纳米浆料对水性防腐隔热涂料性能影响的研究
纳米浆料对水性防腐隔热涂料性能影响的研究
陈中华1,2王玉琼1苏国徽1童剑1
(1·华南理工大学材料学院,广州510640;2.广东省特种涂料工程技术研究开发中心,广州510520)
摘要：本文主要研究了纳米氧化锆浆料的用量对水性防腐隔热涂料的隔热性能、耐沾污性能及防腐蚀性能的影响。采用常规性能测试、隔热能力测试对涂层进行了表征,同时采用紫外-可见光-红外分光光度计,AE式半球辐射率测定仪测定太阳光反射比和半球辐射率。结果表明:纳米氧化锆浆料的添加量为4·5‰时,涂层的综合性能最好,且太阳光反射比和半球辐射率均高于未添加纳米氧化锆浆料的涂层。
关键词：纳米氧化锆,纳米浆料,隔热,防腐,水性
金属材料制造的储运装备、石化设备、仓储屋顶等设施,一方面会因长期受环境介质的化学或电化学作用而被腐蚀破坏,另一方面会因夏季吸热升温而带来不安全隐患,传统的喷淋水及加固聚氨酯或聚乙烯泡沫板的方法,既会导致施工不便,又会造成水资源的浪费[1]。随着全球经济发展对资源、环境的高度重视,开发一种耐沾污、耐腐蚀性能良好的高效环保隔热涂料,对节约能源、保护环境具有重要意义。纳米材料在涂料中的应用近年来越来越广泛,利用纳米材料独特的小尺寸效应、表面效应、光学效应、量子尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质,应用到涂料中,可产生许多常规颜料无法产生的效果[2]。并且,纳米氧化锆具有特殊的光学特性,对紫外长波、中波及红外线反射率高达85%以上,因此,本实验将纳米氧化锆以浆料的形式加到防腐隔热涂料当中,以达到更好的防腐隔热效果。
1实验部分
1·1原料
优质丙烯酸乳液、纳米氧化锆浆料、空心玻璃微珠、复合防锈颜料、缓蚀剂、pH调节剂、防冻剂,国产;防沉剂、流变助剂,德国BYK公司;消泡剂1494,德国德固赛-迪高;消泡剂1340,日本诺普科;分散剂、润湿剂、增稠剂,美国罗门哈斯公司。
1·2设备及仪器
SEM,JEOLJSM-6380(Japan);盐雾箱,东莞众志检测设备有限公司;QXD型刮板细度计、天津精科材料试验机厂;隔热性能测试设备,自制;紫外-可见光-红外分光光度计,日本HITACHI公司;AE式半球辐射率测定仪,美国ACM公司。
1·3涂料制备
将润湿剂、分散剂、消泡剂、防沉剂、防闪锈剂、防锈颜填料加入容器内,高速分散使细度小于40μm,然后将转速调至1000r/min,加入空心微珠,搅拌20min后调至500r/min以下,再加入成膜助剂、防冻剂、pH调节剂、乳液、流变助剂及增稠剂,充分混合均匀并调好黏度,过滤出料即得隔热防腐涂料。
1·4性能测试及表征
1.4.1常规性能测试
把制得的涂料按照GB/T1727-1992制膜,常温干燥7天后按照相应国标测试各项指标,具体见表1。
1.4.2隔热性能测试
目前国内尚未设定统一的涂膜隔热能力测试标准,参照1976年美国军标MIL-E-46136提供的测试标准,并借鉴国内科研单位的测试方法[3-6],自制出了隔热测试仪对所制备的产品进行阻隔隔热能力测试,隔热测试仪如图1所示。
2结果与讨论
2·1纳米氧化锆浆料对涂层影响的机理分析
纳米氧化锆具备特殊的光学特性,对紫外长波、中波及红外线反射率高达85%以上。涂层干燥后,纳米粒子紧密填充涂层之间的空隙,形成完整的空气隔热层,并且其自身低导热系数能迫使热量在涂层中的传递时间变长,使得涂层也具有较低的导热系数,从而可以提高涂层的隔热性能。
同时,纳米氧化锆表面严重配位不足、欠氧等特点,表现出极强的活性,易与高分子树脂乳液、颜填料表面的氧起键合作用,从而增强水性树脂高分子间的作用力,提高颜填料在树脂中的分散性;另一方面,纳米粒子的比表面积大和小尺寸效应,使其具有比一般颜填料更好的填充性和流动性,可以改善涂膜的自洁性,增强漆膜致密性,有效的阻止腐蚀介质对基材的侵蚀作用。并且纳米氧化锆特有的空间网状结构,表面存在大量不饱和残键和不同键合状态的羟基,可与涂料体系产生良好的亲和性,从而改善涂料的悬浮稳定性。
2·2纳米氧化锆浆料粒径分布图
纳米粒子能否在干燥漆膜中发挥作用以及发挥作用的大小,关键是看其能否在涂料制备过程中有效的分散。而纳米材料自身特性决定了不能把它的粉体直接添加到中,目前多采用将所选用的纳米粒子制备成纳米浆料,再把纳米浆料添加到中来制备纳米复合涂料,本实验选用的水性纳米氧化锆浆料(固含量25%左右)的粒径分布如图2所示。
2·3纳米氧化锆浆料对涂料隔热性能影响
利用纳米氧化锆特殊的光学特性和低导热系数,把它作为隔热填料。使用自制的仿真涂层反射隔热测试仪,测定添加不同量的纳米氧化锆浆料(按固含)后涂料的隔热效果,其中纳米氧化锆的用量是按纳米氧化镐粉体质量占整个涂料体系的质量进行计算结果如图3所示。
由图3可以看出,随着氧化锆含量增加,模腔内部温度随之下降,隔热性能越来越好,但继续添加浆料会引起纳米粒子的聚集,分散越来越困难,添加量为6‰时涂层模腔温度上升,隔热降温效果变差。说明随着纳米氧化锆含量的增加,由于纳米粒子的聚集作用,影响了反填料的分布状态,使漆膜散射的比表面积减少,散射效率降低,故隔热效果逐渐变差。纳米氧化锆浆料的添加量为质量的4·5‰左右比较合适。
2·4纳米氧化锆浆料对涂料耐沾污性能影响
纳米粒子的小尺寸效应,使其具有比一般颜填料更好的填充性和流动性,可以改善涂膜的自洁性。添加不同量的纳米氧化锆浆料对涂层耐沾污性(5次循环)反射系数下降率(%)的影响,如图4所示。
2·5纳米浆料添加量对涂层防腐性能的影响
涂膜的防腐性能与漆膜的致密性密切相关,纳米材料的引入,势必会影响到漆膜的致密性,进而影响漆膜的防腐性能。添加不同量纳米氧化锆浆料对涂料防腐性能的影响如表1所示。
由表1测试结果分析,添加适量纳米浆料对漆膜的防腐性能有一定的提高,在添加量较少时,纳米粒子还不足以填充基料与颜填料之间产生的空隙,防腐效果的提高并不明显;随着添加量的增加,其表面效应和小尺寸效应逐渐发挥它的优势,使得到的漆膜基料和颜填料之间紧密相连,结构更加致密、坚实,有效地延缓了腐蚀介质向基材的渗透。纳米粒子的添加量并不是越多越好,当添加量过多的时候,会使部分纳米粒子之间发生团聚,不仅起不到改善漆膜的目的,反而会降低漆膜的致密性,导致涂层的防腐蚀性能下降。纳米浆料的添加量为4·5‰时,涂层的防腐蚀性能最好。
2·6涂料太阳光反射比及半球发射率测试
最近新推出的建筑反射隔热涂料标准JG/T235-2008对建筑隔热功能用的涂层的太阳光反射比及半球发射率有了明确的规定。太阳光反射比是指反射的与入射的太阳辐射能通量之比,半球发射率是指热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体(黑体)的辐射出射度之比。本研究采用紫外-可见光-红外分光光度计,AE式半球辐射率测定仪对比了添加量为质量4·5‰的纳米氧化锆之后的涂层与未添加纳米浆料的涂层太阳光反射比如图5所示和半球辐射率。
3结论
将纳米氧化锆浆料加到水性防腐隔热涂料中,其自身低导热系数能够迫使热量在涂层中的传递路径变长,使得涂层也具有较低的导热系数,从而可以提高涂层的隔热性能。同时纳米粒子的比表面积大和小尺寸效应,使其具有比一般颜填料更好的填充性和流动性,可以改善涂膜的自洁性,增强了漆膜致密性,有效的阻止腐蚀介质对基材的侵蚀作用,提高耐沾污和防腐性能。综合各种性能,当纳米氧化锆的添加量(固含)为质量的4·5‰时,综合效果最佳。
参考文献
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