李少香*，曲文娟，劉猛，王渴望，王杰

（青島科技大學，山東 青島 266042）

金屬鈦的耐蝕性非常強，但價格昂貴。將納米鈦與有機高分子聚合物以“嫁接”的方式制備成納米鈦改性聚合物涂料，應用于金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕領(lǐng)域[1-2]，可以替代不銹鋼，改善材料的耐蝕性，減輕經(jīng)濟損失，提高經(jīng)濟效益。

在前期試驗中，本課題組發(fā)現(xiàn)鈦粉非常容易發(fā)生團聚，嚴重影響到涂層的性能，因此采用物理與化學結(jié)合法制備納米鈦改性聚合物。鈦粉經(jīng)球磨機高速研磨后，被分散變形為不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，比表面積增大，晶格產(chǎn)生缺陷，極易被樹脂改性接枝。而硅烷偶聯(lián)劑KH560可以改善無機與有機不同材料的相容性，相當于在兩種物質(zhì)之間架起一座“分子橋”將其聯(lián)結(jié)在一起[3-4]。它一端的親水基不穩(wěn)定，水解后的產(chǎn)物可以與鈦粉發(fā)生化學吸附；另一端的環(huán)氧基為親油基，能夠開環(huán)并與樹脂發(fā)生交聯(lián)反應，生成共價鍵，從而令鈦粉均勻穩(wěn)定地分散在環(huán)氧樹脂中[5]。

本文以分散性為指標，利用單因素試驗，對球磨轉(zhuǎn)速、球磨時間、KH560的使用量以及球料比進行考察，確定了最佳研磨條件。然后用最優(yōu)條件下制備的納米鈦改性聚合物制備成涂層，分析了它的力學性能和耐鹽霧性能。

1 實驗

1.1 試劑與主要儀器

鈦粉(2 500目)，工業(yè)級，上海杳田新材料科技有限公司；無水乙醇，分析純，天津市巴斯夫化工有限公司；二甲苯、正丁醇、丙酮，分析純，萊陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠；硅烷偶聯(lián)劑KH560，工業(yè)級，山東伯仟化工有限公司；環(huán)氧樹脂E44、固化劑3120，工業(yè)級，上海元邦化工制造有限公司；流平劑435、消泡劑5300、潤濕分散劑BYK110，德謙(上海)化學有限公司。

BM4型行星式球磨機，北京格瑞德曼儀器設備有限公司；S212型數(shù)顯電動攪拌器，上海申順生物科技有限公司；R-201C 型恒溫水浴鍋，鄭州長城工貿(mào)有限公司；101-3A型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；TL80-1型離心機，姜堰市天力醫(yī)療器械有限公司；QSD型高速攪拌機、QZM-1型錐形磨，天津市建筑儀器試驗機公司；JA5003B型電子天平，上海衡翔電子有限公司；LND-1型涂-4黏度計，北京鑫骉騰達儀器設備有限公司；BGD880型鹽霧箱，廣州標格達實驗室儀器用品有限公司。

1.2 納米鈦改性聚合物的制備

先將有機溶劑[m(二甲苯)∶m(丙酮)∶m(無水乙醇)= 2∶2∶1]與環(huán)氧樹脂混合均勻，再加入硅烷偶聯(lián)劑KH560，得到混合溶液。然后將其加入已放入一定量鈦粉的裝有研磨球的球磨罐內(nèi)，調(diào)試好高能球磨機進行高速研磨。研磨球與物料之間相互撞擊，鈦粉質(zhì)地較軟，受到高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的剪切力，粒徑不斷減小，環(huán)氧樹脂的分子鏈也斷裂開環(huán)，利用機械力化學原理使鈦粉與環(huán)氧樹脂完成接枝，二者結(jié)合為穩(wěn)定的化合物，即納米鈦改性聚合物。再把它倒入量筒靜置7 d，每天記錄樣品的沉降高度，沉降完成后將樣品攪拌均勻、離心，再烘干離心后的固體沉淀物。根據(jù)樣品的不同性狀，借助工具分離出未改性完全的鈦粉，得到質(zhì)地堅硬、呈餅狀的目標產(chǎn)物(即3號物質(zhì))。

1.3 納米鈦改性聚合物涂料的制備

為確保制備的納米鈦改性聚合物涂層有最好的防腐蝕性能，采用如表1所示的L9(34)正交試驗方案來確定幾個主要成分的用量。

表1 納米鈦改性聚合物涂料的正交試驗設計Table 1 Design of orthogonal test for determination of nano-titanium modified polymer coating material

(1) 配制A組分：用混合溶劑[m(二甲苯)∶m(正丁醇) = 7∶3，后同]溶解一定量的環(huán)氧樹脂，再加入助劑，攪拌均勻后與納米鈦改性聚合物一起放入高速分散機(1 000 r/min，后同)中攪拌，分散均勻后再用錐形磨研磨。

(2) 配制B組分：將固化劑溶于混合溶劑中，用高速分散機攪拌均勻。

(3) 將A組分與B組分按m(環(huán)氧固化劑)∶m(純環(huán)氧樹脂)= 1∶1混合，即得納米鈦改性聚合物涂料。

1.4 涂層的制備

底材為70.0 mm × 150.0 mm × 0.3 mm的馬口鐵板，先用砂紙進行打磨，再用脫脂棉擦去表面的鐵屑，然后用無水乙醇和丙酮將表面擦拭干凈，放入真空干燥箱中干燥。將涂料加入噴槍中，噴涂黏度(涂-4杯)在25 s左右，噴涂壓力0.2 ～ 0.4 MPa，噴槍距離樣板的距離約20 cm。在室溫下令涂層干燥24 h至表干，再置于恒溫恒濕的鼓風烘箱中80 °C烘干12 h。膜厚一般為58 ～ 65 μm。

1.5 表征與性能測試

1.5.1 納米鈦改性聚合物

1.5.1.1 分散性分析

(1) 沉降高度。

將球磨后的納米鈦改性聚合物倒入量筒內(nèi)，靜置7 d，每天記錄其沉降高度。沉降穩(wěn)定的時間越長，穩(wěn)定后沉降高度越大，鈦粉在聚合物中的分散效果越好。由于樣品在量筒內(nèi)的初始高度不同，采用沉降容積比表示，計算公式為：沉降容積比=(Hu/ H0) × 100%。式中H0為沉降前樣品的高度，Hu為沉降穩(wěn)定后樣品的高度。

(2) 離心后質(zhì)量比。

將沉降完成后的樣品攪拌均勻后以7 000 r/min離心一定時間，測定離心后沉淀物的質(zhì)量，以質(zhì)量比w表示，計算公式為：w =(m1/ m0) × 100%。式中，m1為離心管底部固體沉淀物的質(zhì)量；m0為離心管內(nèi)物質(zhì)的總質(zhì)量。

(3) 離心烘干后固體的質(zhì)量。

將離心后的固體沉淀物烘干后，出現(xiàn)明顯的分層(見圖1)，從下到上依次標為1、2、3號。隨后分離各層物質(zhì)，其中1號物質(zhì)呈粉末狀，與未改性前鈦粉的狀態(tài)相似；2號物質(zhì)呈小塊狀；3號物質(zhì)呈餅狀，質(zhì)地堅硬，不易掰斷。先稱取總質(zhì)量，再稱取每一層物質(zhì)的質(zhì)量，其中上層物質(zhì)(即3號)的質(zhì)量越大越好。

圖1 離心烘干后分層的納米鈦改性聚合物的照片F(xiàn)igure 1 Photos showing the division of nano-titanium-modified polymer after centrifugation and drying

1.5.1.2 表面形貌

用日本電子儀器公司的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察純鈦粉和納米鈦改性聚合物的表面形貌。電壓30 kV，電流42 mA，噴金80 s。使用其自帶的能譜儀(EDS)定量分析樣品中Fe和Ti元素的含量。

1.5.1.3 熱穩(wěn)定性

用法國塞塔拉姆儀器公司的 Labsys Evo STA型熱重分析儀(TG)分析每一層物質(zhì)，加熱速率為10 °C/min，加熱范圍 50 ～ 800 °C，氛圍為靜態(tài)空氣。

1.5.1.4 晶體結(jié)構(gòu)

通過北京普析通用公司的D-MAX 2500/PC型X射線衍射儀(XRD)分析物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，Cu靶，波長為0.154 nm，管電壓36 kV，管電流20 mA，以2°/min的速率從5°掃描到100°。

1.5.2 納米鈦改性聚合物涂層

分別按照GB/T 1732–1993《漆膜耐沖擊測定法》、GB/T 9286–1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》和GB/T 1731–1993《漆膜柔韌性測定法》測試涂層的沖擊強度、附著力和柔韌性。

將劃有相互垂直，長80.0 mm、寬0.5 mm痕跡的涂層試板置于鹽霧箱中，使用5% NaCl溶液，連續(xù)噴霧，每 80 cm2的噴霧量控制在 1 ～ 2 mL/h，并保證試驗室溫度為(35 ± 2) °C，壓力桶溫度為(47 ± 2) °C，傾斜角度為15°。觀察涂膜氣泡、銹蝕、脫落現(xiàn)象以及劃痕周圍腐蝕蔓延程度和距離。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米鈦改性聚合物的分析

2.1.1 TG分析

對1號、2號、3號物質(zhì)以及純鈦粉(0號)分別做熱重分析，結(jié)果見圖2。2號和3號物質(zhì)都有明顯的質(zhì)量變化，1號物質(zhì)與純鈦粉的熱重曲線相仿，說明其主要為未完全改性的鈦粉，且離心后大部分沉降在離心管底部。這些鈦粉在后續(xù)制備涂料時會影響涂層的性能，但是通過離心可以成功分離出一部分。

2.1.2 XRD分析

為檢驗離心管內(nèi)分層物質(zhì)中納米鈦改性聚合物的純度，以及底層是否存在未接枝改性的鈦粉，對各層物質(zhì)和純鈦粉做X射線衍射分析，結(jié)果如圖3所示。相比未改性的鈦粉，經(jīng)過研磨分散后的樣品的衍射峰強度大大減弱，向無定形化發(fā)展，衍射峰峰形變寬。

在2θ = 36.47°和42.38°處分別有表示Ti(100)和Ti(101)的衍射峰。對比不同物質(zhì)的譜線可知，經(jīng)過高速研磨，Ti(100)和Ti(101)晶面的衍射峰強度大大減弱，說明鈦粉晶格發(fā)生變化，晶格缺陷導致衍射峰強度減弱。未改性鈦粉的譜線中在2θ = 40.04°處的衍射峰代表Ti(002)，而在改性鈦粉的譜線上它在2θ = 39.67°處，稍微向左偏移，這是因為研磨分散后的鈦粉接枝到環(huán)氧樹脂上，進一步增大了鈦粉之間的距離，排列更加無序，這也證明經(jīng)過球磨機高速研磨后，鈦粉與環(huán)氧樹脂發(fā)生了接枝改性。Ti(002)經(jīng)研磨后衍射峰強度相對于 Ti(100)和 Ti(101)減弱程度最大，說明該處晶面發(fā)生畸變的程度最深。Ti在上層物質(zhì)的譜線中的衍射峰強度比在中下層物質(zhì)的譜線中的衍射峰強度都弱，說明鈦粉發(fā)生晶格畸變最嚴重。因此最上層的納米鈦改性聚合物的純度比存在未接枝改性的鈦粉的底層物質(zhì)的純度高，這印證了TG的測試結(jié)果。綜上所述，以3號物質(zhì)作為目標納米鈦改性聚合物產(chǎn)物進行試驗。

圖2 各層物質(zhì)的TG曲線Figure 2 TG curves for the matter of each layer

圖3 各層物質(zhì)以及純鈦粉的XRD譜圖Figure 3 XRD patterns of the matter of each layer and pure titanium powder

2.1.3 納米鈦改性聚合物的形貌

如圖4所示，未改性的鈦粉呈塊狀，粒徑在5 ～ 50 μm之間。經(jīng)高速研磨后，鈦粉被分散變形為不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，比表面積增大，晶格發(fā)生缺陷，極易被樹脂改性接枝。納米鈦改性聚合物中鈦粉的直徑為100 nm左右，且其邊緣界面不明顯，說明鈦粉表面已經(jīng)被環(huán)氧樹脂包覆或接枝。

2.2 制備參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 球磨轉(zhuǎn)速

圖4 改性前后鈦粉的SEM照片F(xiàn)igure 4 SEM images of titanium powder before and after modification

選取KH560使用量為1.0%，球料比為4∶1，球磨時間為3 h，觀察了不同轉(zhuǎn)速下制備的納米鈦改性聚合物，結(jié)果見表 2。隨球磨轉(zhuǎn)速增大，樣品穩(wěn)定后的高度增加，沉降容積比也相應增加，樣品離心后的質(zhì)量比增大，離心管底部樣品總質(zhì)量也相應增加，其中1號樣品的質(zhì)量隨球磨轉(zhuǎn)速的增加而減少，3號樣品的質(zhì)量隨球磨轉(zhuǎn)速的增加而增大。轉(zhuǎn)速過小，分散效果不明顯，鈦粉的粒徑較大，很快沉降。超過500 r/min后，球磨效果顯著，樣品的沉降高度明顯增加，分散均勻，鈦粉的粒徑較小，制得的樣品相對穩(wěn)定，鈦粉的接枝改性效果越好，未改性完全的鈦粉量越少，在聚合物中的分散性越好。但當轉(zhuǎn)速為800 r/min時，不僅球磨機產(chǎn)熱過快，而且因研磨球、罐體之間撞擊產(chǎn)生的鐵雜質(zhì)增多，故產(chǎn)物純度受到影響。綜合考慮樣品的沉降高度、離心后的質(zhì)量、實驗設備等因素，選擇球磨轉(zhuǎn)速為700 r/min。

表2 球磨轉(zhuǎn)速對產(chǎn)物分散性的影響Table 2 Effect of ball milling speed on dispersibility of product

2.2.2 KH560使用量

固定球磨轉(zhuǎn)速為700 r/min，球料比為4∶1，球磨時間為3 h，KH560使用量對納米鈦改性聚合物分散性的影響如表3所示。隨著硅烷偶聯(lián)劑用量增多，沉降容積比、離心后的質(zhì)量比和離心烘干后總質(zhì)量都是先增加后趨于平穩(wěn)。1號物質(zhì)質(zhì)量先減小后趨于平穩(wěn)，3號物質(zhì)質(zhì)量先增加后趨于平穩(wěn)，說明鈦粉與聚合物的接枝改性效果是先變好后穩(wěn)定。KH560用量過少時，鈦粉與環(huán)氧樹脂之間的“橋連”過少，鈦粉被樹脂的改性接枝量就少，但由于研磨條件不變，鈦粉表面在研磨后形成的活化點一定，鈦粉與偶聯(lián)劑之間的化學吸附點有限，繼續(xù)增多硅烷偶聯(lián)劑，鈦粉的改性效果基本不變；另外，當硅烷偶聯(lián)劑的加入量太多時，反應不完全，未反應的基團在形成涂層時會與樹脂交聯(lián)，反而影響涂層的柔韌性。當硅烷偶聯(lián)劑的使用量為1.0%時，鈦粉的分散效果最好，以此作為KH560的用量。

表3 KH560使用量對產(chǎn)物分散性的影響Table 3 Effect of KH560 amount on dispersibility of product

2.2.3 球磨時間

在球磨轉(zhuǎn)速為700 r/min，KH560的使用量為1.0%，球料比為4∶1的條件下，改變球磨時間制備了納米鈦改性聚合物，其分散性見表 4。隨著球磨時間延長，沉降高度增加，沉降容積比、離心后的質(zhì)量比、離心烘干后的總質(zhì)量也相應增大。若球磨時間太短，樣品的分散效果不明顯，鈦粉的粒徑較大，很快沉降。球磨時間延長后，樣品分散均勻，鈦粉的粒徑較小且改性接枝效果變好，未接枝完全的鈦粉量減少。但球磨時間達到5 h后，球磨機持續(xù)轉(zhuǎn)動時間過長，同樣產(chǎn)熱過快，增加了球磨機的工作負荷，而且研磨球與罐體之間撞擊產(chǎn)生的鐵雜質(zhì)增多，影響了產(chǎn)物純度。綜合考慮之下，選擇球磨時間為4 h。

表4 球磨時間對產(chǎn)物分散性的影響Table 4 Effect of ball milling time on dispersibility of product

2.2.4 球料比

當球磨轉(zhuǎn)速為700 r/min，KH560的使用量為1.0%，球磨時間為4 h時，不同球料比下制備的納米鈦改性聚合物的分散性如表5所示，并對它們進行EDS測試以考察Fe含量，結(jié)果見表6。隨著球料比增加，沉降容積比、離心后的質(zhì)量比和離心烘干后的總質(zhì)量都是先增加后趨于平穩(wěn)。當球料比過少時，由于研磨球過少，鈦粉與聚合物的撞擊幾率過小，鈦粉在樹脂中的分散效果不好。隨著球料比增加，鈦粉在樹脂中的分散效果越來越好。但當球料比超過4∶1后，研磨效果變化不大，這說明鈦粉與聚合物的接枝改性效果基本穩(wěn)定。另外，隨著球料比增加，研磨球與罐壁的碰撞次數(shù)增加，Ti含量降低，F(xiàn)e雜質(zhì)含量增加。球料比為4∶1時Ti含量較高，F(xiàn)e含量相對適中。綜合考慮后選擇最佳球料比為4∶1。以最優(yōu)條件下制備的納米鈦改性聚合物為基礎進行后續(xù)試驗。

2.3 納米鈦改性聚合物涂層的性能

2.3.1 力學性能

按照表1制備了納米鈦改性聚合物涂層，從中挑選出表面光滑、平整、未鼓泡的4組涂層進行基本力學性能測試，結(jié)果見表7和圖5。在厚度相近的情況下，試驗組2、5和7所得涂層的力學性能比較好，特別是試驗組2所制涂層的各項性能都非常好。試驗組4所制涂層雖然光滑、平整，但耐沖擊性和附著力差。改性鈦粉的比表面積增大，晶格發(fā)生缺陷，與其他組分相互作用時產(chǎn)生很大的作用力。將其以填料形式加到涂料中，能顯著提高涂層的附著力。納米粒子還可以填充涂層中的微孔，增強漆膜的柔韌性，但如果納米鈦改性聚合物的用量過多，納米粒子之間會發(fā)生團聚，導致涂層的力學性能下降。這從第4組試驗中所得涂層的耐沖擊性、柔韌性和附著力都比另外3組涂層的差可以得到證明。

表5 球料比對產(chǎn)物分散性的影響Table 5 Effect of ball-to-powder ratio on dispersibility of product

表6 不同球料比下產(chǎn)物中Ti和Fe的含量Table 6 Contents of Ti and Fe in products prepared at different ball-to-powder ratios

表7 正交試驗中幾組涂層的力學性能Table 7 Mechanical properties of several coatings prepared in orthogonal test

圖5 耐沖擊性和附著力測試后不同試驗組所得涂層的照片F(xiàn)igure 5 Photos showing the coatings prepared in orthogonal test after impact and adhesion testing

2.3.2 耐鹽霧性能

對正交試驗表中試驗組2、4、5和7制備的涂層和用離心管中所有固體物質(zhì)制備的涂層(記為b)連續(xù)噴鹽霧480 h后的外觀如圖6所示。

圖6 不同正交試驗組所制涂層經(jīng)鹽霧試驗480 h后的照片F(xiàn)igure 6 Photos showing the coatings prepared in orthogonal test after salt spray test for 480 h

可見劃痕周圍都出現(xiàn)了一定程度的腐蝕。試驗組4所得涂層的腐蝕最嚴重，劃痕附近有大量氣泡和鐵銹，腐蝕寬度很大，向劃痕周圍延伸了2 ～ 4 mm，這主要是由納米鈦改性聚合物用量過多而發(fā)生團聚所造成的。試驗組5和7所得涂層在劃痕處出現(xiàn)大量鐵銹和少量氣泡，但是腐蝕程度比試驗組4涂層小很多。試驗組2涂層和涂層b的腐蝕程度非常小，其中試驗組2涂層只有極少量鐵銹產(chǎn)生，且沒有出現(xiàn)氣泡；涂層b出現(xiàn)了少量鐵銹，劃痕附近還出現(xiàn)了小氣泡。這說明試驗組2涂層的耐蝕性最好，而涂層b中由于存在未改性完全的鈦粉，因而涂層的耐蝕性相對弱些。

3 結(jié)論

選用物理與化學結(jié)合法制備了納米鈦改性聚合物。當球磨轉(zhuǎn)速為700 r/min、時間為4 h、KH560的使用量為鈦粉質(zhì)量的1.0%、球料比為4∶1時，制備的納米鈦改性聚合物的分散性和穩(wěn)定性最好。選取離心烘干后最上層的物質(zhì)作為目標產(chǎn)物，并把它作為填料與環(huán)氧樹脂及其固化劑制備成涂料，進而涂覆在馬口鐵上。當納米鈦改性聚合物、消泡劑、流平劑和潤濕分散劑 0.5%的質(zhì)量分數(shù)分別為 8.0%、0.1%、0.2%和0.5%時，所制涂層的力學性能和防腐蝕性能最好，涂層樣板在連續(xù)噴鹽霧480 h后，劃痕兩側(cè)無氣泡，其他區(qū)域沒有發(fā)生腐蝕。

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