摘要:以四乙氧基硅烷(TEOS)作为主要前驱体,通过改变溶胶-凝胶工艺参数制得了结构和形态各异的丙烯酸酯聚氨酯/SiO2纳米复合涂层,利用TEM、SAXS等手段表征涂层的结构与形态,由洗刷前后涂层的失光率来表征耐刮伤性,详细探讨了纳米复合涂层耐刮伤性与SiO2相特征、有机无机相作用力及SiO2质量分数之间的关系。研究表明:丙烯酸酯聚氨酯涂层中引入纳米SiO2相后,耐刮伤性明显提高。有机相与SiO2相之间的作用力是影响涂层耐刮伤性的最重要因素,作用力越强,耐刮伤性越好。网络状纳米SiO2与颗粒状纳米SiO2相比,更有利于耐刮伤性的提高,且网络状纳米SiO2质量分数越大,耐刮伤性越佳,但SiO2相的致密度和尺寸对耐刮伤性影响较小。对于颗粒状胶体SiO2,在15～160nm范围内,粒径对耐刮伤性没有明显影响;随着胶体SiO2粒子的质量分数增加,耐刮伤性先增大后减小。

    关键词:丙烯酸酯聚氨酯涂层;耐刮伤性;胶体二氧化硅;纳米复合涂层;失光率

    0引言

    汽车、家具等物件表面的罩光涂层在使用过程中容易受到沙石、洗涤或人为刮擦而损伤,导致失光、划痕,影响涂膜美观,因此,耐刮伤性成为衡量涂膜性能的一个重要指标。目前,采用纳米材料复合技术来提高有机涂层的耐刮伤性已成为研究热点,其中SiO2是采用最为普遍的无机相体系。Leder,等[1]和Bauer,等[2]研究表明,气相白炭黑(实际为纳米SiO2粒子)能改善紫外光固化涂料和溶剂型涂料的耐刮伤性;Frings,等[3]的研究表明,在聚酯/三聚氰胺涂料中引入四乙氧基硅烷(TEOS)预水解物后得到的杂化涂层耐刮伤性能得以提高。毫无疑问,纳米SiO2在提高有机涂层耐刮伤性方面具有重要价值。但是由于纳米SiO2相既可以来自纳米SiO2粉体,也可以来自胶体纳米SiO2,还可以来自硅氧烷的水解缩合,因此得到的纳米复合涂层结构形态可以多种多样,到底哪一种形态的涂层耐刮伤性最佳,人们知之甚少。

    本文以丙烯酸酯聚氨酯涂料作有机相,四乙氧基硅烷作SiO2相前驱体,通过溶胶-凝胶法制得了不同结构与形态的丙烯酸酯聚氨酯/SiO2纳米复合涂层,探讨了涂层耐刮伤性与其结构和形态之间的关系。

    1实验部分

    以TEOS作为主要前驱体,通过碱催化溶胶-凝胶工艺制得不同粒径SiO2粒子,用不同硅烷偶联剂表面改性制备不同表面特性的SiO2粒子,通过酸催化溶胶-凝胶工艺制得不同特性的SiO2网络。将制得的胶体SiO2粒子或网络与高固体分丙烯酸树脂混合,再与六亚甲基二异氰酸酯(HDI)三聚体固化制得结构和形态各异的丙烯酸酯聚氨酯/SiO2纳米复合涂料。具体制备工艺参见文献[4-5]。

    利用透射电镜(TEM)、小角X射线散射(SAXS)等手段表征涂层的结构与形态。文献[6]中报道的涂层耐刮伤性测试方法有多种,包括:汽车刷洗涤法、刮痕法、磨耗法等,本文在JTX-II建筑涂料耐洗刷仪上一次性循环洗刷1000次来测定耐刮伤性。利用洗刷前后的涂层失光率来表征耐刮伤性,由式(1)计算得到。每个样品测试3次后取平均值。失光率越低,涂层耐刮伤性越强。

丙烯酸酯聚氨酯纳米复合涂层耐刮伤性影响.doc