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高耐候丙烯酸聚硅氧烷涂料的研究

敖国龙, 赵梓年

(天津科技大学化工与材料学院)

摘要:将实验室自制丙烯酸改性聚硅氧烷树脂成功制备成高耐候防腐涂料,分别讨论了固化剂加量对于耐候性的影响、耐酸碱性能的影响。制备的涂料具有优异的耐湿热、附着力和耐候性能,已成功应用于桥梁、地标建筑等诸多领域。

关键词:丙烯酸聚硅氧烷 耐候 桥梁

0 前 言

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,人们对于大型钢结构工程的防腐蚀提出了更高的要求,既要提供长效的保护,又要安全、健康并符合环境保护的最新要求。聚硅氧烷涂料由于具有施工固体分高、VOC低、对人体刺激性小、耐候性优良等优点,近年来正在作为聚氨酯涂料的更新换代产品,在地标建筑、桥梁等领域有了成功的应用。但是,纯聚硅氧烷树脂在有机涂层上附着力不良而且涂膜较脆,所以常采用改性聚硅氧烷树脂。最早采用的聚硅氧烷涂料就是环氧聚硅氧烷涂料,采用环氧树脂与聚硅氧烷树脂混拼的方式,对钢材基底和有机涂料都具有良好的附着力和柔韧性,以及杰出的耐老化、耐酸、耐溶剂性能。丙烯酸改性聚硅氧烷作为第二代聚硅氧烷涂料的树脂,比第一代的环氧硅氧烷在装饰性、耐老化、长效防腐、施工性能、机械性能等方面有了长足的进步。
丙烯酸改性聚硅氧烷树脂,其中一类是含羟基丙烯酸单体改性聚硅氧烷树脂,通过丙烯酸单体聚合和羟基丙烯酸单体与硅氧烷预聚体的接枝反应得到丙烯酸改性聚硅氧烷树脂。由于接枝率低,固化时,固化剂的氨基仅催化硅氧烷的缩聚反应,不存在有机树脂的进一步交联,因此涂膜的固化速度较慢,同时耐候性略差;另一类是用含双键的丙烯酸酯类单体改性硅氧烷预聚体,由它制备的涂料含有大量小分子化合物,初始黏度小,完全依靠化学交联固化,因此涂膜表干速度慢,易沾污空气中的尘埃,同时影响外观,耐候性略差。

本实验采用实验室自制的丙烯酸改性硅氧烷树脂,其综合上述两者的反应机理,采用含有双键的羟基丙烯酸树脂与硅氧烷预聚体接枝反应制备。其涂膜反应机理见图1。

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1 实验部分
1.1 试剂及材料
丙烯酸聚硅氧烷树脂,自制;1 250目沉淀硫酸钡,上海鸿运源有限公司;钛白粉,亨斯迈;3-氨丙基三乙氧基硅烷 KH550,江西晨光新材料有限公司;防流挂剂、聚酰胺蜡,海名斯德谦;分散剂、消泡剂,BYK;二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯等,均为分析纯。
1.2 实验设备
中性盐雾箱,Q-FOG CCT1100;涂膜膜厚测量仪,Elcometer 456;空气手动喷枪,ANEST IWATA W-101-136BGC;附着力测定仪,Elecometer106;QUV/Se人工加速老化仪,美国Q-Panel,紫外灯波长:313 nm;色差仪,X-rite Model SP60。
1.3 丙烯酸聚硅氧烷涂料的制备

丙烯酸聚硅氧烷涂料的参考配方见表1。

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(1)A组分的制备:丙烯酸聚硅氧烷树脂合成后需要严格脱水贮存,制备A组分时按配方量将丙烯酸聚硅氧烷树脂、润湿分散剂、钛白粉、沉淀硫酸钡、部分溶剂、消泡剂等加入搅拌釜中,高速搅拌后进入砂磨机分散至细度小于30 μm后加入流平剂、防流挂剂,补加剩余溶剂,搅拌15 min待包装。包装一定要充氮气,检查气密性。
(2)B组分的制备:成品直接包装。
(3)丙烯酸聚硅氧烷涂料的制备:按A组分和B组分的质量配比(10~14/1)的比例进行配漆,然后搅拌搅匀,根据现场需要,兑稀溶剂0~10%即可喷涂。
1.4 实验方法
1.4.1 耐候性能的测试

采用QUV/Se人工加速老化仪(美国Q-Panel,紫外灯波长:313 nm)测试QUV性能,记录样板的初始光泽G0(BYK光泽仪)和颜色数据(A0、B0、L0数据);定期取出样板再次测量光泽G1和颜色数据(A1、B1、L1数据)。


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1.4.2 耐酸碱性能的测试

按GB/T 9274—1988中浸泡法进行。浸入50 g/L 硫酸(化学纯)溶液或者50 g/L氢氧化钠(化学纯)溶液中,至规定的时间取出样板,在散射阳光下目视观察。如果3块样板中有2块未出现生锈、起泡、开裂、剥落、掉粉等涂膜病态现象,则评为“无异常”。如果出现以上涂膜病态现象,按GB/T 1766进行描述。
1.4.3 耐湿热性能的测试
按GB/T 1740—2007的规定进行。如果出现起泡、生锈、脱落等涂膜病态现象,按GB/T 1766进行描述。
1.4.4 耐盐雾性能的测试
按GB/T 1771—2007的规定进行(试板不划线)。如果出现起泡、生锈、脱落等涂膜病态现象,按GB/T1766进行描述。
2、结果与讨论
2.1 KH550添加量对于人工加速老化的影响

失光和变色是衡量高耐候面漆两个重要指标,本实验制备的聚硅氧烷面漆在4 000 hQUV辐照之后表面没有任何粉化现象,本讨论仅以失光和变色来衡量KH550对其耐候性影响。本制备面漆的初始光泽为85%,见图2。

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由图2(A)可以看出制备的硅氧烷面漆在3 000hQUV辐照后失光小于20%,对比来看随着KH550的增多,失光率变大。图2(B)可以看出制备的硅氧烷面漆在3 000 hQUV辐照后变色ΔE<3,随着KH550的增多,却有着与失光率相反的走势,色差变小。主要是因为主剂中硅含量较少(11.5%),丙烯酸树脂含量较多,加入KH550会使体系内硅含量上升,而硅烷的分子量很小,导致加入较多硅烷会使保光性能提高,保色性能下降。固化反应见图3。


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2.2 KH550添加量对于耐酸碱性能的影响

评测了不多添加量KH550对于涂膜耐酸碱性能的影响,如表2所示。随着KH550的增多,耐碱性能下降。而KH550加入过少又会造成耐酸性能下降。主要是由于硅氧键过多会导致耐碱性差,所以KH550的添加比例应该控制在(10~14)∶1。

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2.3 KH550添加量对于耐湿热和耐盐雾性能的影响
KH550的加入理论上可以使涂膜干燥更快,涂膜更加坚硬,耐湿热和盐雾性能得到提高,如表3所示,同样选择了不同配比的几组实验,耐湿热和盐雾3 000 h均表现出了十分优异的性能。

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2.4 涂膜性能确认
HG/T 4755—2014《聚硅氧烷涂料》和JT/T 722—2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》对聚硅氧烷涂料有着明确的技术规范要求,本制备的涂料完全满足其要求,其具体数据如表4所示。

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3、结 语
通过自制的丙烯酸聚硅氧烷树脂成功制备了高耐候的聚硅氧烷面漆,具有优异的保色保光性能。产品能够满足现场施工的需要,目前已经在跨海大桥和地标建筑上有了成功的应用。

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