纳米SiO2填料对低表面能有机硅防污涂料性能的影响

祁凯月，温淏森，刘元伟，陈 宇

( 滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州 256600)

为了防止海洋生物在船体表面上的附着，在船体表面涂装低表面能涂料是一种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，高双疏(疏水、疏油)性、不黏性和耐候性等使其材料表面与液体的接触角大，污物附着力小，广泛应用在航空航天、印刷、生物化学、环境防污与海洋防污等领域[6-9]。防污涂层是低表面能涂层聚合物最为重要的一个应用领域，涂层聚合物的低表面能性质使污物在涂层表面附着困难，即使有附着，附着强度也不大；此外低表面能防污涂层聚合物不具有毒性，有效期长，是取代传统毒杀型防污涂料的一个重要方向[10-12]。

本文利用自由基反应合成具有低表面能性质的有机硅丙烯酸树脂(基料)，研究纳米SiO2粒子用量对涂膜性能的影响规律，为聚硅氧烷改性聚氨酯涂层聚合物的分子设计提供依据。

1 试验

1.1 低表面能涂料的制备

在装有冷凝管、温度计的三口烧瓶中加入定量的二甲苯溶剂，升温至85 ℃，在2 h内分批加入一定量的丙烯酸类单体、有机硅单体和引发剂的混合物，滴加过程中保持搅拌、且保持温度在80～90 ℃；滴加完毕后保温反应2 h。然后加入一定量的固化剂与催化剂，保温0.5 h后结束反应，得到所需要的目标树脂，涂在打磨过的Q235钢板上、室温干燥。

1.2 结构表征及力学性能测试

采用NICOLET380型傅里叶变换红外光谱仪对得到的有机硅改性丙烯酸树脂进行红外光谱测试，利用JC2000DF型接触角测量仪在室温下对试样进行静态接触角测试，采用百格法对涂层的附着力性能进行了力学测试。

2 试验结果与讨论

2.1 红外光谱结构表征

本实验对制得有机硅改性丙烯酸树脂的基料进行了红外结构表征，结果如图1。

通过图1的红外光谱图可以看出较单纯丙烯酸树脂的红外光谱出现了新的峰，通过有机硅单体改性过后的丙烯酸树脂在800 cm-1处出现了Si-C的吸收峰，在1000 cm-1附近出现了Si-O的吸收峰。这说明有机硅和丙烯酸树脂发生了反应，丙烯酸的双键结构打开，并成功"嫁接"到有机硅的结构上。

图1 有机硅改性丙烯酸树脂的红外光谱图

2.2 合成有机硅改性丙烯酸树脂涂层单因素实验研究

2.2.1 丙烯酸添加量对涂层性能的影响

当基料为21 g时，在固定其他实验条件不变的条件下，仅改变丙烯酸单体的含量。结果见图2。

图2 丙烯酸添加量对涂层接触角的影响

采用百格法对涂层的附着力性能进行了力学测试；每个样品平均测量3次，取平均值。实验结果见表1。

表1 丙烯酸添加量对涂层附着力的影响

由表1可以看出，随着丙烯酸添加量的增加，接触角先增加后减小，附着力逐渐增加，这是因为丙烯酸单体中羧基可以较好的与金属基体键合，进而提高有机硅树脂与Q235碳钢的结合力。

2.2.2 纳米SiO2添加量对涂层性能的影响

在合成有机硅树脂过程中，添加0.5 g丙烯酸，考察不同含量的纳米SiO2颗粒对涂层接触角与附着力的影响，见图3与表2。

图3 纳米SiO2 添加量对涂层接触角的影响

由图3可知，与未添加纳米SiO2相比，添加纳米SiO2涂层的接触角明显增大，随着纳米SiO2添加量由4 %到12 %，接触角随之增加，当纳米SiO2添加量为12 %时，接触角达到最大值为150。然而当添加量超过12 %后，涂层的接触角随着纳米SiO2添加量增加略有下降，其原因可能是由于过多的纳米粒子发生团聚，影响基料的连续成膜，涂膜出现粉化现象。

表2 不同添加量15 nm纳米SiO2 对涂层性能的影响 Table 2 The influence of the nano-SiO2 on adhesio

2.2.3 环氧树脂含量对涂层力学性能的影响

当基料为21 g时，在固定其他实验条件不变的条件下，考察合成过程中环氧树脂的添加量对涂层性能的影响，结果见图4与表3。由表3可以，随着环氧树脂添加量的增大，涂层的附着力及硬度均有提高，但接触角略有下降，超过1.57 %后，接触角下降较多。

表3 不同环氧树脂添加量对涂层性能的影响

图4 环氧树脂添加量对涂层接触角的影响

2.3 正交试验

表4为正交实验的测试结果，由极差分析可知R1>R2>R3>R4，即影响接触角因素次序：丙烯酸含量>SiO2>甲苯含量>环氧含量。最优合成条件为：SiO2用量为1.92 g、丙烯酸用量为1 g、环氧树脂为2.5 g、甲苯用量为9.6 g。

表4 正交实验结果

表4(续)

3 结论

(1) 当有机硅树脂合成过程中加入丙烯酸与环氧树脂可以提高树脂的附着力，由粉化现象提高到4级。

(2) 纳米SiO2用量对涂膜静态水接触角影响较大，当其用量为12%时，涂膜的接触角可达150。

(3)通过正交试验获得纳米SiO2改性有机硅树脂的最佳条件为SiO2用量为1.92 g、丙烯酸用量为1 g、环氧树脂为2.5 g、甲苯用量为9.6 g。