納米SiO2的改性及其對水性聚氨酯樹脂復合涂層的性能影響分析

袁立新 王祿云 糜子文 張國勝 王 宇

(安徽省金盾涂料有限責任公司,安徽 天長 239353)

對比傳統的溶劑型聚氨酯，水性聚氨酯材料的性能更加優越，具有節能環保的特性，但也存在一定的缺陷，如光澤度差、力學強度低、耐水性差等。如果被應用在彈性體、涂料、黏結劑等方面，還可能出現耐腐蝕性不足、機械性能差等問題，想要保證材料的應用效果，需要對其進行相應的改性處理。納米SiO2表面存在大量的羥基，聚氨酯則包含了端異氰酸酯物質，對其進行加成聚合，兩種材料的化學鍵能夠實現可靠連接，從而提升水性聚氨酯復合涂層的成膜性能以及耐腐蝕性。

1 納米SiO2概述

納米SiO2是一種無機化工材料，在工程領域被稱為“白炭黑”。材料本身的尺寸為超細納米級(1～100 nm)，具備許多獨有的特性，其中最具實用性的特性有抗紫外線性能、耐化學性能，如果將其摻入到合適的材料中，能夠提高材料的強度和抗老化性能。納米SiO2有著非常廣泛的用途，在材料中的摻加量一般在0.5～2%之間，極個別產品可能達到10%以上[1]。

納米SiO2主要被應用在一些常見領域：一是電子封裝材料，在對納米SiO2進行表面活性處理后，將其分散在有機硅改性環氧樹脂封裝膠的基質中，這樣能夠將封裝材料的固化時間縮短2～2.5 h，也可以使得其在室溫條件下固化，同時還可以提高密封性能；二是塑料，納米SiO2具有透光性的特點，而且本身粒度極小，能夠使塑料變得更加致密。以聚苯乙烯塑料薄膜為例，在加入納米SiO2的情況下，能夠提高薄膜的透光度和韌性，增強其抗老化性能和防水性能；三是涂料，納米SiO2摻入涂料中，能夠使涂料懸浮性和耐候性差的問題得到解決，使得涂膜能夠更好地與墻體結合，表面的自潔能力也能得到改善；四是陶瓷，使用納米SiO2代替納米Al2O3，能夠在起到納米顆粒作用的同時，進一步提升陶瓷的強度、硬度、韌性等。如果將納米SiO2用于陶瓷基片的復合，則能夠提高基片的致密性和韌性，降低燒結所需的溫度[2]；五是染料，通過添加納米SiO2的方式，可以對染料的表面性質做出改變，在提升染料本身抗老化性能的同時，還可以增強其亮度、色調以及飽和度等相關指標，對染料應用的單位和檔次進行拓展；六是密封膠或者黏結劑，通過加入納米SiO2的方式，可以在密封膠的表面裹上一層有機材料，形成相應的網絡結構，提升其憎水性，有效抑制膠體流動的同時，也能夠加快膠體固化的速度，進一步提升黏結效果，強化產品的密封性以及防滲性；七是化妝品，納米SiO2本身屬于無機成分，很容易實現與化妝品中其他組分的配伍，而且無毒無味，穩定性強，對于紫外線有著很強的反射能力，在紫外線照射的情況下不會出現變色或者分解，更不會和其他組分發生化學反應，能夠推動化妝品尤其是防曬用品的換代升級；八是抗菌材料，納米SiO2有著很大的比表面積和很強的吸附能力，通過將功能性離子(如銀離子)摻入納米SiO2表面介孔的方式，可以開發出具備高效性和持久性，同時耐高溫的納米抗菌材料，這些材料可以被廣泛地應用到醫療衛生[3]、化學建材、家電制品中。

2 納米SiO2改性對于水性聚氨酯樹脂復合涂層性能的影響

水性聚氨酯樹脂是一種以水為分散介質的聚氨酯，是一種非常優良的水性樹脂，也是現代水性樹脂研究的熱點。水性聚氨酯樹脂最基本的用途是皮革涂飾劑，具有柔韌性強、耐磨性好的特點，可以作為天然皮革以及人造皮革的涂層劑或者補傷劑，處理后的皮革豐滿光亮，手感滑爽柔軟，能夠極大地提高皮具的檔次。

本文以乙醇水溶液為載體，借助硅烷偶聯劑KH560，對納米SiO2進行了改性處理，制備出一種新的納米SiO2改性水性聚氨酯復合鈍化液，并對其性能進行研究。

2.1 材料與方法

2.1.1 材料

脂肪族屬性聚氨酯WPU-2802B，γ-(2，3-環氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)，氣相納米SiO2，粒徑為10～20 nm，在使用前沒有對其表面進行任何處理。其余的材料有無水乙醇、乙酸、30%質量分數的雙氧水、去離子水以及六偏磷酸鈉等[4]。

2.1.2 處理

在一定比例的乙醇水溶液中，融入納米SiO2，機械攪拌3～4 h，加入適量表面活性劑(十二烷基硫酸鈉)以及分散劑(六偏磷酸鈉)對其分散性進行改善。KH560在酸性條件下水解，使用乙酸對水解溶液的pH值進行調節，等到完全水解后，將其和之前配置的預分散液進行混合，溫度保持40～50 ℃，使用超聲波振蕩3～4 h，最終得到納米SiO2改性分散液。

結合相應的正交試驗，確定水性聚氨酯復合鈍化液的最佳配比：水性聚氨酯450 g/L，使用雙氧水改性的氟鈦酸7 g/L，硅烷偶聯劑KH560 30 g/L。鈍化液的pH值盡量控制在6.5～7.5。在熱鍍鋅板上進行鈍化膜的涂覆，鍍鋅板的尺寸為50 mm×25 mm×0.75 mm。在實際操作中，需要先使用丙酮對板材進行超聲清洗，時間為15 min，將表面油脂和雜質去除，然后依次進行堿洗、去離子水沖洗、自然晾干后，在室溫條件下，將板材浸入鈍化液中60 s，取出后再次晾干，然后放入烘箱內，設置溫度110 ℃，烘烤30 min，取出后在自然條件下放置24 h，然后進行性能測試。采用同樣的方法，制備出未添加納米SiO2的水性聚氨酯鈍化膜，用做對比分析[5]。

2.1.3 測試

一是中性鹽霧測試。對照GB/T 10125—2015的相關要求開展測試，選擇NaCl溶液(50 g/L)，將其pH值調節為6.5～7.5，鹽霧箱內部的溫度為33～37 ℃，要求試樣和鹽霧架垂直方向保持30°傾斜放置。在連續噴霧24 h、48 h和72 h后，根據其表面白銹的面積百分比，對鈍化膜的耐腐蝕性進行評價。二是Tafel極化曲線與交流阻抗測試。使用CHI660D系列三電極體系電化學工作站，在室溫環境下進行電化學測試，選擇暴露面積為1 cm2的鈍化膜樣品作為工作電極，飽和甘汞電極SCE作為參比電極，1 cm2的鉑網作為輔助電極，在NaCl溶液(50 g/L)中進行腐蝕。在進行Tafel極化曲線測試時，動電位的掃描速率設置為1 mV/s，交流阻抗EIS的頻率范圍在105～10-2Hz之間，Tafel極化曲線相關數據的分析使用電化學分析儀器附帶的軟件，EIS相關數據的獲取則借助Zsimpwin軟件擬合實現。

2.2 結果與討論

2.2.1 納米SiO2改性

納米SiO2表面存在處于不同鍵合狀態的羥基以及大量不飽和狀態的殘鍵，在缺少氧原子的情況下，無法形成穩定的離子結構，反應活性強，這也使得納米SiO2在水溶液中很容易出現團聚，形成相應的二次結構，對其進行表面改性處理非常必要[6]。

KH560在酸性條件下會發生水解，生成相應的硅羥基，硅羥基可以和納米SiO2表面存在的羥基發生脫水縮合反應；另一端的環氧鍵則能夠在適當條件下打開，實現與有機機體的結合，確保納米SiO2在有機溶劑中能夠具備更強的分散性。結合相關改性試驗，分析納米SiO2含量、乙醇水溶液配比和改性劑含量對于納米SiO2分散性的影響，具體的試驗設計方案見表1。

表1 納米SiO2改性試驗設計方案

通過試驗，得到了9種改性納米SiO2溶液。靜置一段時間，在25 ℃環境下，對SiO2粒徑進行測量。對照測量結果分析，8號樣品的粒徑最小，平均值為298.8 nm。對所有的測量結果進行對比，可以發現，在一定范圍內，當納米SiO2的用量增加時，其粒徑會不斷減小，但納米SiO2的用量超過一定數值，粒徑又會呈現出明顯增大的趨勢。多次對比試驗后發現，納米SiO2的質量分數為5%時，得到的分散液有著最佳的分散效果。同樣，乙醇水溶液的配比對于納米SiO2分散性有著較大影響，從改善分散性的角度，需要將水和乙醇的質量比控制在1∶2 到1∶3之間。硅烷偶聯劑KH560的用量為納米SiO2質量的10%時，可以達到最佳的分散性。在試驗中還加入了相應的助劑，如作為表面活性劑的十二烷基硫酸鈉以及作為分散劑的六偏磷酸鈉，其同樣可以改善納米SiO2的分散效果[7]。

2.2.2 中性鹽霧測試結果分析

中性鹽霧測試結果如表2所示。

表2 中性鹽霧測試結果

經過24 h中性鹽霧測試后，空白鍍鋅板上的腐蝕面積超過50%，聚氨酯復合鈍化膜的腐蝕面積接近10%，而納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜基本沒有出現明顯被腐蝕的痕跡；48 h中性鹽霧測試后，空白鍍鋅板幾乎完全腐蝕，腐蝕面積接近100%，聚氨酯復合鈍化膜的腐蝕面積在16～21%，納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜僅僅是表面有部分白銹，腐蝕面積僅為2～4%；72 h中性鹽霧測試后，空白鍍鋅板的腐蝕面積達到100%，聚氨酯復合鈍化膜的腐蝕面積接近一半，而納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜的腐蝕面積僅有5～7%。通過對比可以明顯看到，利用納米SiO2改性后，聚氨酯復合鈍化膜對腐蝕的抵抗能力得到了明顯提升[8]。

2.2.3 Tafel極化曲線分析

試驗中獲取的Tafel極化曲線如圖1所示。相關數據見表3。

圖1 Tafel極化曲線

表3 Tafel極化曲線數據

對比未經鈍化處理的鍍鋅板以及聚氨酯復合鈍化膜，利用納米SiO2改性的聚氨酯復合鈍化膜自腐蝕電流密度明顯縮小。可以認為在加入納米SiO2的情況下，鈍化膜起到了有效的抗腐蝕作用，從而提升了對腐蝕的抵抗能力。陰極自腐蝕電流密度相比較陽極區域下降得更加迅速，表明在借助納米SiO2改性后，陰極區域獲得的保護更大。分析原因，可能是納米SiO2在一定程度上提高了膜層本身的致密性，有效地抑制了氧氣對于膜層的腐蝕。

2.2.4 EIS譜分析

EIS譜如圖2所示。

圖2 EIS圖譜

沒有經過鈍化處理的鍍鋅板容抗弧相對較小，聚氨酯樹脂復合鈍化膜的容抗弧提升明顯，在加入納米SiO2進行改性后，膜層對于腐蝕介質的抵抗能力得到了顯著提升。同時，沒有經過鈍化處理的鍍鋅板的阻抗會在頻率下降的情況下，出現增幅減小的現象，納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜本身比聚氨酯樹脂鈍化膜有著更大的阻抗值，耐腐蝕性也更好。EIS擬合等效電路圖如圖3，其中RS表示腐蝕溶液的電阻，Rc表示鈍化膜電阻，RCT表示電荷轉移電阻，CPE1-T和CPE2-T分別表示鈍化膜電容以及電化學反應雙電層電容[9]。EIS等效擬合數據見表4。

圖3 EIS擬合等效電路圖

表4 EIS等效擬合數據

相較聚氨酯復合鈍化膜，納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜的Rc值更大，電容值降低。這種情況表明納米SiO2填充到了鈍化膜表面與內部孔隙中，膜層的致密性大大提升，很大程度上抑制了鍍鋅板的電化學腐蝕作用，也十分有效地阻擋了腐蝕介質的侵蝕。

2.3 結論

結合上述試驗分析，得到如下結論：

(1) 借助硅烷偶聯劑KH560對納米SiO2進行表面改性，能夠取得理想的效果。從保證分散性的角度，需要將納米SiO2的含量控制在5～7%，乙醇水溶液中水和乙醇的比例為1∶(2～3)，同時硅烷偶聯劑的用量為納米SiO2質量的10%；

(2) 相較未改性的聚氨酯復合鈍化膜，納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜在耐腐蝕性能方面有顯著提高；

(3) 試驗中配置出的納米SiO2改性聚氨酯復合鈍化膜屬于綠色環保產品，原料價格低廉，獲取容易，工藝流程簡單，可以替代當前市場中廣泛使用的鉻酸鹽鈍化液，市場前景廣闊[10]。

3 結語

總而言之，水性聚氨酯樹脂在實際應用中有著非常明顯的優勢，但是同樣存在一些不容忽視的缺陷。利用納米SiO2對水性聚氨酯樹脂進行改性處理，能夠切實提高其抗腐蝕性和力學強度，增強表面光澤度，使得水性聚氨酯樹脂材料能夠被更好地應用到涂料、膠黏劑等領域，將材料的優勢充分發揮出來，帶動相關材料研究領域的健康發展。