纳米二氧化硅在丙烯酸聚氨酯改性涂料中应用研究

孙娜，孙皓

（天津渤海职业技术学院，天津 300022）

本实验选用硅烷偶联剂KH-550[1]对纳米SO2进行表面修饰，并将其用于丙烯酸聚氨酯涂料，改性后的涂料根据国家标准[2]对涂层的防腐蚀性能进行测试。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验所用主要仪器：电子天平（上海精天电子仪器有限公司）、分散机、KQ-250DB型超声波发生器、拉力试验机、盐雾试验箱、湿热试验箱、DHG-9140A 型恒温烘箱。

纳米SO2：江苏南京；硅烷偶联剂KH-550；BYK-163分散剂；丙烯酸聚氨酯面漆稀释剂；环氧铁红防锈底漆。

1.2 实验方法

1.2.1 丙烯酸聚氨酯改性

以丙烯酸聚氨酯面漆的稀释剂作为分散纳米SO2的溶剂。在5个烧杯中分别加入所用纳米SO2质量分数为0，1%，2%，3%，4%，5%的硅烷偶联剂KH-550，加入分散剂后，用超声波超声分散30min，分散之后，加入相应的涂料中，搅拌一段时间，即得0～5#纳米二氧化硅改性的丙烯酸聚氨酯涂料。通过测定纳米二氧化硅粉体在涂料中沉降率的得到分散剂在涂料中适宜添加量。

1.2.2 涂层制备及性能测定

涂层的制备包括底材处理、涂料的施工和涂层固化。在经机溶剂除油、打磨除锈的马口铁板上，均匀涂刷环氧底漆，晾干，接着涂刷环氧云母中间漆，晾干，最后涂刷纳米改性丙烯酸聚氨酯面漆，将施工完毕的马口铁板在室温下放置24 h即可完全固化。

拉开附着力：按GB/T 5210—2006进行测试；柔韧性：按GB/T 1731—1993进行测试；耐冲击性：按GB/T 1732—1993进行测试。耐盐雾性：按GB/T 1771—2007进行测试；耐湿热性：按GB/T 1740—2007进行测试；耐水性：按GB/T 1731—2007进行测试。

2 结果与分析

2.1 纳米二氧化硅改性丙烯酸聚氨酯分析

2.1.1 分散剂用量对分散性影响(见图1)

实验采用沉降率[1]来表征分散效果，利用硅烷偶联剂KH-550对纳米二氧化硅进行改性，得出硅烷偶联剂KH-550的添加量对纳米SO2沉降率的影响关系，从图1中可以看出，随KH-550用量增加沉降率先增加后减小，当达到一定量时沉降率基本保持不变。这是因为KH-550水解后与纳米SO2表面的羟基相互作用，造成亲水性基团变为亲油性基团[3]。改性表面的存在改善了纳米SO2的分散性，但当KH-550用量过少时不能与羟基完全作用，改性效果不明显，沉降率低；用量过大时又造成了过饱和吸附团聚现象[4]，所以沉降率也增加。图1中实验结果表明当KH-550的添加量为纳米SO2用量为3%～5%时分散性最好，本次实验中采用硅烷偶联剂KH-550改性纳米SO2的添加量为4%。

图1 KH-550的添加量与沉降率关系

2.1.2 改性纳米SO2添加量对附着力影响（见图2）

随着纳米SO2的加入，涂层的湿膜附着力大幅增加，达到一定值后，附着力又逐渐降低。因为丙烯酸聚氨酯与基材的附着力主要是羟基的范德华力，当加入改性纳米SO2后，由于纳米效应，在涂层和基材间产生部分化学键，受水分子的影响很小，这就极大地提高了涂层的湿附着力。

2.1.3 纳米SO2添加量对耐冲击性影响

随着纳米SO2用量的增大，涂层的耐冲击性迅速增大，当纳米SO2用量达到树脂的2%～3%时，涂层耐冲击性达到最大值80～90cm，之后又降低。因为，纳米SO2改性后，丙烯酸聚氨酯分子链上引入了网状的硅氧硅（Si—O—Si）结构和硅氧（Si—O）柔性链段，所以涂膜柔韧性增强。当纳米SO2过量后，涂层又产生部分缺陷，导致涂层强度降低。

2.2 涂层性能分析

按照国家标准，对添加了纳米SO2的丙烯酸聚氨酯面漆进行机械性能和化学性能测定，测试结果如表1所示。添加少量纳米SO2后漆膜带有少量金属光泽，外观平整，具有较好成膜性；涂层力学性能优良，柔韧性、耐冲击性和附着力均达到国标要求；耐化学性能方面国标要求48h内无起皱、开裂，纳米SO2改性丙烯酸聚氨酯面漆均达到国标，并比不添加纳米二氧化，耐酸性更好。

图2 纳米二氧化硅添加量对涂层附着力影响

表1 纳米二氧化硅添加量对涂层耐化学性能测试

3 结论

3.1 利用硅烷偶联剂KH-550对纳米SO2进行改性，KH-550用量增加沉降率先增加后减小，当达到一定量时沉降率基本保持不变，当KH-550的添加量为纳米SO2用量为3%～5%时分散性最好。

3.2 添加了纳米SO2的丙烯酸聚氨酯面漆进行性能测定，经改性丙烯酸聚氨酯面漆机械性能和耐化学性能均达到国家标准。

［1］陈颖敏，侯玉婧，俞立.改性纳米二氧化硅用于丙烯酸聚氨酯防腐涂料[J].河北大学学报（自然科学版），2012，6(32)：613-619.

［2］李朝阳.纳米二氧化硅增韧改性环氧树脂的研究[D].武汉：机械科学研究总院武汉材料保护研究所，2007.

［3］田惠文.纳米SiO2改性环氧涂层防腐性能的研究[D].青岛：青岛科技大学，2009.

［4］刘国杰.纳米材料改性涂料[M].北京：化学工业出版社，2008.