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纳米碳酸钙在PVC防石击涂料中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-27  来源:中国胶袋网  作者:[db:作者]
核心提示:  上海建筑材料集团新材料有限公司所属的上海雪美精细化工厂是我国早开展纳米碳酸钙研究和生产制造的企业之一。成功地将自行研制和具有自主知识产权的XM302型纳米级活性碳酸钙应用于上海桑塔纳轿车PVC车

  上海建筑材料集团新材料有限公司所属的上海雪美精细化工厂是我国最早开展纳米碳酸钙研究和生产制造的企业之一。成功地将自行研制和具有自主知识产权的XM302型纳米级活性碳酸钙应用于上海桑塔纳轿车PVC车底防石击涂料和PVC焊缝密封胶产品中,并逐渐取代了价格昂贵的英国ICI公司的WmomSPT粉料。上海雪美精细化工厂的这一科研成果,为我国纳米碳酸钙的研制、生产以及用纳米碳酸钙改造传统涂料产业注人了高科技含量,成为我国应用纳米材料提高涂料性能和赋予其特殊功能的成功典范。

  1PVC防石击涂料及其性能特点汽车在高速行驶过程中,公路上的碎石泥沙会因为车轮的高速转动作用而以较大的速度冲击车辆的底盘、挡泥板等部位,造成受冲击部位底漆的漆膜成碎片脱落,脱落漆策的金属会由此而发生腐蚀,整个车体也会因此从底部开始发生严重的锈蚀而破坏。以往我国汽车涂装业用廉价的沥青类涂料作车底涂料,因此,发生车身早期腐蚀的现象十分严重。80年代初,上海汽车工业与西德大众公司合资引进了桑塔纳牌轿车生产技术,同时也使用了从西德进口的PVC防石击涂料。PVC防石击涂料主要是通过涂膜的缓冲作用、内耗作用和耐冲作用来达到抗石击目的。即:依靠涂膜的厚度及弹性,延长冲击力的作用时间,减少冲击力;依靠涂膜的粘弹性,将一部分冲击能转换成热能而消散;依靠涂膜的强韧性,使涂膜能经受剩余冲击能的作用而难以破坏,但涂膜要达到上述作用必须符合以下几个条件:涂膜玻璃化温度转变区和使用温度范围(即石击时的材料温度)要尽可能一致。

  在使用温度范围内涂膜有较高的阻尼值。

  涂膜有较大的抗张强度和断裂伸长率。

  涂膜应能容易施工成较厚的涂层。

  要满足以上条件,仅依靠PVC糊本身所具备的优良性能还是远远不够的,必须通过改性。在引进的PVC防石击涂料的配方中,添加了英国ICI公司生产的WirmofilSPT粉料助剂,该助剂对于PVC防石击涂料的改性具有十分重要的作用。SPT粉料助剂其实是粒径为50~90mn,晶形呈球状或立方体状的纳米级活性碳酸钙。这一重要发现,使科研人员认识到纳米级活性碳酸钙具有赋予PVC防石击涂料特殊性能的功能。

  2纳米碳酸钙在PVC防石击涂料中的功能纳米碳酸钙由于其纳米尺寸效应,大的比表面积,表面原子处于高度活化状态以及与聚合物有很高的界面相互作用,当添加于PVC防石击涂料中后,使涂料获得特殊的改性功能。

  展宽玻璃化转变区范围,呈现较高阻尼值涂料是一种具有粘弹性应力一应变行为的物质,从涂料动态力学性能曲线中,可以得到材料的玻璃化转变温度Tg*Tg表明粘弹性物质从高模量、高抗张强度、低伸长率的玻璃态向低模量、低抗张强度、高伸长率的橡胶态转变的温度。在低于Tg时,热能不足以使聚合物链段作整体运动,只允许原子在平衡位置附近运动,呈现了高模量和低阻尼,任何形变都有可能引起化学键的扭曲和断裂,因此抗石击性差;当温度逐渐升高时,链段运动逐渐解冻,当温度接近Tg时,模量迅速减小,阻尼增加,冲击能可以转化成热能而消散,此时涂料有较好的抗石击性;当温度超过Tg时,链段可自由运动,此时模量减小,阻尼也减小,低模量的材料强度降低,石击时就出现在冲击点直接穿透涂膜的现象。因此,通常希望石击时的材料温度与玻璃化转变温度Tg―致或接近,但出现这样机率的范围较窄。如果设想将玻璃化转变区的温度范围拓宽,那么呈现较好抗石击性的温度范围也就扩大,抗石击性能也就会越好。人们将加有大量纳米碳酸钙和未加纳米碳酸钙的增塑PVC材料的动态力学性能进行比较研究,发现纳米碳酸钙的加人使模量和玻璃化温度提高,并大大展宽了玻璃化转变区的范围,同时使材料在很宽的温度范围内呈现较高的阻尼值(见)。这是由于分散于涂料中纳米碳酸钙颗粒极其细小,在一定体积分率下,粒子数急剧增加,粒子间平均距离缩小,任何两个粒子进人相互吸引区的机会迅速增加,导致粘度增加。当材料受到外力冲击作用时,大量颗粒质点之间的滑动增加了材料的内摩擦(阻尼),这种内摩擦将吸收较多的冲击能使之转化为热能而消散,体现在较大的温度范围内有较高的阻尼值。

  增塑pvc材料的动态力学曲线赋予可观的触变性PVC防石击涂料为了适应抗石击、防腐蚀的需求,涂膜希望具有柔性和厚度,因为柔性的厚涂膜有缓冲作用,能延长石击的作用时间,即降低涂膜的应变速率,减少石击的作用力,但厚涂膜需要厚浆涂料,厚浆涂料的粘度往往比较大,造成涂装施工困难,这在轿车生产涂装线上矛盾更为突出,不仅要求厚涂,还要求做到易喷、不沉底、流平性好、不流挂等。这些要求近乎苛刻又互为矛盾。但如果能做到涂料在低剪切速率或静止状态下具有高粘度,即可防止涂料沉底和流挂;而在高剪切速率下,粘度能明显变低,就能易于喷涂流平。涂料的这种性能称为触变性,而采用纳米碳酸钙可以很好地满足这一性能要求。

  纳米碳酸钙具有巨大的比表面积,且经过了特殊的表面处理,当添加量达到一定用量之后,分散于涂料中的纳米碳酸钙粒子会由于范德华力作用形成一种絮凝结构(一种疏松的、粒子相互连结而成的网状结构)。这种絮凝状态是可逆的。当涂料处于静止状态时,可以保持这种结构的稳定,涂料的粘度较大,形成抵抗外力破坏的能力;当外界的搅动力超过了涂料的屈服值后,搅动力破坏了粒子间的结合力,网状结构便遭到破坏,纳米碳酸钙粒子成分散状态,粘度突降;在外部则表现为流体内部相互间的滑动,使得涂料的流动性增强。当外力消失后,絮凝状态重新恢复,粘度又突增。这一特性,使PVC防石击涂料具有了明显的触变性,而采用普通轻质碳酸钙则难以达到……

  提高抗张强度、断裂伸长率以及屈服应力普通碳酸钙的表面性质是亲水疏油,在高聚物内部分散性极差,另外它不能与高聚物产生化学结合,不能起补强作用,只能起填充增容的作用,所以它的添加或多或少地降低涂膜的抗张强度,使断裂伸长率减少,而纳米碳酸钙由于其纳米尺寸效应、表面效应、体积效应以及表面的活化改性,使其与高聚物的接触界面大大扩大,表面活性更加显著,与高聚物间的结合力进一步增强,同时改善了纳米碳酸钙在涂料中的分散和流动性。纳米碳酸钙经表面活化处理,使粒子与涂料界面之间形成一个弹性过渡层,可有效地在高模量无机填料和低模量有机基料的界面区间传递和松弛界面上的应力,更好地吸收与分散外界冲击能,避免因应力集中而导致的破坏,该弹性过渡层还具有可挠性,从而提篼了涂膜的抗张强度、断裂伸长率以及屈服应力。此外,纳米碳酸钙对提高PVC防石击涂料的热稳定性、耐老化性、光泽度以及涂膜的表面硬度等同样具有不容忽视的作用。

  3结束语进人二十一世纪以来,纳米材料的开发与应用已成为科技工作者的研究热点,其中在涂料中的应用就是众多研究方向之一。上海建筑材料集团新材料有限公司所属上海雪美精细化工厂领先一步,在国内率先开发出PVC防石击涂料专用纳米碳酸钙,并成功地取代进口广泛地应用于国内PVC防石击涂料和PVC焊缝密封胶产品,取得了显著的社会效益和经济效益,为我国纳米碳酸钙在涂料改性中的应用开创了先河,在碳酸钙行业和涂料行业产生了重要的影响,其意义十分深远。但是纳米材料是一种高科技产品,纳米材料在涂料中的改性也不同于一般材料在涂料中的应用,是一项高新技术,还有许多未知的基础研究领域需要我们去探索,还有许多应用技术难关需要我们去攻克,不容置疑的是只要科学地应用纳米材料,肯定能提篼涂料性能和赋予涂料特殊的功能,纳米碳酸钙材料在涂料改性中的应用前景将是灿烂辉煌的。

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