一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料及其制备方法与流程

1.本发明属于化工材料技术领域，具体地，涉及一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料及其制备方法。


背景技术：

2.通常，钢结构表面涂覆的防护涂料体系一般采用环氧富锌防锈底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯耐候面漆三层配套体系，每层涂料均发挥各自的功能。底漆主要与钢基材锚固附着，抑制钢基材腐蚀；中间漆主要屏蔽腐蚀粒子，以及连接底漆和面漆；面漆主要抑制太阳光辐射，防止环氧底漆加速老化，缩短防腐寿命，同时也具有装饰作用。上述三层结构设计在实际应用中主要缺陷为：
①
因涂装道数较多，施工周期长；
②
产品种类多，增大仓储压力；
③
不同层间界面维修困难等。
3.自分层/梯度化涂料是将两种不同性能的树脂相互混溶，利用不相容原理，使其自动形成底面不同特性的涂料产品。涂层体系分层过程既有热力学问题又有动力学问题。两种聚合物的溶解度参数差将驱动相分离。因此，通过溶解度参数可以建立一个三维立体结构的溶解球，球体是以树脂的溶解度参数为圆心，以其溶解区域范围大小为半径。此理论认为：不同的聚合物有不同的中心溶解度参数和溶解球半径，树脂的不相容程度可以用它们的球体的重叠体积(c)来表示。两树脂溶解球重叠部分的体积(c)可提供树脂相容性的信息。两树脂共同体积越大，其相容性就越大，重叠体积越小，分层的趋势越大。
4.c可由下式计算:式（1）式（2）式中：c—两种树脂溶解球的重叠体积；p1、p2—球冠高度；r1、r2—两种树脂溶解度球的小球半径、大球半径；v—重叠体积占小球总球体积的百分数，用重叠率表示。
5.根据溶解度参数理论，当两种树脂溶解球相互重叠时，此时该两种树脂将互溶，即成均相分部；一旦两种树脂溶解球没有重叠区间，则将相互驱离，也即产生分相；若使两种树脂形成梯度化趋势，根据两种树脂的溶解球半径及重叠体积公式计算，结果表明，两种树脂三维溶解度参数重叠率在58%<v<85%时可实现梯度化结构（见图1）。
6.我们知道，南海岛礁装备在高温、高湿和高紫外线的热带海洋环境中极易加速腐蚀，但南海地区距离大陆较远，物资运输不便，尤其在动力不足的情况下对岛礁设施的腐蚀防护难度更大，故开发出一种既有较高的防护性能又可以便捷施工、简单操作的涂料产品具有较大需求。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的一在于提供一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，目的二在于提供所述涂层材料的制备方法。本发明选择溶解度参数相近或不同的环氧树脂、改性环氧树脂和固化剂，在树脂固化交联过程中随着反应物溶解度参数的差值加大，则自动形成梯度化材料，实现了单层涂层的耐候防腐功能梯度，使其同时具有优异的耐候性能与防腐性能。所述涂层材料可用于南海环境下岛礁钢基材武器装备及其配套设施的防护，起到防腐、抗老化的效果，便捷施工、减少涂层的施工道数，降低维修成本，弥补传统涂层结构体系不足，延长装备设施服役寿命。
8.为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，包含的组分及其质量百分比分别为：环氧树脂15
‑
45%、溶剂5
‑
40%、颜料1
‑
20%、填料10
‑
50%、助剂0.1
‑
10%和固化剂10
‑
50%；所述环氧树脂由重量比为1:1
‑
1:3的树脂a和树脂b组成；所述树脂a为溶解度参数δm在8
‑
13的环氧类树脂；所述树脂b为溶解度参数δm在9
‑
18的耐候改性环氧类树脂；所述溶剂采用二甲苯和正丁醇中的一种或两种混合物；所述颜料包括炭黑和钛白粉；所述填料为铝粉、云母粉、玻璃鳞片、沉淀硫酸钡或滑石粉中的一种或两种以上组合；所述助剂为byk
‑
110、byk
‑
320、气相二氧化硅和有机膨润土中的两种及两种以上组合物；所述固化剂为溶解度参数δm在10
‑
13的脂环胺固化剂、聚酰胺固化剂或脂肪族固化剂中的一种或两种以上组合物；作为对上述方案的进一步优化，所述涂层材料包含的组分及其质量百分比分为：环氧树脂15
‑
42%、溶剂10
‑
25%、颜料2
‑
12%、填料20
‑
40%、助剂0.3
‑
5%和固化剂15
‑
35%；作为对上述方案的进一步优化，所述溶剂由二甲苯和正丁醇以1:1的体积比混合而成。
9.作为对上述方案的进一步优化，所述树脂a为e44双酚a型、脂环族型或酚醛型环氧树脂。
10.作为对上述方案的进一步优化，所述树脂b为硅氧烷改性环氧树脂、氟碳改性环氧树脂或聚氨酯改性环氧树脂。
11.本发明还提供制备所述涂层材料的方法，包括以下步骤：步骤一、将树脂a和树脂b按比例混合，以1500转的转速搅拌30分钟，控制料温在50℃以下，制成分散均匀的环氧树脂基料；步骤二、将步骤一所得环氧树脂基料和溶剂混合均匀，然后加入助剂配制成环氧树脂基料溶液；步骤三、将颜料和填料依次加入到步骤二所得到的环氧树脂基料溶液中，以1500转的转速搅拌30分钟，控制料温在50℃以下，制成分散均匀的色浆溶液；步骤四、将固化剂加入步骤三所得到的的色浆溶液中，搅拌均匀，采用刷涂、喷涂或辊涂工艺，涂覆于基板上，自然放置；
步骤五、干燥，涂膜固化，即可得具有耐候防腐梯度化涂层材料。
12.作为对上述方案的进一步优化，步骤五所述干燥温度为10℃~35℃。
13.作为对上述方案的进一步优化，步骤五所述干燥湿度小于85%。
14.有益效果：1、本发明提供了基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，选择溶解度参数相近的环氧树脂进行共混，在树脂固化交联过程中其中改性环氧类树脂b（如聚硅氧烷改性环氧树脂）与固化剂反应后分子量小于环氧树脂a（e44双酚a型环氧树脂）的固化反应分子量，两种不同反应物的溶解度参数差值加大，溶解球重叠区域逐渐减小，分子量小的反应物由于动力学因素向涂层外表面迁移，分子量大的反应物向涂层内表面迁移，配合防腐颜填料的作用，逐渐形成均匀致密的梯度化结构，使涂层上表面富集了具有耐候性能的聚硅氧烷成份，涂层下表面形成致密的环氧防腐膜。此外，该耐候防腐梯度化涂层具有施工简单，无需复杂设备，成本低廉；制成材料成膜性好，并具有较高的附着力。
15.2、本发明因其涂覆一种材料即可实现耐候又可实现防腐特性，与传统涂层环氧富锌防锈底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯耐候面漆三层配套体系相比，减少了多层间界面不相容问题，且具有施工简单，成本低廉。制成的涂层材料成膜性好，结构致密，具有良好的耐老化性能和较高的耐盐雾性能。其耐人工加速老化达1500h以上，说明该涂层能应用于具有强腐蚀特性的南海海洋环境中，从而实现对岛礁装备的快速维修并达到良好的防腐效果，同时该涂层更可广泛应用于沿海港工、桥梁等海洋环境设施腐蚀防护。
附图说明
16.图1是两种不同树脂溶解度参数球示意图；图2是实施例1的涂层横截面形貌电镜图；图3是实施例1的梯度化涂层断面si元素分布趋势图。
具体实施方式
17.本发明提供了基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，包括树脂a、树脂b、固化剂、颜料、填料、溶剂和助剂。
18.其中所述参与固化的树脂a为溶解度参数δm在8
‑
13的环氧类树脂，如e44双酚a型、脂环族型或酚醛型环氧树脂；树脂b为溶解度参数δm在9
‑
18的耐候改性环氧类树脂，如硅氧烷改性环氧树脂、氟碳改性环氧树脂或聚氨酯改性环氧树脂等。
19.其中所述脂树脂a与树脂b重量比例为1：1~1：3，优选1：1~1：2；其添加量总重量比范围为15%~45%，优选15%~42%。
20.其中所述固化剂，主要选用溶解度参数δm在10
‑
13的脂环胺固化剂、聚酰胺固化剂或脂肪族固化剂等一种或两种以上组合物，其添加量重量比范围为10%~50%，优选15%~35%。
21.其中颜料采用具有着色黑色和白色颜料复配成灰色梯度化涂层，其添加量重量比范围为1%~20%，优选2%~12%。
22.其中所述片层填料采用铝粉、云母粉、玻璃鳞片等，其添加量重量比范围为10%~50%，优选20%~40%。
23.其中所述溶剂采用二甲苯、正丁醇中的一种或两种混合物，添加量：重量比范围为
5
‑
40%，优选10
‑
25%。
24.其中所述助剂，如分散剂、防沉剂等，优选byk
‑
110、byk
‑
320、气相二氧化硅、有机膨润土等两种及两种以上组合物，其添加量重量比范围为0.1%~10%，优选0.3%~5%。
25.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
26.实施例1一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，由以下重量的成分组成：聚硅氧烷改性环氧树脂
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168g双酚a环氧树脂（e44）
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168g溶剂
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255.6g炭黑
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1g钛白粉
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12g铝粉
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68g云母粉
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41g气相二氧化硅
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2gbyk110
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1.5g聚酰胺固化剂
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258g。
27.采用上述组分制备而成的耐候防腐梯度化涂层材料经人工加速老化1500h小时后，涂层表面变色0级，失光程度1级，根据国标gb/t 1766
‑
2008评级为无变色，轻微失光。涂层经耐盐雾测试2000h后涂层无起泡、无脱落、无锈蚀，如表1所示。涂层横截面形貌和si元素在横截面中的分布趋势分别如图1和图2所示。从图1可以看出，涂层内部未发现明显分层，呈现均匀致密的膜层；图2是利用x射线能谱仪对横截面元素进行扫描，从涂层横截面上表面至下表面平均取五个点进行线扫描，以si/o的比值作图， si元素在横截面中的分布从上至下呈下降趋势。
28.表1：耐候防腐梯度化涂层材料主要技术效果：
序号项目技术效果检验方法1耐盐雾性2000h涂层无起泡、无脱落、无锈蚀gb/t1771
‑
20072人工加速老化（uvb
‑
313）1500h，漆膜颜色变化0级、粉化≤2、裂纹0gb/t14522
‑
20083附着力7mpagb/t5210
‑
2006
实施例2一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，由以下重量的成分组成：氟碳改性环氧树脂
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100.8g脂环族环氧树脂
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67.2g溶剂
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66.6g炭黑
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1g钛白粉
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12g云母料
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78g 沉淀硫酸钡
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49.5g
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有机膨润土
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4gbyk320
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2g 脂肪胺固化剂
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100g。
29.采用上述组分制备而成的耐候防腐梯度化涂层材料经人工加速老化1500h小时后，涂层表面变色1级，失光程度0级，根据国标gb/t 1766
‑
2008评级为很轻微变色。涂层经耐盐雾测试2000h后涂层无起泡、无脱落、无锈蚀。
30.实施例3一种基于聚合物溶解度参数设计的耐候防腐梯度化涂层材料，由以下重量的成分组成：聚氨酯改性环氧树脂
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130g酚醛环氧树脂
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100g溶剂
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66.6g炭黑
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1g钛白粉
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12g玻璃鳞片
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78g滑石粉
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45g byk110
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2g 有机膨润土
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5g脂环胺固化剂
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115g。
31.采用上述组分制备而成的耐候防腐梯度化涂层材料经人工加速老化1500h小时后，涂层表面变色1级，失光程度2级，根据国标gb/t 1766
‑
2008评级为很轻微变色，轻微失光。涂层经耐盐雾测试2000h后涂层无起泡、无脱落、无锈蚀。
32.需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。