磷硅协效阻燃水性丙烯酸酯防腐涂料的制备及其性能研究

作     者：黄勇杰 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：裴克梅

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：水性丙烯酸树脂 含磷阻燃剂 纳米二氧化硅 协同效应 氯醚树脂 

摘      要：在过去的五十年里,水性丙烯酸酯涂料在各种工业领域或民用领域中得到了广泛的应用,如生活中常见的家具木器漆、地坪漆、建筑内外墙乳胶漆、家用电器及汽车面漆等。然而,水性丙烯酸酯涂料遇火极易燃烧且放出浓烟,火势蔓延较快,不利于火情控制以及人群的疏散,存在一定的消防安全隐患。对于水性丙烯酸酯涂料的阻燃改性,通常采用外加阻燃剂的方法,但该方法存在添加量大,阻燃效率低的缺点,在达到阻燃效果的同时,往往会导致漆膜的力学性能下降,难以满足涂料日益提高的性能要求。因此,探究水性丙烯酸酯涂料新的阻燃方案具有重要意义。本文选用氯醚树脂作为改性树脂,通过溶液聚合法制备了氯醚丙烯酸酯水分散体,使用正交实验法优化制备工艺及配方得到最佳制备方案,研究了氯醚丙烯酸酯水分散体及其双组分涂料的性能。在此基础上引入了乙烯基磷酸酯单体PM-2共聚改性,制备了PM-2改性的氯醚丙烯酸酯水分散体,研究其阻燃性能及热稳定性能。为了进一步提高其阻燃性能,引入改性纳米Si O共混改性,制备具有磷硅协同阻燃效应的水性氯醚丙烯酸酯复合涂料,探究了纳米Si O对复合涂层的阻燃性、热稳定性、耐腐蚀性及力学性能的影响。本文主要研究内容如下:(1)使用溶液聚合法制备了氯醚树脂改性的丙烯酸酯水分散体,探究了软硬单体比例、亲水单体含量、引发剂用量、氯醚树脂用量、反应温度、中和剂种类及中和度、HPA和IBOMA功能单体等因素对水分散体的影响。将本文制备的氯醚丙烯酸酯水分散体分别搭配拜尔2655固化剂和氨基树脂制备了两种水性涂料。漆膜测试结果表明,与市售羟基丙烯酸酯水分散体配制的双组分水性涂料相比,由氯醚丙烯酸酯水分散体制备的双组分水性涂料漆膜具有更优异的耐腐蚀性能及漆膜附着力。上述实验结果表明,氯醚树脂的引入可以有效增强水性丙烯酸酯涂料漆膜的耐腐蚀性、柔韧性及黏附性,并且氯醚丙烯酸树脂具备一定的阻燃元素,可用作阻燃涂料用基础树脂。(2)选用乙烯基磷酸酯单体PM-2对树脂进行阻燃改性,制备了PM-2改性氯醚丙烯酸酯水分散体,将其搭配固化剂及其余助剂制备了阻燃涂层,使用热重分析仪(TGA)、极限氧指数仪(LOI)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热仪(DSC)及可燃性测试等方法研究了PM-2改性氯醚丙烯酸酯水分散体及其阻燃涂层的性能。TGA测试结果表明阻燃涂层具有更高的热分解温度,600℃残留率为12.8%,比改性前提高了约3%。可燃性测试结果表明PM-2的引入有效的提高了丙烯酸树脂的阻燃性能。与纯丙烯酸酯涂层相比(LOI仅为17.8%),阻燃涂层的LOI值提升至22.6%,同时漆膜性能测试表明,阻燃涂层仍保持水性丙烯酸酯涂料自身优异的性能。(3)采用KH-550表面改性处理的纳米Si O作为无机填料,分散在PM-2改性氯醚丙烯酸酯水分散体中,搭配氨基树脂固化剂及其它助剂制备了磷硅/氯醚丙烯酸酯复合涂层。采用TGA、LOI、水平燃烧测试、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等手段探究了复合涂层的阻燃性能及其阻燃机理。采用动电位极化测试(PDP)、水接触角测试(WCA)及漆膜性能测试等手段研究了复合涂层的耐腐蚀性能。漆膜耐腐蚀性能测试结果表明适量纳米Si O的加入有利于增强复合涂层的耐腐蚀性能。电化学测试结果及漆膜性能测试表明,复合涂层具有良好的耐腐蚀性能,可以对金属基材提供有效保护。TGA及水平燃烧测试结果表明,磷硅/氯醚丙烯酸酯复合涂层具有优异的阻燃性能及热稳定性,复合涂层薄膜在600℃的残余率高达25.78%。在水平燃烧测试中,复合涂层阻燃等级为HB。本文制备的磷硅协同阻燃水性氯醚丙烯酸酯复合涂料,不仅保留了水性丙烯酸酯涂料优异的综合性能,还具有制备工艺简单、VOCs排放量低及阻燃性能良好的优点,为其在阻燃保护领域奠定了应用基础。