基于二氧化钛的紫外光固化高耐候涂层的制备及性能研究

作     者：陈玙 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗静;吴刚强

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：二氧化钛 UV固化涂层 紫外加速老化 耐候性能 多功能涂层 

摘      要：紫外光固化涂料(即UV固化涂料)因其具有VOC排放量低、节能、高效等优势而受到广泛关注。然而,UV固化涂层的耐候性能较差制约了其在室外环境中的应用。二氧化钛(TiO)因其成本低和优异的紫外线吸收能力而最常应用于耐候性涂料领域,但大多数都是基于溶剂型涂料和水性涂料,很少应用于UV固化涂料,且TiO的紫外屏蔽效应会与光引发剂发生竞争,TiO的加入对UV固化涂层固化过程和耐候性能的影响尚未有详细研究。因此,针对上述问题,本课题以绿色环保高耐候涂层为研究目标,通过分散剂改性和无机包覆改性两种方式对TiO进行改性,探究耐候性填料的加入对UV固化涂层固化过程和耐候性能的影响。并结合光聚合技术和乳液聚合法基于TiO制备一系列多功能微球,通过发挥物理结构和化学成分的协同效应,期望获得高耐候多功能UV固化涂层。具体研究内容如下:(1)将分散剂改性的TiO加入到UV固化涂层中,通过凝胶含量测试和实时红外测试分析TiO的添加量对UV固化涂层固化过程的影响,通过紫外加速老化测试和盐雾测试分析TiO的加入对涂层耐候性能的影响。结果表明:涂层的固化速率和双键转化率随TiO的添加量增加而下降,但是通过控制TiO的添加量(≤5 wt%)和漆膜厚度(≤30μm),TiO的加入对UV固化涂层固化程度的影响可以忽略不计。纯树脂涂层紫外老化1000 h后的色差值(ΔE)为21.25,失光率为27%,表面出现开裂,表明纯树脂涂层的耐候性能较差。添加TiO的涂层紫外老化1000 h后的ΔE仅为3.65,失光率减小到6.5%,涂层表面没有出现开裂,说明TiO的加入可以有效地提高涂层的耐候性能。通过盐雾测试对涂层老化前后的防腐性能进行研究,结果表明老化后的纯树脂涂层在盐雾测试后出现大面积红色腐蚀产物,而老化后的TiO涂层在盐雾测试后表面未出现锈蚀点、起泡和红色腐蚀产物,进一步说明TiO的加入可以提高涂层的耐候性能。该工作通过添加具有紫外吸收和散射能力的TiO提高涂层的耐候性能,为制备环境友好型高耐候涂层提供了一种有效途径。(2)选用硅酸四乙酯在TiO表面进行原位水解缩合对TiO进行无机包覆改性,通过控制硅酸四乙酯的水解缩合时间制备不同SiO壳层厚度的TiO(TiO@SiO)。结果表明:TiO表面的SiO壳层不仅可以有效抑制TiO的光催化活性,还能够提高其分散性。凝胶含量测试和实时红外测试结果表明SiO包覆TiO可以减小其对涂层固化速率和固化程度的影响。此外,相较于TiO粒子,TiO@SiO的加入可以进一步减小涂层紫外老化后光泽度和表面形貌的变化,当TiO@SiO的添加量为10.0 wt%时,涂层在紫外老化1000 h后的ΔE为3.4,失光率仅为2.0%,表面未出现开裂,涂层的耐候性能最佳。该工作通过无机包覆改性在不牺牲TiO紫外屏蔽能力的同时有效抑制TiO的光催化活性,对于提高涂层的耐候性能具有重要意义。(3)通过光聚合技术和乳液聚合法制备TiO空心微球。本章制备了由光固化树脂、TiO粒子、光引发剂和有机溶剂组成的油相液滴,在紫外光辐照时光固化预聚物发生聚合,同时TiO粒子向油水界面迁移形成微球壳层,去除有机溶剂后在微球内部形成空腔得到TiO空心微球。通过调节光引发剂的种类、TiO粒子的亲水性和溶剂的用量调控TiO空心微球的形貌。该微球的空心结构可以阻断热量的传播路径,降低涂层的热传导速率,提高涂层的隔热性能,而壳层中的TiO粒子可以吸收和散射紫外光,从而提高涂层的耐候性能。将TiO空心微球作为填料用于构筑隔热耐候涂层,结果表明:随着TiO空心微球壳层厚度减小,涂层的隔热性能和紫外屏蔽性能提高。当TiO空心微球添加量为15.0 wt%时,涂层的热导率为0.132 W/m K,相比于纯树脂涂层降低40%,可以降低建筑模型内部温度4C。添加TiO空心微球可以提高涂层的紫外耐久性,涂层紫外老化1000 h后的ΔE为5.1,失光率为4.6%,表现出优异的耐候性能。该工作制备的TiO空心微球既可以提高涂层的隔热性能,又可以提高涂层的耐候性能,为制备高性能隔热耐候涂层提供了可行方案。(4)通过光聚合技术和乳液聚合法制备封装相变材料(硬脂酸丁酯)的TiO多孔微球。将光固化树脂、TiO粒子、相变材料、光引发剂加入到有机溶剂中以制备油相液滴,经过去除溶剂和紫外固化后得到TiO相变多孔微球。微球中所负载的硬脂酸丁酯在相变过程中可以吸收储存和释放大量能量,从而赋予涂层温度调节能力;微球中的TiO粒子可以吸收和散射紫外光,提高涂层的耐候性能,并且TiO具有较高的热导率,从而提高相变材料的热响应速率。结果表明:TiO相变多孔微球具有快的热响应速率、高的热循环稳定性和好的紫外屏蔽性能,加热-冷却循环100次后其相变焓的损失率仅为1.58%,在紫外光区的反射率为8.3%。将TiO相变多孔微球用于构筑储热耐候涂层,添加TiO相变多孔微球后涂层在加热和降温过程中在36C-48C出现明显的温度滞后区域,说明TiO相变多孔微球的加入可以有效提高涂层的温度调节能力和热管理能力。TiO相变多孔微球的加入可以提高涂层的耐候性能,涂层紫外老化1000 h后的ΔE为4.6,失光率为3.5%。该工作所制备的TiO相变多孔微球不仅可以提高涂层的温度调节能力,还能够提高涂层的耐候性能,其储热性能和耐候性能对于涂层的热能储存和使用寿命具有重要意义。