無機改性水性涂料的制備及其性能研究

趙胤

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

金屬材料作為我國建筑行業與工業發展的重要基礎，其在實際的使用過程中往往具有較強的導熱性與導電性。但受到自然環境等因素的影響，絕大部分金屬材料在實際的運用過程中往往會受到外界因素的影響而產生腐蝕現象，若腐蝕程度過高，極容易導致安全事故的發生。因此選擇適當的涂層對金屬材料進行保護已經成為現階段各種行業中抑制金屬材料腐蝕速度的有效途徑之一。當前行業中采取的涂層材料按照其性質可分為有機與無機兩種，其中有機材料往往為溶劑型，其在實際的使用過程中，材料中包含的一些有毒揮發性有機物往往會對周邊的環境造成較大的污染。因此，為了順應國家的可持續發展戰略，加強對無機改性水性涂料制備與性能的研究就具有十分重要的現實意義。

1 行業內的研究現狀

整合當前行業內對水性聚安酯乳液的研究結果可以得出以下結論：將硅元素與氟元素運用到水性聚氨酯乳液中，可以實現材料自身的疏水性的大幅度提升；通過紫外線將不飽和鍵聚合物分子與該材料進行固化交聯可以實現實際涂層致密性與耐水性的實質性提高。想要提高涂層的拉伸性與吸水性則可以加入一些硅氧烷。除上述性能外，運用無機材料實現對水性涂料的改性操作，可以幫助該材料提高自身的力學性能，并幫助其優化一些其他方面的能力[1]。雖然石墨烯也可實現對該材料的改性操作，但受到其顏色與導電性的影響，往往會導致改性后的材料電化學腐蝕速度大幅度提升。因此本文就結合現階段行業內對其的研究成果，探究了運用無極納米材料實現的水性均值乳液的改性操作，并結合實驗結果分析了幾點能夠提高其綜合性能的條件。

2 實驗流程

2.1 實驗材料清單

本實驗運用的材料包括分析純濃度的二烯丙基胺、無水乙醇、無水甲醇、γ-（2，3 環氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、二丁基二月桂酸錫、二正丁胺、三甲氧基硅烷、1，4-丁二醇、丙酮、三乙胺、異佛爾酮二異氰酸酯、聚丙二醇2000、2，2-二羥甲基丁酸以及2 至4微米的六方氮化硼。

2.2 實驗材料的準備

2.2.1 羥基化六方氮化硼的制備

首先需要稱取一定量粉末狀的六方氮化硼，將其放置在相應的瓷方舟中，隨后將裝有六方氮化硼粉末的磁方舟置于管式真空爐的中心位置，并在其正上方的通風口處放置一個裝滿水的磁方舟，這樣可以為羥基化六方氮化硼的制備操作營造出適配性更強的水蒸氣環境。完成此步操作后，將管式真空爐內的空氣抽盡，并以適當的速度向其中注入氬氣，隨后對其進行加熱，達到900℃后，先保持其3 小時的保溫效果再實施降溫冷卻操作。此步驟結束后可以獲得一些雜質較多的粗產物。將這些粗產物放置在高速離心機中以適當的速度對其離心處理，可將粗產物中的一些大顆粒雜質輕松除去，這時其上部就是羥基化六方氮化硼的懸濁液，對其實施一系列的蒸發干燥操作后就可獲得實驗所需要的羥基化六方氮化硼[2]。

2.2.2 多官能度封端劑的制備

在制備多官能度封端劑時，首先需要在適當容量的三口燒瓶中加入一定量的二烯丙基胺，并根據二烯丙基胺的量加入一定量的無水乙醇，隨后向燒瓶中持續通入氮氣并不斷攪拌。在這一過程中還需要以較慢的速度持續滴入一定量的γ-（2，3 環氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，再將其置于80℃的環境中，確保其能夠進行充分反應。該過程大約需要持續4 小時，在反應結束后，就可通過旋蒸的操作對溶劑中一些未反應的物質進行篩查，從而不需過濾就可得到本實驗所需的淡黃色液體產物多官能度封端劑。

2.2.3 水性聚氨酯乳液分散液

想要實現水性聚氨酯乳液分散液的制備，首先需要將一定比例的異佛爾酮二異氰酸酯與聚丙二醇按照順序置于配備了電子攪拌器與冷凝器的圓底燒瓶中，隨后對該燒瓶進行加溫操作，溫度升至90℃后，向其中加入一定量的二丁基二月桂酸錫作為反應的催化劑，在經過了一小時的充分反應后，向其中加入一定量的2，2-二羥甲基丁酸，并降低燒瓶溫度，使其始終保持在80℃。再然后就可在通入氮氣的同時對其實施攪拌操作，在這一環節中要對燒瓶內的反應效率進行實時測量，當反應效果達到了一定的標準后，再加入適量的三甲氧基硅烷1，4-丁二醇，使其充分反應1 小時[3]。

完成上述三種材料的制備后，就可制備最終的水性聚氨酯乳液和水性聚氨酯/羥基化六方氮化硼復合溶液。在具體的準備過程中，需要先將有水性聚氨酯乳液分散液的燒瓶降溫至50 度，并向其中加入一定量的丙酮，隨后加入適量具備好的多官能度封端劑，進行4小時的充分反應，反應結束后加入一定量的中合劑，攪拌0.5 小時，加入一定量制備好的羥基化六方氮化硼粉末，攪拌0.5 小時。在上述操作均結束后，可以向其中加入一定量的離子水，并對其進行離心操作，再通過相應的旋蒸操作去除溶液中的丙酮，這樣就得到了實驗所需要的復合溶液。

2.3 聚氨酯薄膜與涂層的制備

2.3.1 聚氨酯薄膜的制備

實驗中需要制備的涂層包括聚氨酯薄膜聚氨酯涂層兩種。

首先在制備聚氨酯薄膜時，需要先在制備好的多官能度封端劑中加入一定質量分數的光引發劑，并借助電子攪拌機與超聲波設備使光引發劑能夠較為均勻的狀態存在于多官能度封端劑，隨后就可將該溶液澆筑到相應的實驗器材表面形成實驗所需要的聚氨酯薄膜。在澆筑操作完成后，首先需要將薄膜置于常溫的環境中7 小時左右，隨后將其轉至真空環境中，將溫度控制在50℃左右干燥24 小時。這時薄膜的厚度大約為0.4mm。再將薄膜在常溫環境中用暗箱紫外分析儀照射15 分后，將其移至烘箱中保持50℃的溫度，烘烤45 分鐘。

2.3.2 聚氨酯涂層的制備

聚氨酯涂層的制備方法與聚氨酯薄膜的制備方法存在著較大的不同。在聚氨酯涂層的制備過程中，首先需要將實驗所需的鋁板運用不同目數的砂紙打磨至表面光滑后，再運用無水乙醇等材料對其表面的其他物質進行清洗，清洗完成后，將其表面擦干，并將鋁板放置在烘爐中，烘干殘留水分。隨后將制備出的水性聚氨酯乳液通過滴加的方式均勻覆蓋在鋁板表面，并通過人工的幫助使乳液在鋁板上流平。隨后將其放置在通風干燥的環境中7 小時，再運用暗箱紫外分析儀進行相關處理，處理完成后，將其放置在烘箱中，保持50℃的溫度，烘烤45 分鐘就得到了最終的聚氨酯涂層[4]。

3 實驗結果與分析

3.1 接觸角與吸水性的變化情況

實驗結果表明，隨著多官能度封端劑加入量的不斷增加，水性涂料實際的接觸角也在不斷增大。這種現象恰巧說明了在加入了多官能度封端劑后，水性涂料的輸水性得到了實質性的提高。相對而言，水性涂料的輸水性越好，那么也就說明其具體的耐水性越好。換句話說，實現了對其的無機改性操作后，水性涂料的耐水性得到了實質性的提高。根據具體的數據顯示，在水性涂料中加入多官能度封端劑實現了無機改性操作后其實際的吸水效果獲得了明顯的降低。與此同時，在運用了羥基化六方氮化硼材料后，水性涂料的吸水性發生了明顯的變化。總的來說，在具體的水性涂料中，加入多官能度封端劑與羥基化六方氮化硼分別可以提高水性涂料的耐水性能，并降低其吸水性，從而使水性涂料的耐水性能得到更加全面的提高[5]。

3.2 物理性質的變化

實驗結果表明，隨著多官能度封端劑添加量的不斷增加，水性涂料的韌性得到了顯著的優化。其中，當多官能度封端劑含量保持在10%左右時，對水性涂料韌性的優化效果達到了最高點，并且隨著其添加量不斷增加，水性涂料的韌性會逐漸轉變為剛性。同時隨著羥基化六方氮化硼添加量的不斷增加，水性涂料的韌性也能得到較為明顯的優化，其往往會隨著羥基化六方氮化硼添加量的不斷增加，而使水性涂料的韌性不斷增強。

總的來說，將多官能度封端劑與羥基化六方氮化硼添加至水性涂料中均可實現水性涂料韌性的有效優化，在實際的使用過程中就可將二者結合運用，從而使水性涂料的優化效果得到最大程度的提高。

3.3 涂料斷面形貌的變化

對實驗結果進行分析可以發現，隨著多官能度封端劑添加量的不斷增加，水性涂料薄膜的斷面形貌也變得越來越復雜且多樣化。從根本上來講，這種情況可以看作是較為標準的韌性斷裂特點。產生這種情況的根本原因是水性涂料在干燥的過程中多官能度封端劑中包含的硅氧烷基會發生水解反應，從而使水性涂料自身產生交聯現象，最終使得水性涂料內部的結構變得更加復雜化。大幅度拉伸的操作時，水性涂料內部的形變程度就會不斷增大，最終導致韌性斷裂的產生。而隨著羥基化六方氮化硼添加量的不斷增大，水性涂料的斷面形貌則開始產生了微坑的情況，且這些微坑的分布與蜂窩的結構相似。而產生這種現象的根本原因是羥基化六方氮化硼材料會與硅氧烷基團產生較強的作用力，從而使水性涂料內部的結構變得愈發復雜。對這一性質發生的改變進行分析發現，羥基化六方氮化硼材料的加入使得水性涂料的韌性發生了較大的轉變，斷面形貌的韌性斷裂特點也隨著羥基化六方氮化硼材料的添加逐漸變成了韌窩斷裂特點[6]。

3.4 防腐蝕能力的變化

使用水性涂料的最根本目標是對涂料下的結構進行保護，避免其受到各種因素的影響而發生腐蝕現象。因此水性涂料自身的防腐蝕性也是決定其整體性能的重要因素之一，而本實驗通過對于實驗數據的對比分析，并對不同階段水性涂料防腐蝕性能的變化情況進行分析可以發現，水性涂料的被腐蝕程度會隨著多官能度封端劑添加量的不斷增加而持續下降，并且水性涂料在添加了多官能度封端劑后，自身也產生了較強的自腐蝕電位。這在一定程度上可以說明水性涂料的防腐蝕性能往往會受到多官能度封端劑添加量的重要影響。詳細來看，當多官能度封端劑添加量達到10%左右時，水性涂層的被腐蝕程度降到了最低，這也就意味著其防腐蝕性能達到了最強值。而在此之后繼續添加多官能度封端劑，則會使水性涂料的防腐蝕性能略微發生下降的情況。

通過對比實驗發現，制備出的不同比例的復合材料往往就有不同的防腐蝕性能。在多次實驗中，多官能度封端劑添加量為1.7g，羥基化六方氮化硼，添加量為0.2g 時，復合水性材料的防腐蝕性能最優秀。這在一定程度上也說明了羥基化六方氮化硼的添加可以有效提高水性涂料的防腐蝕能力。而產生這種情況的根本原因主要是純度較高的聚氨酯涂層海固化過程中，其表面積容易產生較多的氣泡，從而使水性涂料內部的結構產生缺陷。加之水性涂料自身具有較強的親水性能，這就導致純度較高的聚氨酯層水性涂料在實際的模擬實驗中耐腐蝕能力較弱。而在加入了適當的多官能度封端劑后，其可以減少無機改性水性涂料在固化過程中表面產生的氣泡數量，加之其的添加使水性涂料具有較強的疏水性，因此往往能夠使無機改性水性涂料的抗腐蝕能力得到實質性的提高。而在無機改性操作過程中對多官能度封端劑與羥基化六方氮化硼的特點進行綜合運用，可以使無機感性水性涂料的耐腐蝕性能得到更有效的提高。

4 結語

總的來說，本文通過具體的實驗對無機改性水性涂料的制備以及其具體的性能進行了較為全面的研究，并且在具體的實驗結束后，通過實驗結果得出了以下結論：無機改性操作可以對水性涂料的耐水性能、物理性能、斷面形貌以及耐腐蝕性能等造成積極的影響。