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期刊专利论文

溶剂型与水性聚氨酯面漆室内加速试验和现场试验性能对比研究

来源:CATIA2024年04月23日

阅读次数:

马凯军2 , 薛凤颖2 , 张志友2 , 陈长风

(1. 中国石油大学 北京) 新能源与材料学院, 北京 102249;

2. 国家管网集团东部原油储运有限公司, 江苏 徐州 221000)

 

             

来源:材料保护

2024年2月第57卷第2期

 
 
摘要

 

以溶剂型丙烯酸聚氨酯面漆探讨 2 种室内加速老化方法中性盐雾对 2 。 通过面漆的宏观/ 微观形貌变化和失光率来研究涂层的耐盐雾性能。 通过电化析 2 种涂层在氙灯老化和自然环境老化前。 水性聚氨酯涂层具有更好的耐盐雾性能试验后的防腐性能更好且具有更好的耐老化性能
关键词

聚氨酯面漆; 中性盐雾; 老化试验; 防腐性能

前言

聚氨酯涂料是较常见的一类涂料其作为面漆具有优异的柔顺性耐磨性附着力耐候性及耐化学性广泛应用于建筑地铁管道地面防水层等项是我国目前应用范围最广用量最大的涂料1-3] 

 

目前聚氨酯涂料的研究方向主要有聚氨酯的接枝改性研究聚氨酯的杂化改性研究聚氨酯涂料的功能化研究和环保型聚氨酯涂料的研究等[4,5] 。 接枝改性是用改性剂或单体在主链上引入特定的基团或功能耐酸碱性引入有机硅链段可提高耐温性能等由于聚氨酯链段具有可剪裁性因此聚氨酯树脂在接枝改性方面的研究较多。 杂化改性主要是通过将聚氨酯树脂与环氧树脂有机硅树脂丙烯酸树脂氟树脂等不同种类树脂共混或与碳纳米管石墨烯等纳米填料杂化等方式改善涂层的耐赋予涂料特殊的功能[6] 。 助剂或功能填料的研究及应用助剂或功能填料的添加可使涂料具有防火自修复导静电屏蔽电菌等特殊的功能以适应特殊的环境或要求[7] 。 由于生态环境保护意识的不断增强环境友好型涂料成为当前的研究热点无溶剂聚氨酯涂料和水性聚氨酯涂料的研究逐渐得到重视。 水性聚氨酯是相对于溶剂型聚氨酯而言的它以水为分散介质通过一定的方法将聚氨酯粒子分散在连续相) 中形成二元体。 以水为分散体系的聚氨易储存及使用方便等优点[8,9] 。 的研究取得了较大进展但由于水性聚氨酯涂料易产生涂膜缺陷耐水性与溶剂型涂料还有一点的差距

 

本工作聚焦溶剂型聚氨酯涂料与水性聚氨酯涂料这 2 种目前使用较广的涂料研究这 2 种聚氨酯涂料作为配套涂层的面漆在不同老化条件下的性能差异以更好地衡量其使用的经济性和有效性。 本研究选取溶剂型丙烯酸聚氨酯与水性脂肪族聚氨酯涂料作为配套体系的面漆另根据经验配套涂层的中间漆可起到十分关键的防介质渗透作用但水性涂料通常存在耐水性差的问题且与溶剂型中间漆层间结合力差因此为了便于比较面漆的性能溶剂型聚氨酯面漆配套选用溶剂型环氧云铁中间漆水性聚氨酯面漆配套选用无溶剂环氧防锈漆以避免层间产生化学反应而 2 种涂层的底漆则选用面漆产品所推荐的配套使用的底漆产品。 板涂装自然干燥后本工作将观察和对比 2 种涂层在 种室内加速试验中性盐雾氙灯老化和 1 种自然曝晒环境海南岛自然老化下涂层表面的变化测试其防腐性能的差异主要包括观察中性盐雾试验后涂层表面微观形貌的变化测试老化试验后面漆失光率和红外吸收光谱特征峰的变化测试电化学阻抗谱并结合等效电路各元件参数对比 2 种涂层体系的防腐性能差异。 本工作将为聚氨酯面漆的选择和配套使用提供依据

1 实验部分
 
1.1 涂层制备
试验所用基材为 Q235 钢板试样尺寸为 150 mm×70 mm×3 mm。 样板在涂装底漆前 2 h 进行表面喷砂处理等级为 Sa2.5。 钢板均依次涂覆底漆中间漆和面漆采用空气喷涂的方式涂装最后进行封背封边保护。 干膜总厚度为 230 ~ 270 μm。 涂覆涂层后的样板实物照片如图 1 所示其中方案 1 和方案 2 的涂料种类及涂装具体参数如表 1 所示

 

 
1.2 老化试验
3 种老化试验分别是氙灯老化试验中性盐雾试验以及海南岛现场曝晒试验
 
氙灯老化试验采用 GX75 型氙灯老化试验箱。 :7.5 kW 水冷型氙弧灯时间 2 160 h体温度(38±2) ℃ ;相对湿度95±5)辐照度 320 nm,60 W/ m2;光测试黑板温度BPT)63 ℃ 。
 
中性盐雾试验采用 LYW⁃ 025 型盐雾腐蚀试验箱采用连续喷雾的方式按 GB / T 1771-2007 进行试验条件:(5±1)质量分数的 NaCl 溶液,pH 值为 6.5 ~7.2;盐雾沉降率为(1.5±0.5) mL / (80 cm 2·h);试验温度为(35±2) ℃ ;试样与铅垂面按夹角为(6±2)°安装连续喷雾时间 2 160 h。 试验前样板涂层用划痕器预制 2 条交叉划痕。 试验完成取样时用蒸馏水小心冲洗样板表面然后进行表面观察和分析。 盐雾试验前样板如图 2 所示

 

 
海南岛现场曝晒试验参照 GB / T 3681-2000 “塑料大气暴露试验方法及 GB / T 9276-1996“涂层自然气候暴露试验方法执行试验 6 个月曝晒试验现场如图 3 所示。 进行户外曝晒试验的试板在离短边 20 mm处划宽 2 mm、长 50 mm 的线槽如图 所示

 

 
1.3 测试方法
EIS 测试使用 PARSTAT 4000+电化学工作站涂层评价池三电极体系测试频率范围为 1.0×(10 -1 ~ 10 5 )Hz,正弦波信号振幅为 10 mV,测试 60 个点获得的几组交流阻抗数据采用Zview 软件对其进行等效电路图拟合分析。 涂层评价池三电极体系包括铂电极为辅助电极饱和甘汞电极为参比电极样板为工作电极电解质溶液是 3.5% NaCl 溶液。 每个涂层试样上随机

 

 
选取 5 个点测试后取其平均值。 红外光谱分析使用Nicolet iS10 傅里叶红谱仪围为 4 000~ 400 cm-1 。 使用 Regulis 8100 描电镜(SEM⁃EDS)观察和分析样板中性盐雾试验后的微观形貌。 涂层失光率测试采用 KGZ ⁃ IB 型度光泽度测量仪用以下公式计算涂层的失光率[10] :
 
失光率= (0 -1 ) / 0 ×1
 
式中为试验前光泽测定,GU;试验后光泽测定值,GU。
 
2 结果分析与讨论
 
2.1 盐雾试验
经过 2 160 h 的盐雾处理后本试验所研究的三层配套体系涂层数码照片如图 5 所示

 

 

可见,2 种方案涂层表面未划痕处均未出现异常现象。 方案 1 涂层划痕处的腐蚀相对严重划痕宽度略有增加方案 2 中的水性黄酮类生物基防锈底漆增强了涂层与钢基底的结合力涂层锈蚀程度不大划痕处没有明显的扩蚀但使用的水性聚氨酯面漆与防锈中间漆并没有形成较好的层间结合力面漆的划痕周围区域出现了轻微的起泡现象因此选择可适用于水性聚氨酯面漆的中间漆是一个待解决的问题即既能保证良好的耐盐雾性又能保证层间结合力)。 而方案 涂层的中漆和面漆具有优异的防渗透性划痕周围起泡失效现象被抑制
 
由 SEM 微观形貌图 6 和图 7)可见经过 2 160 h的中性盐雾试验后方案 1 涂层仍保持相对光滑平整的形貌没有裂纹和微孔等明显的介质传输通道而方案 2 涂层表面呈片层状和块状有裂纹且有表面层脱落的痕迹同时其表面密布许多细小的微孔这将成为介质传输至基底的通道对涂层防护性能会产生较大的不利影响。 根据表面的 EDS 元素扫描结果图 7),Cl 元素在较为光滑的方案 1 涂层表面的分布相对更少且更为弥散方案 2 涂层表面 Cl 元素有少部分局部聚集倾向这是由于在液体介质中或潮湿的环境下 Cl容易在表面缺陷处附着并长时间积累于此这将会加速涂层的失效)。 另外方案 1 涂层中 O、P、S 几种面漆主要元素的分布均比较均匀说明该涂层的聚氨酯面漆经 2 160 h 中性盐雾试验后仍可保持较高的化学结构稳定性

 

 

2.2 氙灯老化和现场曝晒试验
2 种聚氨酯面漆在氙灯老化试验 2 160 h 后和海南岛现场曝晒 6 个月后的表面情况如图 8 和图 9 所示可见氙灯老化试验 2 160 h 方案 1 面漆没有明显变化方案 2 面漆表面出现起皱的失效现象。 相比之下现场曝晒试验后的老化现象更加严重图 9),其中方案 2 涂层在现场曝晒试验后表面出现了开裂现象这可能是户外干湿交替环境对聚氨酯面漆起到的老化加速作用

 

 
在涂层老化过程中涂膜基体官能团会发生分解涂层表面会因逐渐变粗糙而失光或者变色。 故常用失光率变化作为判断涂层老化程度的指标[11] 。 2 种涂层在氙灯老化和海南岛现场曝晒试验前后的吸光度测试数据如图 10 所示表 2 给出了涂层失光率等级评定依,0 至 5 级由低到高分别表示老化的严重程度[12]。
 
从图 10 中可以看出方案 2 水性聚氨酯面漆涂层体系在 2 种老化试验后的光泽度下降趋势更为明显其失光率分别达到了 62.4氙灯老化和 69.9现场曝晒老化),其评估值为第 4 等级。 光泽度的显著降低一方面是由于本研究使用的水性聚氨酯原始表面光泽度较另一方面是由于老化严重。 而方案 1 溶剂型聚氨酯面漆涂层体系在 2 种老化环境下的老化程度均较低, 其失光率均低于 20故将其评定为第1 或第 2 等级

 

 

2.3 电化学阻抗分析
图 11 为涂层样板氙灯老化前后在 3.5% NaCl 溶液中测得的阻抗谱和拟合等效电路表 3 是相应的拟合数据。 图 12 为涂层样板在海南岛现场曝晒前后在3.5% NaCl 溶液中测得的阻抗谱和拟合等效电路表 是相应的拟合数据。 其中s(应等效电路中的 1 )代表溶液电阻应等效电路中的 2 )代表涂层电阻W(对应等效电路中的 2 )代表由物扩散引起的扩散阻抗考虑到涂层表面可能存在不均匀性因此引入常相位角元件CP代替电容其中和 为表征CPE 的常数, 1 为弥散系数表示与纯电容的偏离程与 W 扩散阻抗有关的弥散系数n 的值介于0~1之间涂层体系表现为纯电容或纯电阻时n = 1,n 偏小反映出涂层界面的不均匀性[13]。
 
从阻抗谱中可以看出在氙灯老化和海南岛礁现场曝晒试验前后方案 涂层体系的容抗弧半径始终大于方案 2,其防腐蚀性能优于案 2。 ) c(2 在 ~ 10 Ω·蚀性能14。 , 案 1 2 涂层在氙灯老化和现场曝晒试验前后的 

 

 
10 8 ~10 10 Ω·cm 2之间说明老化前后涂层均具有良好的防腐蚀性能且方案 1 涂层体系的 值始终高于方案 2,因此方案 1 相较方案 2 涂层表现出更加优异的防腐蚀性能和更好的耐老化性能。 从图 11b 中注意到方案 2 涂层在低频区出现了扩散尾即弛豫现象这说明在测试过程中反应由受传质过程控制转为了受扩散过程所控制此时涂层可能已经出现了破坏导致腐蚀介质渗入了体系内部从而降低了涂层体系的防腐蚀性能。 根据拟合的最佳等效电路防腐层仅由 对电阻和电容元素组成,2 个表面层并没有明显的区分即为 1 种介电常数的层结构),这可能是底漆与金属基底良好结合的结果
 
2.4 
案 1 案 2 涂层体系经 2 种老化处理后的红外吸收光谱变化如图 13 所示可发现方案 1 涂层表面聚氨酯峰位没有明显变化表明其中的化学键的破坏程度很低。 方案 2 水性聚氨酯面漆涂层体系在氙灯老化后峰位也没有发生明显变化而在海南现场曝晒试验后案 2 在 1 9 cm 的 -O 1 22cm-1的 -N 2 928 c-1的 H 和 3 401 处的 O-H 键的峰强度都有不用程度的增强这可能由于聚氨酯发生水解反应生成了羧酸和酰胺酰胺键进一步水解造成的化学键和分子链的是导致涂层体系的防腐蚀性能降低的根本原因[15,16]

 

 

 

3 结论

 

对 2 种聚氨酯面漆涂层体系溶剂型丙烯酸聚氨酯面漆与水性脂肪族聚氨酯面漆在室内加速老化性盐雾氙灯老化和自然环境曝晒海南岛老化测试发现水性聚氨酯面漆涂层体系具有更好的耐盐雾性而溶剂型聚氨酯面漆涂层体系具有更突出的耐老化性能其配套涂层的耐蚀性能也相对更好。 具体来说
 
(1)2 160 h 盐雾试验结果表明:2 种涂层样板在未划痕区域均没有明显变化其中溶剂型聚氨酯面漆涂层体系在中性盐雾试验后表面微观结构光滑致密成元素分布均匀可保持更好的化学稳定性水性聚氨酯涂层划痕处无扩蚀且腐蚀程度相对较小具有更好的耐盐雾性能但该面漆与中间漆的层间结合力相对较差部分划痕周围区域的面漆出现轻微起泡现象
 
(2)失光率分析和红外光谱分析均表明溶剂型聚氨酯面漆涂层体系具有更突出的耐老化性能和耐腐蚀性能。 水性聚氨酯面漆涂层体系在海南岛自然曝晒 个月后防腐蚀性能显著降低这可能是由于酰胺键水解从而导致了涂层老化失效
 
(3)相比室内加速老化试验盐雾试验和氙灯老化的现起 2 湿替环境对聚氨酯面漆起到的老化加速作用
 

 

为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参材料保护  2024年2月第57卷第2期 END

 

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