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硅酸鋰鈉-硅丙乳液復合防護涂層的設計與性能分析

文檔作者：巫華婷1，徐意2，丁新更1，楊輝1，汪海風2 文檔來源： 1．浙江大學材料科學與工程學院 2，浙江大		點擊數：	更新時間： 2022年10月24日
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全國中文核心期刊新癯建巍柑拇
硅酸鋰／鈉一硅丙乳液復舍防護涂層硇
設計與時生鏈分析
巫華婷1，徐意2，丁新更1，楊輝1，汪海風2
(1．浙江大學材料科學與工程學院，浙江杭州310027：
2，浙江大學浙江加州國際納米技術研究院，浙江杭州310058)
摘要：采用溶膠一凝膠法，設計了無機硅酸鹽一硅丙乳液一硅烷偶聯劑三元體系，制備了金屬表面復合防護涂層。研究了三元體
系中3種組分的水解過程和硅烷偶聯劑的改性作用，結果表明：硅烷偶聯劑KH560的加入促進了復合體系中si—o—Si網絡結構
的生成。調整硅酸鹽與硅丙乳液的配比測試了復合涂層的性能，無機硅酸鹽與硅丙乳液的復合可以明顯改善涂層的成膜性和耐腐
蝕性，硅丙乳液加入量約為40％時，復合涂層的性能良好。
關鍵詞：水性涂料：硅酸鋰：有機硅：有機一無機復合：酎腐蝕
中圖分類號：7I'U556+1．69 文獻標識碼：A 文章編號：100l一702x(2016)09—0062—04
Design and perfo珊ance analys虹of protec廿Ve蜘崎珊川‰刪Ium礎曲艇捌icone_．acrylate
咖Ision咖posite c∞吐ng
WU Hun￡流香，XU Y孑，DING Xin薛n雩，YANG Hl穗，WANG HQ派n乎
(1．Depanment of MateIials Science肌d Engine麗ng，zheji姐g unive璐ity，H鋤gzhou 310027，china：
2．zhejiang Califomia Intemational N明o systems Institute·zhejiang unive瑁ity，H卸gz}Iou 310058，china)
Abstract：In order to prepare the protective c咖posite co“ngs 0n steel bases，a three elements system was desi印ed by sol—
gel method with inorg鋤ic silicate，silicone—acrylate emulsion arId silane coupling agent(sCA)．1’lle hydmlytic processes 0f three
elements in the sys￡em，as well as￡he e妊毫cts of SCA on tIle system are studied．Results indicate tha￡KH560 c粕improve tlle
stmcture of Si—o—Si network．The pmperties of coInposite coatings were evaluated with the pmpc時ion of silicate aIld silicone—
acrylate emulsion chan百ng，which show that comP0site with silicaIe and emulsi徹c鋤impmVe the mech粕icaI properties aIld
cormsion resistaIlce．When the content of the emulsion is zIo％，the c∞ting h嬲good pmperties．
Key words：aqueous coating，lithium silicate，orgallic silicon，orgaIlic—inorg蛐ic c鋤posite，anti—conosiVe
O前言
有機無機復合耐腐蝕涂層在多方面具有優(yōu)異性能，目前
已成為金屬防腐領域的研究熱點。在無機涂料中加入有機成
膜物質，配制雙組份復合材料，可以結合無機與有機2種材料
的優(yōu)點，提高涂層的綜合性能。
在金屬防腐涂料領域中，堿金屬硅酸鹽和有機硅都常常作
基金項目：國家863計劃項目(2015AA034701)；
科技部科技支撐項目(2014BAIJD3801)
收稿日期：2016—03一02：修訂日期：2016一04—27
作者簡介：巫華婷，女，1992年生，廣東韶關人，碩士研究生。E—mail：
wht060303@126．com。通訊作者：丁新更，地址：杭州市西湖區(qū)浙大玉
泉校區(qū)曹光彪大樓545室。
·62· 新型建筑材料2016．9
為關鍵組分進行使用。在堿金屬硅酸鹽中，硅酸鋰的自固化性
能較優(yōu)秀；硅酸鈉的成膜性能優(yōu)異[1】；甲基硅酸鈉的耐水性優(yōu)
異。在有機硅材料中，硅烷偶聯劑可以促進復合材料中有機組
分和無機組分的結合回．硅丙乳液具有機硅樹脂和丙烯酸乳液
的優(yōu)點，涂膜固化后具有優(yōu)異的耐水性、耐候性和機械性能圈。
本研究以硅酸鋰和硅酸鈉作為無機組分，與甲基硅酸鈉、
硅烷偶聯劑KH560及硅丙乳液進行復合改性，在馬口鐵基體
上制備了硅酸鹽一硅丙乳液復合防護涂層，研究了各組分對
涂層成膜性能、機械性能和防腐性能的影響。
1實驗
1．1’試驗材料
硅酸鋰：固含量約25％，模數4．8；硅酸鈉：固含量約25％，
模數3．2，山東邦德化工有限責任公司：甲基硅酸鈉：固含量
萬方數據
巫華婷，等：硅酸鋰，鈉一硅丙乳液復合防護涂層的設計與性能分析
25％，工業(yè)級，新余楠德新材料有限公司；硅丙乳液：工業(yè)級，
常州林潤有限公司；硅烷偶聯劑：KH560，分析純，國藥集團化
學試劑有限公司。
馬口鐵片：尺寸為120咖×50 mm×o．28Ⅱ吼。
1．2 樣品制備
硅酸鹽一硅丙乳液復合涂層的制備：室溫條件下，向硅酸
鋰水溶液中依次加入硅酸鈉、甲基硅酸鈉，m(硅酸鋰)：m(硅
酸鈉)：m(甲基硅酸鈉)=7：3：l，攪拌均勻得硅酸鹽溶液；往溶液
中滴加質量百分數為10％的硅烷偶聯劑KH560，攪拌1 h得
穩(wěn)定溶膠；在此基礎上，加入不同質量百分數的硅丙乳液，持
續(xù)攪拌l h備用。取一定量的復合溶液，采用手工刷涂的方式
進行涂覆，涂覆后鐵片上的涂液應均勻，無明顯刷痕或氣泡，
待其自然固化。
基材表面處理：用280目砂紙初步打磨，再用1000目砂
紙打磨，使基材表面呈現出均勻的金屬光澤。將基材先后用丙
酮，無水乙醇擦拭清洗，表面干燥后待用。
1．3性能測試與表征
涂層自然固化7 d后進行性能測試。涂層硬度采用9H一
6B鉛筆硬度計(日本三菱)，按GB廠I'6739—2006飽漆和清漆
鉛筆法測定漆膜硬度》進行測試，；涂層附著力采用QnI型附
著力測試儀(精科，中國)，按GB，I'928卜1998‘色漆和清漆
漆膜的劃格試驗》中的畫格法進行測試；涂層的耐鹽水性按
GB 1763—79《漆膜耐化學試劑性測定法》進行測試，封邊后
的樣板放入濃度為3．5％的NaCl水溶液中，并使每塊樣板長
度的2／3浸泡于溶液中，在規(guī)定的時間進行浸泡，觀察涂層
2、4、6 d的腐蝕情況；采用KD—60型鹽霧試驗機(科迪，中國)
測試涂層的24h抗腐蝕性能。
采用Nicolet 5700型紅外光譜儀(熱電，美國)對樣品的
結構進行分析；采用Escalab 250Ⅺ型X射線光電子能譜儀
對樣品的元素存在形態(tài)進行分析。
2結果與討論
2．1復合體系的結構設計．
由于實驗采用硅酸鋰和硅丙乳液為主要的成膜物質，硅
酸鈉和甲基硅酸鈉作為輔助成膜物質，為探究硅烷偶聯劑對
主要成膜物質復合的促進作用，在測試中先將硅酸鋰溶液、硅
丙乳液以6：4的質量比復合，添加硅烷偶聯劑Ⅺ{560進行改
性，添加量為硅酸鋰溶液質量的10％。將改性前后的復合體
系干燥，紅外光譜的測試結果如圖l所示。
圖1中，1070 cm-1處存在明顯的吸收峰，為Si—o—Si的
伸縮振動峰，說明溶膠存在Si—伊—Si鍵，是硅酸鋰的硅羥基
自身縮水聚合形成的。曲線1中，在2923、2871 cm一-處出現
、廠—飛余
4UUU JOUU JUUU =0UU =UUU 10UU 』UUU 0UU U
l—硅酸鋰；2—硅丙囂鞭佃一硅酸鋰+硅丙乳液：
4一硅酸鋰+硅丙乳液+KH560
圖1硅酸鋰與硅丙乳液復合體系的紅外光譜
了與Si_旬鍵相連的—CH2cH3的特征吸收峰，表明有機硅單
體與丙烯酸酯乳液形成了硅丙聚合物。1000．1200 cm一附近
的吸收峰對應的是Si-旬鍵的伸縮振動，根據吸收峰的最大
峰位偏移可判斷體系中連接硅原子的橋氧數目的變化朗，波數
越高，橋氧數目越多?？梢娗€4的最大值峰位對比曲線3向
高波數偏移，體系的橋氧數目有所增加，這說明KH560的加
入促進了硅酸鋰與硅丙乳液的化學鍵結合，體系的硅氧網絡
結構更加完整。
為進一步驗證加入KH560對復合體系網絡結構的影響，
分別對添加KH560前后的硅酸鹽一硅丙乳液復合體系進行
)【Ps光電子能譜測試，結果見圖2。
． 樣．0。
結合能／ev
(b)加入蹦560
圖2硅酸鹽一硅丙乳液復合體系的XPS 01s分譜
從圖2可以看出，擬合后的譜圖出現2個擬合峰，約為531
和533 eV，說明O元素在體系中主要存在2種結合方式。其
NEW BUILDING MATERIALS ·63·
渤 黜 啪
。照嘲
h
嘲 嘲
萬方數據
巫華婷，等：硅酸鋰／鈉一硅丙乳液復合防護涂層的設計與性能分析
中531 eV處的峰對應的是非橋氧鍵Si一0一H或Si—O—M
的結合能，533 eV處的峰對應的是橋氧鍵Si-一0一Si的結合
能【習。圖2(b)對比圖2(a)，其峰位沒有出現明顯的偏移，說明
加入KH560后體系中的氧元素沒有出現新的結合方式。其
中，533 eV處的峰強度最高，說明體系中大部分的氧以S卜
驢一Si的形式結合。
此外，2個體系中橋氧鍵與非橋氧鍵的比例存在一定的
差異。通過對擬合峰峰面積的計算，得出橋氧鍵及非橋氧鍵
占體系總氧含量的百分比，結果見表1。
表l 2個xPS譜圖擬合峰的峰面積對}匕
從表l可以看出，圖2(b)中橋氧鍵的峰面積百分比較圖
2(a)有所增大，說明添加KH560后，復合體系中橋氧鍵的數
量有所增加。這也進一步證明了添加KH560后，無機硅酸鹽
與有機硅丙乳液的結合更加充分，形成了更為完整的Si-
曠Si網絡結構。
分析KH5印促進硅酸鹽一硅丙乳液復合體系網絡結構形
成的反應機理，可以從無機硅酸鹽與KH560的水解反應出發(fā)
f見式(1)、式(2)1：
硅酸鹽在水中發(fā)生水解：
M20·nSi02+(2n+1)H2C卜斗nsi(0H)4+2MOH (1)
硅烷偶聯劑KH560溶于水，在堿性水溶液中發(fā)生水解：
YR—Si一(0R)3+3H20—}YR—Si_(OH)3+3ROH (2)
水解后的硅酸鹽與KH560都存在硅醇Si—旬H，彼此可以發(fā)生脫水縮合，從而形成Si十si鍵，水解后的硅酸鋰與
KH560在水中的共聚過程如式(3)所示：
一}洲+曠I產’／二j奠尸-圭7，洲+／。／。＼
∞一i一洲+ >、0H一7、洲+“ ”
L (3)
硅丙乳液是有機硅氧烷與內烯酸類單體相結合的有機大
分子結構。硅丙乳液在溶液中水解產生硅醇，能與硅酸鹽、
KH560水解產生的硅醇發(fā)生脫水縮合反應，形成Si—0一Si
網絡結構【q。KH560中的有機基團也會與硅丙乳液中的有機
基團相互作用，從而使整個有機一無機體系緊密結合。
2．2硅酸鹽一硅丙乳液配比對涂層物理性能的影響
表2為以KH560改性后的硅酸鹽fm(硅酸鋰)：m(硅酸鈉
·64· 新型建筑材料2016．9
)：m(甲基硅酸鈉)：7：3：1]與硅丙乳液以不同配比進行復合制
得涂層的基本物理性能。
表2硅酸鹽與硅丙乳液的配比對涂層成膜性能和
物理性能的影響
由表2可見，硅丙乳液含量為10％時，涂膜存在大量裂
紋；隨著硅丙乳液含量的升高，涂膜成膜性能改善。附著力測
試表明，各組復合涂層的附著力均在2級以上，附著力良好。
鉛筆硬度測試表明，在硅丙乳液含量在40％以下時，復合涂
層的硬度在6H以上，當硅丙乳液含量大于40％，涂膜的硬度
在4H以下。
當堿金屬硅酸鹽的含量高時，硅酸鹽作為主要的成膜物
質，其剛性較大，成膜性能較差；而硅酸鹽含量高也導致體系
的pH值偏大，使乳液的最低成膜溫度升高，造成涂層在室溫
下出現粉化和碎片f7】。隨著乳液含量的增加，硅丙乳液在體系
中占主體，無機組分填充在乳液的有機網絡中，使得涂層的成
膜性能和柔韌性大為提高。然而有機網絡的形成阻礙了大部
分Si—o—Si鍵形成，降低了涂層的硬度。因此，添加30％一
40％的硅丙乳液對涂層的成膜性能及機械性能最有利。
2．3硅酸鹽一硅丙乳液配比對涂層防護性能的影響
圖3為2—8組試樣的耐鹽水性測試結果。
圖3不同乳液用量復合涂層的耐鹽水性測試結果
麓。隱 簟鬻鬣■ 參一罐鋈 鹱謄 ．■簟 。．A▲一■∥惑敞．■曩
口
萬方數據
巫華婷，等：硅酸鋰／鈉一硅丙乳液復合防護涂層的設計與性能分析
由圖3可以看出，乳液含量低于50％時，基板在6d內的
腐蝕面積小于30％，乳液含量高于50％的涂層，6 d內基板腐
蝕面積達50％。涂層耐鹽水性的主要影響因素是單位體積里
的硅氧鍵數目f8】。無機硅酸鹽體系中可形成大量的硅氧鍵，當
涂層受到水的攻擊時，Si—o—Si橋的水解阻力大，耐鹽水性
較高。體系中加入少量的硅丙乳液，乳液中的有機分子鏈分布
于Si—o—Si的網絡結構間隙中，會對涂層的親水基團起到
屏蔽作用，而過多地添加乳液會使體系的硅氧鍵數目減小，耐
鹽水性下降。
圖4為空白試樣(馬口鐵板)及2。8組試樣的鹽霧腐蝕
試驗24h測試結果。
圖4不同乳液用量的復合涂層鹽霧24 h測試結果
由圖4可見，鹽霧試驗24h后，空白試板被大量銹蝕產物
覆蓋，腐蝕速度遠大于2—8組試板，說明涂層對基板的腐蝕
有明顯的屏蔽作用。3—8組從試板邊緣開始出現銹斑，銹蝕面
積小于10％，而第2組試板未出現銹蝕，但涂層在鹽霧氣氛
中出現發(fā)白、附著力下降的現象，說明涂層遭到破壞。這是由
于第2組樣品的含硅聚合物含量最高，在鹽霧的環(huán)境下涂層
透氣性高嘲，水分子及氯離子進入內部，使涂膜本身發(fā)生腐蝕。
硅丙乳液的加入使有機分子鏈嵌入Si—驢_si的網絡結構
中，降低了涂層的透氣性，阻止水分子和氯離子進入涂層內
部，延緩了涂層的腐蝕llq，從長期穩(wěn)定性來看適當的有機無機
含量可以提高薄膜的防護性能。
3結語
通過對有機一無機成膜物質的設計，在室溫下采用溶膠一
凝膠法制備水性耐鹽霧復合涂層，探討了硅酸鋰與有機硅的
復合過程以及不同改性條件對涂層性能的影響。研究發(fā)現：
(1)硅酸鋰水解產生無機Si—O—Si網絡結構，硅丙乳液
在溶液中水解產生硅醇，能與硅酸鹽和KH560水解產生的硅
醇發(fā)生脫水縮合反應，形成有機一無機交聯的復合Si—0一Si
網絡結構。該網絡結構更加密實有彈性，有利于提高涂膜的耐
腐蝕性。硅烷偶聯劑可以與硅酸鹽發(fā)生緩慢的水解縮合反應，
促進無機硅酸鹽一有機硅乳液復合網絡結構的形成。
(2)由硅酸鹽與硅丙乳液復配制備有機一無機復合涂層
的耐腐蝕性能與涂膜的組成結構密切相關，當硅丙乳液添加
量為40％左右時，復合涂層的成膜性能、附著力、硬度和耐鹽
霧腐蝕性能最優(yōu)。
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A

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