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喷涂聚脲与聚氨酯防护涂层的自然环境老化性能研究

http://www.coatings.hc360.com2018年07月25日09:28 来源:涂料工业T|T

    慧聪涂料网讯:青岛理工大学功能材料研究所是由我国聚脲技术领军人物黄微波教授创建,是专门从事纯聚脲研究、开发、鉴定、检测、推广、应用的专业机构,已成为我国纯聚脲技术研究与推广的创新中心和服务平台,同时,构筑了中国与世界聚脲技术交流的桥梁和纽带。

    该研究所积极开展以聚脲技术为背景的科技创新工作,长期与国外知名学者、跨国公司交流与合作,不断将最先进的防护理念、技术和工艺引进国内,推动行业技术进步和产品升级换代;研究所承担了国家自然科学基金项目、国“九五”-“十二五”科技攻关等国家级课题16项、省部级科研项目20余项。研究所拥有门类较齐全的仪器设备,为聚脲技术的深入研究和领域拓展,提供了良好的硬件支撑条件。

    主要研究成果有:

    基础设施超长寿命防护新材料及关键技术

    混凝土在役快速修复新技术

    阻尼减振降噪与防护一体化技术

    高铁桥梁混凝土喷涂聚脲防护新技术

    水利行业超抗冲刷耐磨蚀新材料与技术

    具有抗爆功能喷涂聚脲材料的研制

    目前,防护涂层的应用领域十分广泛,例如建筑、桥梁、隧道、高铁等工程。由于受大气环境的影响,涂层的老化问题日渐突出,严重影响了其防护性能,学者们针对涂层的自然老化问题进行了广泛的研究。耿舒等采用光泽度仪、SEM、FT-IR及EIS等手段对丙烯酸聚氨酯防腐涂层的紫外线老化行为进行了研究,结果发现丙烯酸聚氨酯涂层在发生明显的降解之前其防护性能已经明显下降。李鑫茂利用宏观和微观相结合的方法对3种聚脲涂层自然曝晒270d后的性能进行了分析,从表面和断面微观形貌得出曝晒270d后的聚脲涂层仅在表面发生明显老化现象,涂层内部结构没有发生变化。张寒露等采用SEM、FT-IR光谱、金相显微镜等手段对三亚室外自然曝晒和氙弧灯老化条件下聚氨酯涂层的老化行为进行了研究,结果表明:室外自然曝晒和氙弧灯老化下聚氨酯涂层失效时的表面形态和劣化机理一致,可以用室内氙弧灯老化实验对室外自然曝晒实验进行模拟,自然曝晒实验能更真实反映出涂层的老化性能。

    自然曝晒实验将试样暴露在自然环境下,通过观察其性能随时间变化的特点,对其耐久性进行评估。室外自然曝晒实验能够真实有效地反映涂层老化的形貌特征及分子结构等的变化情况。本文选用QF系列防护材料进行大气自然环境老化对比试验,探讨上述材料在自然曝晒环境中性能的变化规律,从而选出耐老化性更为优异的涂层。

    1实验部分

    1.1实验原料及制备

    QF-162喷涂聚脲涂层和QF-178喷涂聚氨酯涂层均为青岛理工大学功能材料研究所自制,QF-162喷涂聚脲涂层A组分为纯MDI(烟台万华)和端羟基聚醚进行预聚,预聚物—NCO含量为15.5%,B组分由端氨基聚醚、胺类扩链剂(淄博正大)组成;QF-178喷涂聚氨酯涂层A组分为纯MDI(烟台万华)和端羟基聚醚进行预聚,预聚物—NCO含量为15.5%,B组分由端羟基聚醚和扩链剂(上海高桥)组成。

    在PVC塑料板(通用)基材上喷涂一层脱模剂,采用美国PMC喷涂设备,喷涂厚约2.0mm的涂层。进行拉伸实验的各材料需用切片机裁成哑铃型。

    1.2试验设备

    万能实验机(MZ-4000D1)、切片机(MZ-4102)、厚度计(MZ-4032):江苏明珠实验机械有限公司;光泽度仪:XGP系列,天津信通光达科技有限公司;傅里叶红外光谱仪(Tensor27):德国布鲁克光谱仪公司;聚脲喷涂设备(PHX-40):美国PMC公司。

    1.3试验环境

    室外自然环境为青岛理工大学2号结构实验楼顶户外曝晒场。

    1.4户外自然曝晒实验

    进行室外自然曝晒实验所用的各材料要按照GB/T9276—1996的要求,将样片挂于室外曝晒现场的曝晒架上,分别测试其曝晒7d、194d、233d、538d、573d和2493d后拉伸强度、断裂伸长率和光泽的变化。

    1.5性能测试与微观分析

    材料的宏观性能测试和微观性能研究分别通过拉伸试验、断裂试验和FT-IR进行表征。

    2结果与讨论

    2.1力学性能

    图1是QF-162涂层和QF-178涂层经户外曝晒7d、194d、233d、538d、573d和2493d后的拉伸强度和断裂伸长率的变化。

    从图1可以得出,海洋大气环境户外自然曝晒对QF-162涂层的力学性能影响并不是很大,对QF-178涂层的影响显著。在经过2493d的户外自然曝晒后,QF-178涂层的力学性能几乎完全丧失,而QF-162涂层仍保持较好的力学性能,其拉伸强度保持在15MPa以上,断裂伸长率保持在400%左右,表现出较好的耐老化性能。

图1 涂层在自然曝晒下力学性能的变化

图1 涂层在自然曝晒下力学性能的变化

    2.2光泽

    太阳光中的短波紫外光通常是引起聚合物破坏的主要原因,而海洋大气环境下的紫外线辐射更为强烈[9]。依据标准GB/T8807—1988对2种涂层在老化前和2493d的户外自然曝晒后光泽进行测试,测试结果见表1,2种涂层颜色的变化情况见图2所示。

    由表1可知,老化2493d后,2种涂层失光严重。老化前QF-162涂层和QF-178涂层光泽分别为82.8和82.9,老化2493d后,光泽分别下降至10.9和8.6。可见户外自然曝晒对2种涂层光泽的影响十分显著。

表1 2种涂层在老化前和老化2493d后光泽的变化

表1 2种涂层在老化前和老化2493d后光泽的变化

图2 涂层经室外自然曝晒前后颜色的变化

图2 涂层经室外自然曝晒前后颜色的变化

    从图2(a)可以发现,涂层经过2493d户外自然曝晒后,2种涂层的颜色均发生了不同程度的变化。QF-162涂层的颜色由起初的橘黄色变成暗黄色,QF-178涂层由红色变成咖啡色。这是因为随着曝晒时间的延长,涂层会出现不同程度的黄变。且从图1(b)中可以看出,QF-178涂层表面出现严重的裂纹。

    综合表1、图2可以初步断定:经过2493d的户外自然曝晒后,2种涂层中部分化学键均发生了断裂,导致涂层发生化学降解,从而出现了涂层老化现象,进而出现力学强度和光泽下降的现象。

    2.3红外光谱分析

    QF-162和QF-178涂层户外自然曝晒前后的FT-IR如图3所示。涂层自然老化2493d后,将其表面老化部分用砂纸打磨掉,除去表面3~5μm失光老化部分,再进行红外表征,结果如图4所示。

图3 自然曝晒老化前后样片的FT-IR光谱

图3 自然曝晒老化前后样片的FT-IR光谱

    图3(a)显示,在3360cm-1处是N—H伸缩振动峰,2965.55~2870.16cm-1范围内是C—H伸缩振动峰,1600~1700cm-1范围内是C=O的特征峰,在1530cm-1处是C—N和N—R的伸缩振动峰,1100~1016cm-1范围内是C—O—C的伸缩振动峰,以上特征峰的存在证明QF-162涂层中含有脲键—NHCONH—。经自然曝晒老化2493d后的图谱与老化前相比,3360cm-1处的N—H伸缩振动峰、2965.55~2870.16cm-1范围内的C—H伸缩振动峰、1600~1700cm-1范围内C=O的特征峰以及1530cm-1处的C—N和N—R的伸缩振动峰都几乎难以分辨,说明这些伸缩振动峰和特征峰在自然曝晒老化过程中均发生了明显的减弱,内部的化学键出现了一定程度的断裂;1100~1016cm-1范围内的C—O—C的伸缩振动峰相比老化前的峰值也发生了明显的减弱和变宽现象。以上特征峰的变化结果说明了QF-162涂层在户外自然曝晒过程中其化学键发生了断裂。图3(b)显示,在2925cm-1和2852cm-1处为—CH2振动峰,1728cm-1处为酯的C=O吸收振动峰,1453.5cm-1处为苯环上的C=C吸收振动峰,1523cm-1处是—NH和—CN的吸收振动峰。与老化前相比,QF-178涂层的户外曝晒样片在各个峰处的强度都有明显的减弱,几乎难以分辨,说明各振动峰处的化学键均发生了严重的断裂。

    从图4(a)可以看出,打磨后的QF-162涂层FT-IR光谱与原始样片保持一致,说明除去表面老化失光部分后的内部涂层没有发生化学键断裂和氧化还原反应。结合力学性能研究结果可知,老化后的QF-162涂层内部结构并没有发生变化,仅在涂层表面发生了老化现象。从图4(b)中可以看出,打磨表面老化后的QF-178涂层的FT-IR光谱与老化前大致保持相同,表明打磨后的涂层也没有出现断键和氧化还原反应,但结合力学研究结果可以看出,QF-178涂层的力学性能几乎完全丧失,仅有2.2MPa的拉伸强度是由打磨表面老化部分后剩余涂层提供,可见,在经过2493d户外自然曝晒后,仅剩少量聚氨酯涂层没有老化,老化部分涂层内部化学键断裂十分明显,分子结构发生了较大变化,涂层已不具备任何使用价值。

图4 老化前与老化后涂层表面打磨样片的FT-IR光谱

图4 老化前与老化后涂层表面打磨样片的FT-IR光谱

    3结语

    (1)经户外自然曝晒老化2493d后,QF-162涂层仍保持稳定的力学性能,其拉伸强度保持在15MPa以上,断裂伸长率达400%以上,仅下降14.38%;涂层失光率达86.84%,涂层老化前后颜色变化显著。从力学性能及微观研究结果可知,老化仅使涂层表面小部分分子键发生断裂,而内部结构没有发生变化,涂层仍保持稳定的性能。

    (2)在户外自然曝晒2493d后QF-178涂层的力学性能几乎完全丧失,其拉伸强度只有2.20MPa,相比老化前下降90.71%,断裂伸长率下降98.75%;涂层失光率达89.63%,老化后涂层表面出现了严重的裂纹,从微观结构分析可知,涂层内部结构变化明显,已不具备任何使用价值。

责任编辑:吴燕英2

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