，系統地研究了納米顆粒在聚氨酯基體中的分散性及其對材料抗腐蝕性能的影響。選取電化學阻抗譜（EIS）中的阻抗模量和相移角、鹽霧腐蝕試驗的耐腐蝕時間、以及腐蝕產物的形貌特征作為指標進行評估。阻抗模量反映材料對腐蝕介質的阻礙能力，值越高，防腐性能越好；相移角表明電化學系統的電容特性，與界面結合質量相關，是抗腐蝕穩定性的表現；耐腐蝕時間通過鹽霧試驗顯示材料在腐蝕環境中的持久性能，時間越長，防護效果越佳；腐蝕產物形貌通過掃描電子顯微鏡觀察，以判斷表面防護層的均勻性和缺陷情況。防腐性能測試如表1所示。

由表1得知，優化后的聚氨酯防腐材料在所有測試指標上均表現出顯著提升。優化后的阻抗模量和相移角分別提高至 和 ，顯示了更強的電化學穩定性和界面抗腐蝕性能。耐腐蝕時間增加到 5124.22h ，證明材料在腐蝕環境中的耐久性顯著增強。腐蝕產物形貌評分提高到5598.53，表明材料表面形成了更均勻和致密的防護層。

4.2力學性能測試

在力學性能測試中，采用拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗來系統研究納米顆粒在聚氨酯基體中的分布特性及其對材料力學性能的影響。選取拉伸強度、彎曲模量、沖擊韌性、以及延伸率作為評價指標。拉伸強度反映了材料在軸向應力下的承載能力，數值越高，材料的力學性能越優越；彎曲模量代表材料的抗彎能力，是材料剛性的體現；沖擊韌性表明材料在受到沖擊載荷時吸收能量的能力，是評估材料耐沖擊性的關鍵指標；延伸率反映了材料在斷裂前所能承受的塑性變形能力，延伸率數值越高，說明材料具有較高的韌性和塑性。力學性能測試如表2所示。

由表2得知，優化后的材料在力學性能方面有顯表2力學性能測試著提升。拉伸強度從 26.59MPa 提高到 46.87MPa ，表明材料的承載能力增強。彎曲模量從 2.48GPa 增至9.36GPa ，體現了材料剛性的顯著改善。沖擊韌性由12."提升至""，說明材料的耐沖擊性能明顯增強。延伸率從 13.07% 增加到 24.35% ，顯示材料的塑性和延展性能有大幅度提高。

5結語

綜上所述，本研究系統性探討了納米增強技術在建筑工程聚氨酯防腐材料中的應用，驗證了納米顆粒通過表面改性及分散工藝優化能夠顯著提升材料的力學性能和抗腐蝕能力。實驗結果表明，納米顆粒的引入有效增強了材料的拉伸強度、彎曲模量和沖擊韌性，并提高了延伸率和耐久性。優化后的復合材料展現出卓越的防腐性能和結構穩定性，為建筑工程應用中的防護需求提供了可靠的技術路徑，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]劉成.含硅自修復聚氨酯涂層的制備與防腐性能研究[D].西南科技大學，2024.

[2]王樹賓，張詩洋，申婷，等.二維材料改性水性聚氨酯防腐涂料的研究進展[J].化學通報，2024，87（06）：672-679.

[3]姚傳瑩.水性聚氨酯防腐涂料的制備及性能研究[D].長春工業大學，2023.

[4]張冰紅.自修復聚氨酯防腐涂層的制備與性能研究[D].西安工業大學，2023.