纳米二氧化硅对环氧涂料性能的影响探讨

高慧妍 （沈阳科技学院，辽宁沈阳 110000）

0 引言

环氧涂料优点为耐腐蚀、耐酸碱、洁净、环保，但普通环氧涂料具有以下缺点：耐磨损性并不理想，在有水的场合更易磨花，抗沾污性、耐车轮黑印较差。在环氧涂料中引入纳米二氧化硅后，能有效克服这些缺点，特别是能非常明显地增加涂料的综合力学性能和抗温性［1-4］。

我国是涂料生产和消费大国，但当前国产涂料普遍存在着性能方面，如悬浮稳定性、触变性、耐候性、耐洗刷性等的不足，致使每年需进口大量高质量的涂料。近年来，随着涂料技术的不断提升，一些涂料生产企业已成功地实现了纳米二氧化硅在涂料中的应用，这种纳米改性涂料一改以往传统产品的不足，其主要性能指标均有所提高，此外涂膜与墙体结合强度大幅提高，涂膜硬度显著增加，表面自洁能力也得到改善［5-8］。

本研究采用纳米二氧化硅对环氧涂料进行改性，并且通过红外光谱分析、漆膜附着力试验、漆膜耐冲击力测定、漆膜的硬度测试、漆膜的耐热性试验等，对试样样品的性能和机理进行初步探讨［9-11］。

1 试验部分

1.1 原材料与仪器设备

原材料：E-44环氧树脂，分析纯，南通星辰合成材料有限公司；低相对分子质量聚酰胺复合固化剂，分析纯，天津燕海化学有限公司；纳米二氧化硅，分析纯，上海紫衣试剂厂；助剂、分散剂、增稠剂、消泡剂，分析纯，山东宏祥化工有限公司。

仪器设备：搅拌器（DF-101S），山东诺明仪器有限公司；铅笔硬度计（QHQ），中科路达试验仪器有限公司；漆膜附着力测试仪（QFH），艾瑞普商贸有限公司；弹性试验器（QTX），北京卓川科技有限公司；弯曲试验器（QTY-32），达标仪器设备有限公司；傅里叶红外光谱仪（Bio-Rad FTS），金程仪器有限公司。

1.2 样品的制备

1.2.1 环氧涂料基础配方

环氧涂料的基础配方见表1。

表1 环氧涂料的基础配方Table 1 The basic formula of epoxy coatings

1.2.2 纳米二氧化硅改性环氧涂料的制备

将纳米SiO2加入到一定量的分散剂溶液中，磁力搅拌15 min后，再进行超声分散30 min；按表1所示的配方，分别加入分散剂、消泡剂、颜填料。将所得混合物料充分研磨，转速为2 000 r/min，在研磨过程中，加入增稠剂，分散混合30 min后制得颜料浆；在400 r/min的低转速下继续研磨，并加入成膜助剂。最后加入E-44环氧树脂，继续分散30 min后得到混合物料。将制得的混合物料过滤，即得到纳米二氧化硅改性环氧涂料A组分。

1.2.3 纳米二氧化硅改性环氧涂层的制备

将碳钢片（规格为50 mm×50 mm×5 mm）用400#砂纸去掉表面保护层，再用乙醇（分析纯）除水，将纳米二氧化硅改性环氧涂料A组分与B组分充分混合，采用刷涂法将混合物均匀地涂覆在处理好的碳钢片上，涂层总厚度为（50±5）μm，将试片放在通风阴凉处，24 h后涂层完全固化。

1.3 涂料样品结构表征及漆膜性能测试

1.3.1 样品的结构表征

采用PerkinElmer公司生产的傅里叶红外光谱仪对样品进行结构分析。

1.3.2 漆膜的性能测试

按标准GB 1727—1992《漆膜一般制备法》对漆膜进行附着力测试；根据标准GB/T 1732—2020《漆膜耐冲击测定法》对漆膜进行耐冲击性试验；根据标准GB/T 1735—2009《色漆和清漆耐热性的测定》对漆膜进行耐热性试验；根据标准GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》对漆膜进行硬度试验。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为未改性的环氧涂料红外谱图。

图1 未改性的环氧涂料红外谱图Figure 1 Infrared spectrum of epoxy coatings without modification

由图1可见，在2 936 cm-1和2 877 cm-1处为C—H键的伸缩振动峰，2 962 cm-1为亚甲基（—CH2—）的伸缩振动吸收峰，912 cm-1处为环氧基团的不对称伸缩振动峰。

图2为纳米二氧化硅改性环氧涂料的红外谱图。

图2 纳米二氧化硅改性环氧涂料的红外谱图Figure 2 Infrared spectrum of epoxy coatings modified with nano silica

由图2可见，在3 500 cm-1处附近存在较宽的吸收峰，为Si—OH键和N—H键等吸收峰的叠加。2 935 cm-1和2 853 cm-1处为C—H键的伸缩振动峰。1 608 cm-1与1 459 cm-1处为环氧基团上苯环的骨架振动峰。1 363 cm-1处为C—N键的伸缩振动峰，这表明聚酰胺树脂与环氧树脂混合物发生交联固化反应。1 250 cm-1处附近为环氧树脂中聚醚的吸收峰，1 040 cm-1和850 cm-1处对应Si—O—C键的伸缩振动峰，这表明纳米二氧化硅加入环氧体系后形成了致密的聚合物网络。

2.2 纳米二氧化硅对涂层附着力的影响

表2为不同纳米二氧化硅的添加量对涂层附着力的影响。

表2 不同纳米二氧化硅的添加量对涂层附着力的影响Table 2 The effects of the different nano-silica dosages on the coating’s adhesion

由表2可见，加入纳米二氧化硅粒子后，与涂层形成了致密的网状结构，树脂分子间的相互作用力增强，漆膜附着力提升，漆膜附着力在纳米二氧化硅的质量分数为5 %时达到最大。而纳米二氧化硅过量后会阻碍树脂分子与金属基体的接触，反而造成附着力下降。故当纳米二氧化硅的质量分数为5 %时，漆膜的附着力最好。

2.3 纳米二氧化硅对涂层耐冲击性能的影响

表3为不同纳米二氧化硅的添加量对涂层耐冲击性能的影响。

表3 不同纳米二氧化硅的添加量对涂层冲击性能的影响Table 3 The effects of the different nano-silica dosages on the coating’s impact resistance

由表3可见，当纳米二氧化硅的质量分数为4 %～5 %时，涂层的耐冲击性较高。涂层耐冲击性能得到提升是因为纳米粒子既具有较大的比表面积，又具有良好的分散性，这使得纳米粒子与树脂分子间相容性较好，形成内部网状结构，使涂层的交联密度增大。

2.4 纳米二氧化硅对涂层硬度的影响

表4为不同纳米二氧化硅的添加量对涂层硬度的影响。

表4 不同纳米二氧化硅的添加量对涂层硬度的影响Table 4 The effects of the different nano-silica dosages on the coating’s hardness

由表4可见，随着纳米二氧化硅添加量的增加，涂层硬度也随之提升。当添加质量分数为5 %的纳米二氧化硅后，涂层的硬度为4H，而随着纳米二氧化硅的添加量继续增加，涂层硬度则降低，故当纳米二氧化硅的添加量为5 %时，涂层的硬度最大。

2.5 纳米二氧化硅对涂层耐热性的影响

以聚酰亚胺为固化剂时，研究不同添加量的纳米二氧化硅对涂层耐热性的影响。结果显示，将试片在60 ℃、80 ℃下分别加热4 h后，涂层完好，无变色或开裂现象发生。将试片在100 ℃下加热4 h后，除了纳米二氧化硅质量分数为5 %、6 %、7 %的试片之外，其余试片涂层都有轻微变色。将试片在120 ℃下加热4 h后，纳米二氧化硅质量分数为7 %的试片涂层有轻微变色，纳米二氧化硅质量分数为5 %和6 %的试片涂层无明显变色，未出现、起泡、皱皮、开裂等现象。

3 结语

探讨了纳米二氧化硅对环氧涂料相关性能的影响，通过对照试验对样品进行红外光谱分析，漆膜附着力、耐冲击力、硬度、漆膜耐热性等相关性能测试和初步探索，主要结论：（1）利用傅里叶红外光谱仪对试样样品进行微观结构的表征，研究结果显示，纳米二氧化硅改性后的环氧涂料分子间形成了致密的网状结构，有新的Si—O—C键产生，形成了无机-有机结构；（2）当纳米二氧化硅的质量分数为5 %时，漆膜的附着力最好；（3）当纳米二氧化硅的质量分数为5 %时，漆膜的硬度最好；（4）当纳米二氧化硅的质量分数为4 %～5 %时，涂层的耐冲击性较好；（5）当纳米二氧化硅的质量分数为5 %和6 %时，试片在120 ℃下加热4 h后无明显变色，涂层未出现起泡、皱皮、开裂等现象。