水性环氧防腐蚀纳米涂料的研究

摘要

随着人们环保意识的逐渐增强，水性防腐涂料的研制已成为涂料发展的重要方向和研究热点。环氧树脂涂料附着力高、耐腐蚀性能优良，其优异的性能不仅在溶剂型防腐涂料中得到充分体现，也充分应用在水性防腐涂料中。但环氧树脂难溶于水，只溶于有机溶剂，故环氧树脂的水性化是水性环氧防腐涂料制备的关键。目前我国的产品主要采用机械或乳化的方法制备水性环氧树脂，制得的树脂乳液存在粒径较大、贮存稳定性不佳等缺点。本实验在不加乳化剂的前提下，采用接枝共聚方法在环氧树脂分子链上引入羧基，并通过加入功能单体的方法对环氧树脂进行亲水性改性。制备出粒径小且稳定的水性环氧乳液，从而制备水性环氧涂料并对其进行性能测试。在此基础上，本文首次在自制的水性环氧乳液中加入表面冷等离子接枝改性的碳纳米管来进行水性防腐蚀环氧涂料的制备，考察碳纳米管的加入对其防腐蚀性能的影响。 1．采用接枝共聚合法制备出粒径可达150 nm左右的水性环氧乳液。通过大量实验研究了单体配比、引发剂用量、反应温度、反应时间、单体和引发剂的加料方式等对乳液接枝率的影响。合成水性环氧丙烯酸乳液的最佳反应条件为：单体配比MAA/BA/St为28 wt％/10 wt％/10 wt％，BPO的用量为4.0 wt％，反应温度为110℃，反应时间为6h，采用滴加法在两小时内将单体滴完(滴加速度为10 s/d)，引发剂采用滴加法和批量法结合的方法加入得到的乳液接枝率最大，达到83％。 利用红外光谱(IR)、激光粒度分析仪、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等测试手段分析了接枝共聚物的结构以及接枝率对乳液粒径的影响。结果表明：羧基单体已经成功的接枝到环氧树脂的分子链上，由于接枝上柔性分子链，接枝共聚物的Tg随着接枝率的增大逐渐变小。从SEM结果显示：接枝率越大，乳液粒径越小，当接枝率达83％时，乳液平均粒径达到150 nm，且乳液比较稳定，放置12个月依然稳定无分层现象。 2．研究了水性环氧．丙烯酸乳液的固化涂膜规律。以水性聚酰胺为固化剂，根据国标制备涂膜。通过最低成膜温度仪、SEM等测试手段考察了不同粒径乳液对涂膜性能的影响，测定不同接枝率乳液涂膜的最低成膜温度；不同粒径乳液的吸水率，硬度及耐化学品性等性能指标。结果显示：乳液的最低成膜温度在2～4℃左右，乳液粒径越小，膜的耐化学品性越强。SEM图看出粒径越小，膜的致密性越好。将本实验制备乳液性能与市售的水性环氧乳液进行比较，各项性能均达到甚至超过市售乳液的性能。 3．由于碳纳米管(CNTs)极容易团聚，表面光洁且具有惰性，很难在环氧树脂中分散。为此，本研究首次采用NA酸酐为接枝单体，通过冷等离子技术对碳纳米管表面进行接枝处理，在碳纳米管表面接枝上亲水的酸酐基团，从而使CNTs能够均匀分散到水性环氧乳液体系中，而且参与了环氧树脂的固化过程。IR和接触角测试结果证明了NA酸酐已经成功接枝到碳纳米管表面。在功率(300 W)确定条件下，考察不同浓度NA酸酐以及处理时间对接枝率的影响，最终确定NA酸酐浓度为4％，处理时间为8 min时最益。通过材料试验机测试了纯CNTs、冷等离子处理的CNTs以及冷等离子接枝NA酸酐处理的CNTs加入到环氧树脂中固化后力学性能的变化。由试验结果知：冷等离子处理的CNTs加入到环氧树脂中其拉伸强度达到1.22 MPa，比未处理的仅提高0.1 MPa，而经冷等离子接枝NA酸酐处理CNTs拉伸强度达到2.28 MPa，拉伸率提高了100％。 4．以自制的水性环氧乳液制备水性环氧涂科，并对其进行性能测试，将测试结果与市售的水性环氧涂料进行比较，得出本实验制备的水性环氧涂料各项性能均达到甚至超过市售涂料水平。在此基础上，以自制的水性环氧乳液作为成膜基料，通过超声分散，将表面接枝NA酸酐的CNTs分散到水性环氧涂料中，配制水性环氧防腐蚀纳米涂料，研究水性环氧防腐涂料的性能，考察碳纳米管的加入对涂料防腐蚀性能的影响。结果显示：碳纳米管能够均匀分散在水性环氧乳液中，且碳纳米管的加入能够提高涂膜的各项性能。对比不同含量CNTs/水性环氧涂料防腐蚀性能测试结果可以看出：CNTs含量为3％的涂膜各项性能最好，CNTs含量为1％的涂膜比不加CNTs的膜防腐蚀性能要好，而加入5％时，涂膜耐介质性能开始下降，但耐盐雾性能逐渐增强。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2环氧树脂与水性环氧防腐涂料

1.2.1环氧树脂的分子结构

1.2.2水性环氧防腐涂料

1.3环氧树脂水性化的原理及技术

1.3.1机械法

1.3.2相反转法

1.3.3化学改性法

1.3.4固化剂乳化法

1.4水性环氧树脂体系在涂料行业的应用

1.4.1罐头内壁涂料

1.4.2防腐蚀涂料

1.4.3工业地坪涂料

1.4.4混凝土封闭底漆

1.4.5防水材料和防渗堵漏材料

1.5水性环氧涂料研究现状和面临的问题

1.5.1研究进展

1.5.2面临的问题

1.6本论文的研究内容及研究目的

第二章水性环氧-丙烯酸乳液的制备及表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1原料及试剂

2.2.2实验设备

2.2.3单体的精制

2.2.4水性环氧乳液的合成

2.2.5改性环氧树脂的结构与性能表征

2.3结果与讨论

2.3.1溶剂的选择

2.3.2单体的选择

2.3.3接枝共聚反应条件对接枝率的影响

2.3.4不同单体加料方式的比较及分析

2.3.5中和条件对乳液的影响

2.3.6接枝率对乳液粒径的影响

2.3.7影响乳液稳定性的因素

2.3.8水性环氧乳液的性能表征

2.4本章小结

第三章水性环氧乳液及涂膜性能研究

3.1引言

3.2水性环氧乳液成膜及固化反应机理

3.2.1水性环氧乳液的干燥成膜

3.2.2水性环氧树脂与固化剂的化学反应

3.2.3水性环氧涂料的成膜机理

3.2.4影响水性环氧涂料成膜过程的因素

3.3实验部分

3.3.1实验原料与试剂

3.3.2最低成膜温度的测定

3.3.3水性环氧乳液固化涂膜测试

3.4.结果与讨论

3.4.1乳液最低成膜温度测定

3.4.2乳液固化涂膜测试

3.4.3水性环氧涂料性能测试结果

3.5本章小结

第四章冷等离子体接枝改性碳纳米管

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1原料及试剂

4.2.2实验设备

4.2.3碳纳米管的表面改性

4.2.3改性碳纳米管表面基团的表征

4.3结果与讨论

4.3.1冷等离子体接枝机理

4.3.2冷等离子处理时间对接枝率的影响

4.3.3 NA酸酐浓度对接枝率的影响

4.3.4 IR红外光谱分析

4.3.5动态接触角分析

4.3.6 CNTs-g-NAL环氧树脂复合材料力学性能的影响

4.3.7 CNTs-g-NA与环氧树脂固化机理探讨

4.4本章小结

第五章水性环氧防腐蚀纳米涂料的制备及性能测试

5.1引言

5.2水性环氧涂料的制备与性能测试

5.2.1实验部分

5.2.2涂膜性能测试

5.3 CNTs/水性环氧防腐涂料的制备与性能测试

5.3.1实验部分

5.3.2涂膜性能测试内容

5.3.3结果与讨论

5.5本章小结

第六章总结

参考文献

致 谢

附录(攻读学位期间发表论文目录)