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文档简介

1、自清洁粉末涂料的研制自清洁粉末涂料的研制 晁兵晁宇倪雅刘国彬 (江苏中矿大正表面工程技术有限公司 徐州市表面工程技 术研究中心, 221008 )0 引言 当前自清洁涂料的研究与应用已取得了显著成果。日本是世 界上较早开展纳米粒子光催化活性及用于涂层自清洁、抗菌 功能研究的国家之一, 20 世纪 90 年代即实现在陶瓷、玻璃 等材料上的工业应用 1。我国中科院化学所江雷研究员首 创二元协同原理,研制成超双疏 /双亲材料2,并成功用于 高档领带、丝巾(艾利特服装公司) 、羊绒制品(鄂尔多斯 集团)、西服(杉杉集团)等产品上,超双亲自清洁涂料也 被国家大剧院工程采用。从 2000 年开始 3,复旦

2、大学武 利民教授根据荷叶的自清洁原理,选用不同结构、形状的无 机颗粒材料进行疏水改性,制备成涂层表面具有类似荷叶凹 -凸形貌的新型涂料,在上海闵行区浦江镇世博会动迁工程、 徐家汇下立交重点工程墙面防护中获得成功应用,使用效果 良好。这些研究成果都激励和促进了粉末涂料技术人员研究 自清洁粉末涂料的积极性。 1 涂层自清洁原理现行亲水性定义为4-5 :正常水接触角e <10<5为超亲水,B >90为疏水,e >150为超疏水。目前涂层 自清洁机理主要有以下几种:超疏水、超亲水、超双疏和超 双亲等,其中超疏水与超双疏机理主要用于涂料行业;超亲 水与超双亲则主要用于自清洁玻璃、

3、陶瓷等工业。1.1 超疏水原理 利用纳米粒子的小尺寸效应,在涂层表面形成一层超疏水层, 空气中的无机灰尘一般具有一定极性,在超疏水表面不能形 成强烈吸附, 极易被雨水冲刷掉; 即使涂层上被有机物吸附, 也可以利用纳米粒子超强的光催化活性,最终将有机物分解 成 CO2 、H2O 、 H2SO4 、HNO3 等易冲刷物质。该涂层表 面结构及自清洁原理与荷叶类似,能保证涂层表面清洁如新。1.2 超双疏原理 涂层表面形成纳米尺寸几何形状互补(如凸与凹相间)的界 面结构,由于纳米尺寸低凹的表面可使吸附气体分子稳定存 在,相当于在宏观表面上有一层稳定的气体薄膜,使油或水 无法与材料的表面直接接触,从而使材

4、料表面呈现超常的双 疏性 2 。2 实验部分2.1 活性纳米 Al2O3 微粒的制备将纳米 Al2O3 粉体分散在无水乙醇中, 加入纳米粉质量 1.5% 的蒸馏水,用稀盐酸调 pH 值为 5,加入 4% (质量分数)全氟辛基-三乙氧基硅烷,搅拌下加热回流反应2 h,再加入 2% (质量分数)环氧基硅烷偶联剂,继续回流反应2 h减压蒸馏除去体系中的溶剂和水,干燥后制得具有反应活性 的纳米 Al2O3 微粒。2.2 自清洁聚酯粉末涂料的熔融挤出制备将活性纳米 Al2O3 微粒与聚酯树脂、固化剂、流平剂、颜 填料、助剂等按一定比例称量, 加到高速混合机中混合 510 min ,采用双螺杆挤出机熔融挤

5、出, 经压片, 破碎,筛分后, 制得自清洁粉末涂料。2.3 自清洁聚酯粉末涂料的干混制备 先将聚酯树脂、固化剂、流平剂、颜填料、助剂等按一定比 例称量,加到高速混合机中混合 25 min ,采用双螺杆挤出 机熔融挤出, 经压片, 破碎,筛分后,制得纯聚酯粉末涂料; 再将活性纳米 Al2O3 微粒、纯聚酯粉末涂料、分散助剂按 比例称量,加到干混设备中进行固相复合反应,高速分散 510 min ,冷却,筛分,制得自清洁粉末涂料。3 结果与讨论3.1 试验结果采用 JSM-5600 型扫描电子显微镜进行扫描电子显微镜 (SEM )表征;采用 BM300 型(日本)接触角测定仪测定 水与涂层表面的接触

6、角;采用 PHI5702 型 X- 射线电子能谱 (XPS )仪对涂层表面的化学组成进行表征;涂层厚度、光 泽度、耐冲击性等性能按照现行国标要求进行测定。表 1 为干混工艺下活性纳米 Al2O3 微粒用量与涂层表面接 触角的对应关系;表 2 为活性纳米 Al2O3 微粒添加前后粉 末涂层的物理机械性能对比; 图 1 为干混工艺制得的自清洁 粉末涂层 SEM 图像;图 2 为自清洁涂层上水滴和油滴的形 态图;图 3 为自清洁涂层表面的 X- 射线光电子能谱图 6-7 3.2 粉末涂料生产工艺对性能的影响 试验过程中发现:采用熔融挤出工艺制备自清洁粉末涂料, 活性纳米 Al2O3 微粒用量较小时,

7、粉末涂层的物理机械性 能较好, 但疏水性较差; 活性纳米 Al2O3 微粒用量大于 30% 时,涂层才具有一定的疏水性,但涂层的物理机械性能大大 下降,甚至出现涂层不连续现象。 采用干混工艺制备粉末涂料效果较好, 纳米 Al2O3 微粒用量 可大幅减少,而涂层常规的物理机械性能则有了良好保证。 干混工艺既可使纳米 Al2O3 微粒均匀分散,也能保证粉末 涂料熔融固化成膜过程中纳米微粒向涂层表面的聚集与排 列组合。3.3 纳米 Al2O3 微粒用量对涂层疏水性的影响 由表 1 可以看出:在试验工艺下,随着纳米 Al2O3 微粒用 量的增加,涂层的水接触角迅速增大, Al2O3 用量达 10% (

8、质量分数)时水接触角达到最高,随后小幅下降。这说明 纳米 Al2O3 微粒的存在是涂层呈现疏水性的关键,但过量 的纳米 Al2O3 微粒,则破坏了聚酯与固化剂的成膜反应。 可以通过正交等试验,均衡涂层的疏水性与物理机械性能, 确定纳米 Al2O3 微粒用量的最佳点。3.4 涂层表面的微观状态及性能图 1 表明:涂层表面被纳米 Al2O3 微粒均匀覆盖,具有仿 荷叶表面结构的微观构造; 从图 3 可以看出: 涂层对钢铁基 材的覆盖很好,没有任何 Fe 信号,强的 F 信号说明,涂层 表面富集氟硅烷、密布活性纳米 Al2O3 微粒,这些也从涂 层的表面微观结构上揭示了涂层的超疏水性。3.5 涂层物理机械性能表 2 数据表明:添加适量纳米 Al2O3 微粒并没有降低涂层 的主要物理机械性能,但对涂层的外观、表面光泽度有明显 影响,这与纳米粒子的小尺寸效应有直接关系。对涂层进行 耐刮擦试验时发现:涂层表面的纳米结构极易遭到破坏,直 接表现是涂层疏水性降低甚至消失,与早期疏水性涂层遭到 水流强烈冲刷、人工揉擦后疏水性消失类似。这说明自清洁 粉末涂层表面的纳米微粒与树脂基料缺少牢固结合,涂层的 柔韧性、表面硬度等性能偏低,还需要通过进一步的试验来 改进。4 结语 在液体自清洁涂料研究与应用取得重大成果的促进下,笔者 与正菱公司对自清洁粉末涂料进

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