PVDF氟碳涂料的力学性能及耐沾污性改性研究

摘要

聚偏氟乙烯(PVDF)氟碳涂料属于高性能涂料，具有高耐候性、耐腐蚀、耐热、耐化学品等优点，常用作金属构件面漆。但PVDF涂料的力学性能与其高端涂料的身份不够匹配，有待进一步提高。另外，我国国内环境污染严重，PVDF涂层户外应用时耐沾污性能较差，对其高端涂料的声誉产生了不利影响，限制了其推广应用。本文拟在原PVDF涂料配方的基础上引入无机纳米粒子、有机疏水助剂、亲水助剂、光催化纳米TiO2粒子等一种或多种添加剂，通过涂料配方调整调控PVDF涂层表面的力学性能、润湿性能、耐沾污性能等性能，了解无机纳米粒子对PVDF涂层力学性能的影响规律，获得超疏水PVDF涂层和超（高）亲水PVDF涂层的制备方法，建立涂层表面性质与耐沾污性能的关系，为高力学性能、高耐沾污PVDF涂料的设计制备提供理论与实验指导。具体研究内容及结果如下:
　　将纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米重晶石等无机纳米粒子混入PVDF基础涂料配方中，考察了无机纳米粒子的种类以及加入量对PVDF涂层硬度、耐刮伤性、冲击强度、光泽等性能的影响。研究表明，在PVDF涂料中，加入少量的无机纳米粒子可以提高涂层的力学强度，但不同力学强度指标随纳米粒子用量的变化规律不一致。PVDF涂料中加入2wt％(基于干膜质量)纳米氧化铝粒子或者疏水改性纳米二氧化硅粒子(nano-silica-CH3)对于改善PVDF涂层的力学性能最为合适。人工加速老化实验显示，PVDF纳米复合涂层具有良好的耐候性。
　　通过PVDF基础涂料配方中添加亲水型或疏水型无机纳米粒子、氟硅烷、聚四氟乙烯等助剂中的一种或多种来提高涂层表面的疏水性，考察了助剂性质及加入量、涂料颜基比、涂料制备工艺等PVDF涂层表面润湿性与光泽的影响。获得疏水、超疏水PVDF涂层的制备方法，研究疏水、超疏水PVDF涂层的疏水和超疏水性质的耐久性。研究表明，当采用nano-silica-CH3纳米粒子PVDF涂层质量组成为Resin/R-210/nano-silica-CH3=32.5/12.5/14.75时，可获得荷叶型超疏水PVDF涂层，其水的静态接触角为157.6°，滚动角为7.3°。Nano-silica-CH3表面的疏水甲基基团在紫外光下容易分解，使得制备的PVDF涂层的疏水持久性较差。含氟硅氧烷PMSF可以有效改善超疏水PVDF涂层的疏水耐久性，在经过长达350小时的UV-B辐照后，涂层的接触角仍然在140°以上。
　　采用室内耐沾污实验（按国标测定）和户外暴晒实验系统检验了不同表面特性的PVDF涂层的耐沾污性能，并与常用的钢结构面漆（聚氨酯、FEVE氟碳涂料、聚硅氧烷涂料）进行了耐沾污性比较，关联了涂层耐沾污性与表面特性的关系。研究表明，涂层的耐沾污性主要取决于涂层表面的水润湿性和污染物的性质，与表面的形貌和化学组成组成关联不大。户外暴晒实验表明，超亲水PVDF涂层具有突出的自清洁性能，耐沾污性优越。超疏水PVDF涂层初期具有自清洁能力，但随着表面污染物的积累逐渐失去超疏水性质，导致涂层长期耐沾污性较差。通过超疏水纳米粒涂膜的户外暴晒实验，提出了超疏水表层的自动脱落是未来耐久型超疏水PVDF涂料制备所可采取的思路。
　　采用加入氟化硅氧烷、硅氧烷等亲水助剂以及光催化纳米TiO2粒子(P25)制备超（或高）亲水型PVDF涂层。考察了涂层在人工加速老化实验和户外暴晒条件下，表面水接触角随时间的变化规律。研究了亲水助剂种类及含量、纳米TiO2粒子用量、涂料颜基比等对PVDF涂层水接触变化规律的影响。获得高耐沾污性的亲水型PVDF涂层的制备方法。研究表明，氟化硅氧烷(HA-1)对PVDF涂层具有最好的亲水效果。提高亲水助剂含量以及涂料颜基比，有利于PVDF涂层表面水接触角下降率，其中当涂层中颜基比为60∶40时，5％HA-1改性PVDF涂层的最低水接触角可至32°。亲水助剂可提高PVDF涂层的光泽度且不影响PVDF涂层表面结构。加入纳米TiO2粒子再紫外光辐照，可获得超亲水PVDF涂层，但涂层的耐候性受到不利影响。户外耐沾污实验表明，引入亲水助剂可改善PVDF涂层的耐沾污性能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 PVDF氟碳涂料

1．1．1 PVDF的结构

1．1．2 PVDF的性能

1．1．3 PVDF毫余料

1．1．4 PVDF涂料的改性

1．1．5 PVDF涂料及涂层的制备

1．1．6 PVDF涂料的成膜机理

1．1．7 PVDF涂料的性能

1．1．8 PVDF涂料的生产与应用

1．2 纳米氟碳涂料

1．2．1 纳米氟碳涂料简介

1．2．2 纳米氟碳涂料的制备

1．2．3 纳米氟碳涂料的研究现状

1．3 自清洁氟碳涂料

1．3．1 自清洁涂料简介

1．3．2 亲水自清洁氟碳涂料的制备

1．3．3 (超)疏水自清洁氟碳涂料的制备

1．4 研究背景和研究内容

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究思路与内容

第二章 无机纳米粒子改性PVDF涂层力学性能

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 PVDF涂层的制备

2．3 加速老化实验

2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 无机纳米粒子对PVDF涂层的性能影响

2．3．2 耐候性能

2．4 小结

第三章 超疏水型PVDF涂层的制备研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 PVDF涂层的制备

3．2．3 加速老化实验

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 无机纳米粒子对PVDF涂层润湿性的影响

3．3．2 表面改性纳米氧化铝对PVDF润湿性的影响

3．3．3 有机疏水添加剂对PVDF涂层润湿性的影响

3．3．4 Nano-silica-CH3对PVDF涂层润湿性的影响

3．3．5 制备工艺对疏水改性PVDF涂层润湿性的影响

3．3．6 加速老化实验

3．4 小结

第四章 PVDF涂层耐沾污性能的影响因素研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 不同表面性质涂层的制备

4．2．3 耐沾污实验

4．2．4 户外暴晒实验

4．2．5 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 涂层的表面性质

4．3．2 耐沾污实验

4．3．3 户外暴晒实验

4．3．4 耐久型超疏水表面构建方法初探

4．4 小结

第五章 高亲水型PVDF涂层的制备研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 亲水PVDF涂层的制备

5．2．3 加速老化实验

5．2．4 室内耐沾污实验

5．2．5 户外暴晒实验

5．2．6 测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 亲水助剂改性PVDF涂层

5．3．2 纳米TiO2粒子改性PVDF涂层

5．3．3 亲水PVDF涂层耐沾污性能的研究

5．4 结论

第六章 结论

参考文献

硕士期间发表的文章及专利

致谢

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