納米二氧化鈦改性聚酯-TGIC粉末塗料研究

2020-09-07 升級之路



摘要：利用納米級金紅石超細二氧化鈦優異的紫外線屏蔽性能，製備了耐候型聚酯-TGIC粉末塗料，添加表面改性處理的納米二氧化鈦後，塗膜柔韌性和抗衝擊性能均得到顯著提高。


通過人工紫外輻照後對比發現，改性粉末塗料的抗紫外老化性能有大幅提高，色差值與光澤度保持率均得到大幅度改善。

粉末塗料不含易揮發的有機物質（VOCs，volatile organic compounds），是一種環境友好型的新型塗料，其廣泛應用於家電、汽車、建材等各領域。


2015年我國熱固性粉末塗料的銷售量達到129萬噸，年度增長達到7.5％，遠超塗料行業總體平均增速的4.19％。


隨著人們對建築材料使用壽命的要求日益提高，能滿足10年以上超耐候使用要求的戶外用粉末塗料的用量也會逐漸加大。


目前戶外用粉末塗料目前以熱固性為主，其中一半以上的熱固性粉末塗料的生產是利用聚酯樹脂作為基料的重要組成部分。

由於紫外光氧化降解是戶外用粉末塗料老化的主要原因之一，常用的抗老化方法是單獨添加一定的抗氧劑、紫外線吸收劑和自由基捕獲劑等來減緩塗層的老化。


這種方法在工業生產中使用已經相當廣泛，但這類添加劑大多是有機物，如受阻胺、水楊酸酯系等，其在塗層老化過程中用會逐漸降低，乃至最終失效，從而影響使用壽命。


另外，有機紫外光吸收劑對光的吸收有一定的選擇性，使用過程中會因吸收一部分可見光而使製品變色。


針對這個問題，本文提供了一種超耐候納米複合改性聚酯粉末塗料及其製備方法。


其特點是在現有聚酯-TGIC粉末塗料中同時引入表面改性處理的納米級金紅石超細二氧化鈦（TiO2）作為抗紫外線功能添加劑，通過適當的複合技術，發揮其協同優勢，從而達到大幅度提高粉末塗料耐候性能的效果。

1、試驗部分

1.1 材料與製備
納米級金紅石超細二氧化鈦（攀鋼研究院有限公司），KH-560矽烷偶聯劑（南京化工），各配方材料和加工助劑（均為市售）。


各配方組分經過高速混合、熔融混煉擠出、粉碎過篩（篩網目數：200目）、高壓靜電噴塗在鋁板上，最後於185℃下烘烤15min固化成膜。


1.2 測試方法
將製備好的測試樣板放入螢光紫外加速試驗箱（功率36×4W）中進行人工紫外加速老化、分時段對其60°鏡面光澤度和顏色值進行測量。


利用日本電子(JEOL)場發射掃描電子顯微鏡(JSM-7500F）對金紅石型納米二氧化鈦的形態、大小和結構進行分析。


日本島津紫外可見分光光度計（UV-2550）測試金紅石型納米二氧化鈦的紫外光屏蔽性能，掃描波長範圍：200nm~800nm。


上海精密光學儀器（WGG-66）光澤度計以及日本美能達色差儀（CR-10）分別對顏色和光澤變化情況進行測量。


2、結果與討論

2.1 納米二氧化鈦的性能與表徵



圖1為放大10萬倍的納米二氧化鈦掃描電鏡照片，經過表面處理的納米TiO2晶體發育良好且粒度分布均勻，粒徑約為30~50nm。


圖2為納米二氧化鈦的水懸浮液UV-Vis吸收光譜，表面改性處理前後的納米二氧化鈦均表現出很強的紫外光吸收性能，表面改性處理後可見光吸收有所下降，分析是由於其在液體中的分散性提高所致。

2.2 改性聚酯-TGIC粉末塗料抗紫外光老化性能



圖3是納米二氧化鈦改性的聚酯-TGIC型粉末塗料與未改性配方的色差值與人工紫外輻照時間的關係，圖4是光澤度保持率與紫外輻照時間的關係。


由圖3、圖4可以看出未添加納米二氧化鈦配方（配方c），人工紫外輻照後的色差值有較大幅度的上升，且隨著老化時間的延長，色差值相差越大。


兩組改性後的粉末塗料經過八天紫外輻照後，光澤度保持率仍在42％以上，而未改性配方只有初始值的10％左右。


同時可以看出表面處理過後的納米二氧化鈦發揮出其優異的紫外屏蔽性能。

3、結論

納米二氧化鈦因其優異的長效吸收紫外線能力，有效地屏蔽了輻射到曝露試樣上的紫外線，使光降解反應只發生在試樣外表面的一個薄層範圍內。


同時亦保護了部分有機抗老化助劑不被紫外線所降解。另外納米二氧化鈦由於具有較大的比表面積和表面能，在使用過程中極易發生粒子團聚從而失去原有功效。


因此在應用納米二氧化鈦的紫外光屏蔽性提高粉末塗料耐候性時，提高其在粉末塗料中的分散性是關鍵。

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