纳米SiO2/TiO2掺杂的有机硅防污涂料的研究

2019-07-05祁凯月孟沛然杜清华刘元伟

山东化工 2019年12期

宣博，向田，祁凯月，孟沛然，杜清华，陈宇，刘元伟

( 滨州学院化工与安全学院，山东滨州 256600)

相比于铁路、公路及航空运输，水路运输在节约能源方面有着明显的优势。然而，海水中有大量的微生物，也有部分海洋动物和植物，它们会在海水中的金属表面吸附，并且生长繁殖，这些吸附在金属表面的海洋生物会对船舶产生极为不利的影响，如增大阻力，增加磨损等[1-3]。为了阻止或者减缓海洋生物在金属表面吸附，比较常用的方法就是将防污涂料涂装在水下设备的表面，来减缓或阻止海洋生物在金属表面的吸附[4-5]。天然防污涂料离实际的应用还有很大的距离。相对于天然防污涂料，低表面能防污涂料因其可以在很大程度上抑制海洋生物的附着，且无毒副作用的优势，具有广泛的应用前景[6-7]。

有机硅系列防污涂料具有较低的表面能[8]，其性能由于基料的不同也有很大差异，例如以硅橡胶为基料制成的防污涂料，虽然表面能很低，但是其附着力差，而且制备成本较高，实际应用难[9]。有机氟系列低表面能涂料具有优异的耐候性、耐久性、耐化学药品性、防腐性和绝缘性[10]。但是氟碳树脂是刚性聚合物，表面污损生物的脱落需要较高的能量，同时有机氟防污涂料的研制难度要比有机硅防污涂料大得多，且成本很高，因而并未在实际的生产中推广开来[11]。

本文首先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)，然后考察纳米SiO2和纳米TiO2添加量的比例对复合涂层静态水接触角和力学性能的影响，并进一步研究复合涂层的耐蚀性能，从而获得兼具防污和耐蚀性能的复合涂层。

1 试验

1.1 低表面能涂料的制备

在三口烧瓶中加入一定量的二甲苯溶剂，电加热升温至85 ℃，在2 h内分批加入一定量的丙烯酸、丙烯酸正丁酯和甲基丙烯酸甲酯单体、有机硅单体和引发剂的混合物，在滴加过程中保持磁力搅拌、且反应温度维持在80～90 ℃；滴加完毕后继续反应2 h。然后加入一定量的端羟基硅烷与催化剂，保温0.5 h后结束反应，从而制备得到有机硅改性丙烯酸树脂。

根据一定的比例，将有机硅改性丙烯酸树脂、纳米SiO2和纳米TiO2颗粒和二甲苯溶剂等加入球磨机中，在230 r/min转速下球磨分散4 h后喷涂在Q235碳钢上，待固化7天后进行后续测试。

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，测试波数范围在400～4000cm-1，通过JC2000DF型接触角测量仪在室温下对不同配比制备的试样进行静态接触角测试，液滴体积为2 μL，对同一个试样不同部位多次测试以求取平均值。采用百格法对涂层的附着力性能进行了力学测试，通过铅笔硬度法测试涂层的硬度。

1.3 盐雾试验

所用的溶液为配制的质量分数为5%的氯化钠溶液，盐雾试验温度设定为35℃，喷雾方式为连续喷雾，喷雾压为100kPa。

2 试验结果与讨论

2.1 红外光谱结构表征

纯丙烯酸树脂和有机硅改性的丙烯酸树脂的红外光谱测试结果如图1所示。由图可知，经过有机硅单体改性过后的丙烯酸树脂出现了新的红外特征峰，其中800 cm-1对应着Si-C的吸收峰，在1000 cm-1则对应着Si-O的吸收峰。说明有机硅和丙烯酸树脂发生了聚合反应，此方法成功制备得到有机硅改性的丙烯酸树脂。

图1 有机硅改性丙烯酸树脂的红外光谱图

2.2 接触角测试

图2 不同纳米二氧化钛含量的涂层的接触角测试结果

采用接触角测试仪测试掺杂不同配比纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的铁片的接触角。如图2和图3所示，当固定12%二氧化硅含量不变，涂层接触角起初随二氧化钛含量的增大而增大，当含量超过8%时，接触角开始减小，且出现粉化。固定8%二氧化钛含量时，逐渐增大二氧化硅的含量，接触角逐渐增大，当二氧化硅含量大于8%时开始出现粉化。因此认为，8%∶ 8%是纳米二氧化硅与纳米二氧化钛的最佳配比。

图3 不同纳米二氧化硅含量的涂层的接触角测试结果

2.3 涂层力学性能测试

表1 涂层力学性能测试结果

如表2：0号为没有添加任何纳米颗粒的样品。由上表可知：添加纳米颗粒的涂层的附着力大于没有添加任何纳米颗粒的样品，当固定纳米二氧化硅含量为12%时，随着纳米二氧化钛加入量增大，附着力先增大后减小。当固定纳米二氧化钛含量为8%时，逐渐增加纳米二氧化硅的含量，附着力变化并不明显。相比于0号未添加纳米颗粒的样品，添加纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的涂料喷涂的铁片其硬度良好，均为6H以上。干燥后的涂层厚度集中在68 μm到79 μm之间，平均厚度约为74 μm。