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水性氟碳涂料用新型光稳定剂产品的研究,本文应用实验设计法(DOE)研究开发全新配方产品,中国资讯网,ChinaNews360.com
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水性氟碳涂料用新型光稳定剂产品的研究,本文应用实验设计法(DOE)研究开发全新配方产品
2019年09月09日    阅读量:629    新闻来源:中国资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

0 引言

氟碳树脂因氟原子半径小、C─F 键能强, 内部结构致密,因此具有良好的耐候性、耐化学品性、耐腐蚀性、更具有良好的耐污性、疏水性和疏油性等,被广泛应用于桥梁和建筑外墙。


尽管氟碳树脂是有这些优点, 但其长时间暴露在自然光下, 也会造成外观上颜色的变化和涂层劣化与粉化, 目前对这层的保护主要是通过添加紫外线吸收剂(UVA)和使用受阻胺光稳定剂(HALS)来实现。光稳定剂包括紫外线吸收剂(UVA)和受阻胺光稳定剂(HALS),紫外线吸收剂功能是吸收紫外线并转换成热能散发掉涂料在线coatingol.com。受阻胺光稳定剂功能是捕捉自由基,防止涂层劣化发生。


随着各国对环境保护日益重视,水性氟碳涂料已解决了一般传统涂料释放挥发性有机化合物(VOC)的问题,它能够有效减少溶剂的使用。目前研究显示,水性纳米TiO2 改性氟碳涂料,其涂膜表面平整、光滑、致密,涂料的耐水性、耐酸性、耐擦洗性等都有明显提高。碳与氟碳的协同效应促进了氟原子的表面迁移,在改善成膜性的同时有效提高了乳胶膜的接触角和耐水性。


以水性氟乳液作为面漆,涂层体系虽具有良好的耐碱性和耐盐雾性能, 但涂膜中含有亲水基团会与水发生作用,增加了水分传输的通道,涂层混凝土的吸水率较大。而使用硅丙乳液作底漆,氟碳和有机硅乳液配制的涂料作面漆, 该涂层体系抗Cl-渗透性最好。


在阳离子型水性UV 固化含氟聚氨酯树脂的制备及性能研究方面,随着含氟量的增加,乳液粒径增大,但光固化效率有所降低, 同时热处理后的氟碳链迁移至涂膜表面,所得的光固化涂膜各种性能较好,特别是耐水和耐酸碱性有明显改善[7]。QUV-B 耐候结果显示,利用溶剂型、分散型和乳化型的氟碳树脂制成氟化聚氨酯涂料,分散型和溶剂型耐候相当,乳化型保光率较前两者差[8]。


环保型涂料所遭遇的挑战之一, 是需要光稳定剂来保护涂料预防光劣化产生, 现已有水性光稳定剂成功应用于水性涂料体系。目前有关提升水性氟碳涂料防劣化性能的研究很少, 本项目对不同类型光稳定剂进行了应用性能研究,为改善水性氟碳涂料的耐久性提供了有效的技术支持。


1 实验

1.1 实验原料

水性氟碳树脂阴离子型非晶态共聚物: 固含量48%~50%,黏度<100 cP·s,台湾永光化学工业股份有限公司;光稳定剂(紫外线吸收剂UVA、受阻胺光稳定剂HALS、新型水性光稳定剂): 台湾永光化学工业股份有限公司。

1.2 实验设备

GPC 分析仪器:W 600 (泵浦)、W2414 (试差折射侦测器)、W717 (注射器):Warters 公司;LB–550 粒径分析仪:HORIBA 公司;光学显微镜:型号WF10X(目镜)、PL5X L0.12 (物镜):HOMA 公司;QUV/Basic 耐黄变试验机:Q Panel 公司;CM-3500d 色差仪:柯尼卡美能达控股株式会社。

 

2 实验方法

2.1 不同类型光稳定剂水分散性试验

以水为溶剂混合不同类型光稳定剂,分别评估5%和10%光稳定剂分散状态。

5%、10%光稳定剂水分散: 分别称取5 g 及10 g不同类型光稳定剂, 加入水中配制成100 g 溶液,以200 r/min 搅拌30 min,混合均匀,观察溶液外观变化。残留率试验:先称2# 滤纸初始质量,将2# 滤纸置入漏斗后再将溶液倒入,利用水流抽气机抽滤后取出滤纸,放入100 ℃烘箱烘干再称量,通过滤纸的质量变化计算残留率。

2.2 配制及光学显微镜分析

不同类型的光稳定剂如表1 所示。

不同类型光稳定剂

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待测样品分两种:未添加(空白水性氟碳树脂)、有添加(含新型水性光稳定剂的水性氟碳树脂)。

配制有添加待测样品: 称取1 g 新型水性光稳定剂,50 g 水性氟碳树脂混合,以200 r/min 搅拌30 min,混合均匀,观察溶液外观变化。

将待测样品涂布至涂布纸上,室温干燥12 h,再进行光学显微镜观察,结果见表2。

不同类型光稳定剂水分散性及残留率试验外观

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2.3 粒径分析

测试校正:待机30 min,温度控制在25 ℃,以标准品重复测试5 次。合格标准: 标准品粒径平均值±10nm,若合格即可进行样品测试。

检验项目:取适量待测样品(空白树脂、有添加)溶于水溶液进行粒径分析。

2.4 试片涂装及耐候(人工加速老化试验)

将配置好含有新型水性光稳定剂的水性氟碳树脂涂料进行涂装, 涂布于10 cm×7 cm×0.1 cm 白色马口铁板上,室温干燥12 h 后进行耐候试验,利用色差仪观察加速老化试验的变化过程。

2.5 检验方法

2.5.1 人工加速老化试验

ASTM G154-2 (2006 年改版),测试标准(313 nm60 °C 4 h UV 光照/ 50 °C 4 h 凝结),模拟户外气候、光照、湿气等变化,并透过色差仪检验加速老化试验过程变化。

2.5.2 软件名称与分析

使用软件:JMP version5.0 (SAS Institute)分析使用内建分析工具


3 结果与讨论

3.1 水分散性及残留率试验

本研究是利用DOE 测试参数,并通过”筛选设计”检验不同种类的光稳定剂, 分析稳定分散的关键因素。

由表2 实验结果可知, 不同类型光稳定剂大多呈不透明乳化分散状态, 新型水性光稳定剂不但可以维持稳定,还可呈现半透明均匀分散,且分散效果更佳,滤纸上完全看不出任何残留异物; 根据实验数据计算残留率,可以明显看到,新型水性光稳定剂(光稳定剂③)几乎没有残留,见表3。

不同类型光稳定剂筛选试验结果

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在相同质量浓度下, 分析不同类型光稳定剂的分散性差异,见图1。根据表3 的实验结果,利用统计软件JMP version 5.0 分析的回归模型(理论)的趋势,如果图1 和表3 越相近,表示找到的回归模型(理论)越能解释真实结果,图1 可以说明最佳、最差组合及预测值。以质量浓度5%为例,图1 的横坐标分别为光稳定剂类型(X1)、水溶液质量浓度、参数估计(意愿);光稳定剂类型包括光稳定剂①、光稳定剂②、光稳定剂③;水溶液质量浓度分别实测5%及10%水溶液质量浓度;参数估计(意愿)即通过参数分析所找到的理论值,数值越大代表分散效果越差;纵坐标轴分别为残留率(R%)、参数估计(意愿);残留率(R%)表示经分散过滤后,滤纸上的残留率,数值越小者为佳。

由图1 试验结果可以发现, 光稳定剂③的残留率最少,为1.05%,分散效果最佳,因此后续以光稳定剂③进行深入探讨,而光稳定剂①、光稳定剂②分散过滤后残留物较多,分散效果不佳。

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分析不同类型光稳定剂的分散结果(主效应图)

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3.2 光学显微镜检验

用微观的方式检验干燥涂膜,分别观察未添加(空白水性氟碳树脂)、添加(含新型水性光稳定剂的水性氟碳树脂)结果。有添加新型水性光稳定剂的涂膜与未添加结果一致,见图2。

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用光学显微镜比较涂膜差异

3.3 粒径分析

利用动态光散射法针对悬浮液样品中颗粒进行观测,由于微粒会产生布朗运动造成都卜勒频移效应,计算粒径大小及分布结果,见表4。

比较添加与否的粒径数据

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由表4 实验结果可得知,未添加(空白水性氟碳树脂)的样品平均粒径166 nm、主要粒径168.9 nm,添加(含新型水性光稳定剂的水性氟碳树脂) 的样品平均粒径168.9 nm、主要粒径173.2 nm,由于粒径分析可允许±10 nm 的误差,故未添加及有添加的样品无差异。图3 为未添加(空白水性氟碳树脂)粒径分析图、图4 为添加(含新型水性光稳定剂的水性氟碳树脂)粒径分析图;并利用迭图的方式,将图3 及图4 重合为图5,以便观测,也可以看出各种粒径分布无差异。

未添加的粒径分析图谱,有添加的粒径分析图谱

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合并添加与否的粒径分析图谱

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3.4 耐候试验

按国际标准ASTM G154-2 进行人工加速老化试验,观察试样外观变化及色差变化。由图6 试验结果可知,经过耐候2 604 h,肉眼即可看出未添加光稳定剂的空白树脂试样有黄变老化的现象。再利用色差仪检验色差变化,无论是试样1 或是试样2,与添加新型水性光稳定剂的试样相比, 未添加的空白树脂试片色差变化都较大。

耐候2 604 h,比较添加与否的试样耐候试验结果

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4 结语

不同于一般光稳定剂, 新型水性光稳定剂更可以有效分散在水中,均匀而稳定,且几乎无残留。利用光学显微镜观测涂膜,结果表明,新型水性光稳定剂不会影响涂膜外观。

耐候2 604 h 后色差(△E)变化情况

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利用粒径分析分析颗粒大小,结果表明,新型水性光稳定剂分布结果和空白树脂一致。

通过国际标准进行人工加速老化试验, 新型水性光稳定剂可以提升水性氟碳涂料的耐候性, 优化水性氟碳涂料。


水性氟碳涂料用新型光稳定剂产品的研究

赖尹婷,杨永吉,赖明华,宋宇书,吕忠韩,邱晓芳,简智娴,黄耀兴(台湾永光化学工业股份有限公司,台湾台北328)


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