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玻璃纤维改性无机硅酸锌涂层的柔韧性研究:采用玻璃纤维增韧无机硅酸锌涂层,并对其柔韧性进行了研究,中国建材网,cnprofit.com
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玻璃纤维改性无机硅酸锌涂层的柔韧性研究:采用玻璃纤维增韧无机硅酸锌涂层,并对其柔韧性进行了研究
2020年09月10日    阅读量:552    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

当涂于底材上的涂层受到外力作用弯曲的时候,所表现的延展性(弹性、塑性表现)和附着力等综合性能称为“柔韧性”,也称“弯曲性”,因为也代表了涂层应力消除后恢复原形的能力,有时也称为“弹性”或“延展性”。


涂层的柔韧性和涂层的附着力、抗拉强度、耐冲击性等有密切的关系,由涂料的组成所决定,并与检测时涂层变形的时间和速度有关。

由于涂覆于底材上的涂层经常要受到使其变形的外力影响,例如外界温度剧烈变化引起的热胀冷缩以及压力加工成型等中国建材网cnprofit.com。若涂层的延展性不够,涂层将开裂,如果附着力再不够的话,涂层将脱离底材,造成剥落。


因此,涂层柔韧性的好坏是决定涂层寿命很重要的因素之一。


作为水性涂料的典型代表,无机硅酸锌涂料因为具有防腐蚀性能好、安全环保等特点而得到广泛的应用。


但由于无机硅酸锌涂料成膜后涂层脆性较高而使其应用受到了限制。本文利用玻璃纤维增韧无机硅酸锌涂层取得了较好的效果。


1 试验部分

1.1 试验材料

超高活性锌粉,北京矿冶研究总院;高模数水溶性硅酸钾黏结剂,实验室自制;涂覆基体材料,马口铁板,尺寸规格为120 mm×25 mm×0.25 mm;短切玻璃纤维,南京玻璃纤维设计研究院;硅烷偶联剂,湖北武大有机硅新材料;苯丙乳液,北京爱德泰普膜制品厂。


1.2 玻璃纤维的表面预处理

(1)配制偶联剂溶液。取9 mL硅烷偶联剂溶液溶于300 mL去离子水中,经摇匀、搅拌、静置,即得偶联剂溶液。

(2)将玻璃纤维在马弗炉中高温灼烧(灼烧温度350 ℃,灼烧时间15 s),以去除纤维表面原有的浸润剂。图1为玻璃纤维的扫描电子显微镜照片。

磨碎玻璃纤维扫描电子显微镜照片

(3)将灼烧后的玻璃纤维放入1.2(1)配制好的偶联剂溶液中浸泡30 min,取出后干燥。

(4)苯丙乳液处理。将偶联剂处理后的玻璃纤维在苯丙乳液(苯丙乳液与玻璃纤维的质量比为5∶1)中浸泡30 min以上,待用。

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1.3 无机硅酸锌涂层的制备

(1)涂覆基体材料表面处理:将马口铁板裁剪为120 mm×25 mm×0.25 mm大小,试样表面经喷砂处理,除锈等级为Sa2.5级。

(2)配制涂料:将黏结剂与锌粉按质量比1∶2.4混在一起并充分搅拌。将处理好的玻璃纤维连同苯丙乳液一同加入上述配好后的涂料中,并搅拌均匀。

(3)将(2)配好的涂料均匀地刷涂在1.3(1)处理后的马口铁板上,共涂刷3层。涂层干膜厚度约为80~100 μm。制备好的涂层放置7 d后充分实干后再检测其柔韧性,实干后的涂层表面质量良好,无裂纹出现。

对比涂层中不添加玻璃纤维,其他制备工艺同上(1)~(3)。

1.4 涂层的柔韧性检测

涂层的柔韧性检测按照GB/T 1731—93《漆膜柔韧性测定法》进行。试验所用的轴棒测定器如图2所示。测试的时候将涂有涂层的马口铁板,在一定直径的轴棒上弯曲,弯曲动作必须在2~3 s内完成,然后用4倍放大镜观察涂层,无裂纹即为通过,以其弯曲后不引起涂层破坏的最小轴棒直径(mm)来表示。

柔韧性测定器

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2 结果与讨论

2.1 测试结果

涂层的柔韧性检测结果如表1。

无机硅酸锌涂层的柔韧性

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从测试结果可以看出,添加一定量的玻璃纤维能有效改善无机硅酸锌涂层的柔韧性。当添加玻璃纤维的量为涂料总质量的0.3%时,涂层的柔韧性最好。

图3是添加0.3%玻璃纤维的无机硅酸锌涂层与对比涂层经5 mm的轴棒弯曲后,相同部位(拍照选取弯曲时所受拉应力最大的弧顶位置)的SEM照片。从图3中也可以看出,经玻璃纤维改性的无机硅酸锌涂层,其柔韧性有明显的提高。


添加0.3%玻璃纤维的无机硅酸锌涂层与对比涂层经5 mm轴棒弯曲后的局部扫描电镜照片

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2.2 分析讨论

为了研究玻璃纤维在无机硅酸锌涂层中的作用,本文制备了不添加锌粉的黏结剂涂层(这样可更清楚地看到纤维在其中的分布)。经同样的柔韧性检测仪轴棒弯曲后利用扫描电镜下进行分析,图4是其扫描电镜照片。

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玻璃纤维增韧涂层柔韧性检测后的SEM照片

根据纤维增韧的一般理论,添加玻璃纤维后无机硅酸锌涂层柔韧性的改善主要原因为纤维脱黏与拔出以及纤维的桥接作用。从图4可以看出,涂层在柔韧性检测过程中开裂,有纤维从涂层基体中拔出,或搭接在裂纹两岸。


由于纤维在拔出前必须和基体脱黏,产生新的表面,需要消耗一定的能量。而纤维拔出又使裂纹尖端应力松弛,从而减缓了裂纹的扩展,同时,纤维的拔出也需要外力做功。而桥接的纤维会在裂纹表面产生一个压应力以抵消外加拉应力的作用,从而使裂纹的扩展变得困难。以上几个原因共同作用,使得纤维对涂层有了较为明显的增韧效果。


从以上分析不难发现,玻璃纤维与涂层基体之间的界面结合强度越高,纤维脱黏与拔出消耗的能量也就越高,其增韧效果也就越好,而使用硅烷偶联剂溶液对玻璃纤维进行表面处理则有效提高了二者的界面强度。


同时,无机硅酸锌涂料的黏结剂本身呈碱性,由于OH-对玻璃纤维的化学侵蚀作用而导致其变脆,拉伸强度降低。但由于硅烷偶联剂具有在玻璃纤维表面和高分子物质之间成键的功能,从而提高了苯丙乳液对玻璃纤维的包覆程度,避免了玻璃纤维与碱性黏结剂的直接接触,降低了化学侵蚀作用对玻璃纤维的影响。


另外,无机硅酸锌涂层主要是—Si—O—Si—的网状结构,而硅氧键的脆性比较大(其键能为445 kJ/mol,为脆性键),因此导致涂层的柔韧性不足,易于开裂[4]。而弹性较好的苯丙乳液在成膜时可均匀地分散在—Si—O—Si—结构的间隙当中,从而以弥补硅氧键的韧性不足,也在一定程度上提高了涂层的柔韧性。


3 结 语

(1)添加经硅烷偶联剂和苯丙乳液共同表面预处理的玻璃纤维可有效提高无机硅酸锌涂层的柔韧性,其柔韧性可达1~2 mm。

(2)合适的玻璃纤维添加量约为涂料总质量的0.3%。

(3)玻璃纤维的增韧机理主要是纤维的拔出与桥接。

(4)由于苯丙乳液与涂层复合形成无机-有机的复合体系,对涂层的增韧也有一定的作用。


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