海洋环境下高耐蚀涂层用水性聚氨酯及其复合材料的制备与性能研究

摘要

海洋环境腐蚀严重缩短金属工程材料的使用寿命，带来巨大的经济损失和安全隐患，涂层防护是防止和控制金属腐蚀的最常见的措施之一。由于技术及成本的限制，市场上应用较多的海洋防腐涂料仍然具有毒性，对人的生理健康和海洋生态造成损害。本文利用水性聚氨酯(WPU)分子的可设计性，合理选用功能共聚单体，成功制备了一系列海洋气候条件下功能性WPU及其复合材料，并测试表征了WPU乳液及涂层的综合性能。
　　以双酚A型环氧树脂E-44、聚醚多元醇N210和N220、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)为主要原料，制备了一系列环氧树脂改性聚氨酯(EPU)水乳液。FT-IR测试确认了环氧改性聚氨酯的结构。考察了环氧树脂E-44含量、聚醚多元醇分子量、扩链剂种类和成膜热烘温度对EPU乳液及涂膜性能的影响，确定了最佳配方，当以聚醚N210为大分子多元醇，BDO为扩链剂，环氧树脂E-44含量为10 wt％，EPU乳液及涂膜的综合性能最佳，当乳液成膜热烘温度为80℃时，获得的涂层综合性能最佳。
　　采用两步法，先以E-44、N210、IPDI、DMPA、HEA等为主要原料制备以碳碳双键封端的环氧树脂改性聚氨酯(EPU)水乳液;然后在EPU粒子中引入MMA与BA的混合丙烯酸酯单体，通过乳液共聚的方法，制备了环氧树脂-丙烯酸酯改性聚氨酯(EPUA)水乳液。FT-IR测试确认了聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸酯间发生化学化应;TEM结果证实EPUA粒子形成了以聚丙烯酸酯(PA)为核，EPU为壳的核壳结构;热重分析和力学拉伸测试表明PA的存在可明显增加涂膜的热稳定性和力学性能;涂层的耐腐蚀性高度依赖于PA的含量，当PA含量为30 wt％时，EPUA涂膜在5％ NaCl溶液中耐腐蚀性最佳。
　　先以改良Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后用二乙基甲苯二胺(DETDA)对GO进行改性，获得功能化氧化石墨烯(DETDA/GO)，最后将DETDA/GO、EPU、丙烯酸酯单体共同进行乳液聚合，制备改性氧化石墨烯增强环氧-聚氨酯-丙烯酸酯(DETDA/GO/EPUA)水乳液。考察了DETDA/GO含量对乳液及其涂膜综合性能的影响。研究发现，随着DETDA/GO含量的添加，涂膜的吸水率以及溶剂吸收率显著降低，同时提高涂膜在高温下的稳定性。DETDA/GO/EPUA乳液的稳定性及涂层的耐腐蚀性依赖于DETDA/GO的含量，当DETDA/GO含量为2wt％时，DETDA/GO/EPUA的乳液及其涂膜的综合性能最佳。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 海洋环境

1．2 水性聚氨酯(WPU)简介

1．3 WPU合成的原理和方法

1．3．1 WPU的合成原理

1．3．2 WPU的合成方法

1．4 WPU的功能化

1．4．1 环氧树脂改性

1．4．2 丙烯酸树脂改性

1．4．3 无机粒子改性

1．5 课题主要研究内容与意义

第二章 环氧树脂改性聚氨酯水乳液的制备与性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要试剂与设备

2．2．2 环氧树脂改性水性聚氨酯乳液的合成

2．2．3 结构表征与性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 EPU的FT-IR表征

2．3．2 环氧树脂E-44对EPU性能的影响

2．3．3 聚醚多元醇对EPU性能的影响

2．3．4 扩链剂对EPU性能的影响

2．3．5 成膜热烘温度对EPU涂层性能的影响

2．4 本章小结

第三章 环氧树脂-丙烯酸酯改性聚氨酯水乳液的制备与性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂与设备

3．2．2 环氧树脂-丙烯酸酯改性聚氨酯水乳液的制备

3．2．3 结构表征与性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 FT-IR表征

3．3．2 单体转化率的分析

3．3．3 EPUA粒径大小及其分布分析

3．3．3 TEM分析

3．3．4 EPUA乳液稳定性分析

3．3．5 EPUA乳液粘度分析

3．3．6 EPUA涂膜接触角测试与吸水率分析

3．3．7 EPUA的热重分析

3．3．8 EPUA的力学性能分析

3．3．9 极化曲线分析

3．3．10 EPUA涂层浸泡腐蚀测试

3．4 本章小结

第四章 改性氧化石墨烯增强环氧-聚氨酯-丙烯酸酯水乳液的制备与性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 主要试剂与设备

4．2．2 改性氧化石墨烯增强环氧-聚氨酯-丙烯酸酯水乳液的制备

4．2．3 结构表征与性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 FT-IR分析

4．4．2 乳液外观及稳定性测试

4．4．3 乳液粘度分析

4．4．4 SEM分析

4．4．5 涂膜接触角、吸水率及耐溶剂分析

4．4．6 涂膜热性能分析

4．4．7 力学性能分析

4．4．8 DETDA／GO／EPUA涂层耐腐蚀分析

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况