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    玻璃纖維改性無機硅酸鋅涂層的柔韌性研究:采用玻璃纖維增韌無機硅酸鋅涂層,并對其柔韌性進行了研究,中國建材網,cnprofit.com
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    玻璃纖維改性無機硅酸鋅涂層的柔韌性研究:采用玻璃纖維增韌無機硅酸鋅涂層,并對其柔韌性進行了研究
    2020年09月10日    閱讀量:3329    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

    0 前 言

    當涂于底材上的涂層受到外力作用彎曲的時候,所表現的延展性(彈性、塑性表現)和附著力等綜合性能稱為“柔韌性”,也稱“彎曲性”,因為也代表了涂層應力消除后恢復原形的能力,有時也稱為“彈性”或“延展性”。


    涂層的柔韌性和涂層的附著力、抗拉強度、耐沖擊性等有密切的關系,由涂料的組成所決定,并與檢測時涂層變形的時間和速度有關。

    由于涂覆于底材上的涂層經常要受到使其變形的外力影響,例如外界溫度劇烈變化引起的熱脹冷縮以及壓力加工成型等中國建材網cnprofit.com。若涂層的延展性不夠,涂層將開裂,如果附著力再不夠的話,涂層將脫離底材,造成剝落。


    因此,涂層柔韌性的好壞是決定涂層壽命很重要的因素之一。


    作為水性涂料的典型代表,無機硅酸鋅涂料因為具有防腐蝕性能好、安全環保等特點而得到廣泛的應用。


    但由于無機硅酸鋅涂料成膜后涂層脆性較高而使其應用受到了限制。本文利用玻璃纖維增韌無機硅酸鋅涂層取得了較好的效果。


    1 試驗部分

    1.1 試驗材料

    超高活性鋅粉,北京礦冶研究總院;高模數水溶性硅酸鉀黏結劑,實驗室自制;涂覆基體材料,馬口鐵板,尺寸規格為120 mm×25 mm×0.25 mm;短切玻璃纖維,南京玻璃纖維設計研究院;硅烷偶聯劑,湖北武大有機硅新材料;苯丙乳液,北京愛德泰普膜制品廠。


    1.2 玻璃纖維的表面預處理

    (1)配制偶聯劑溶液。取9 mL硅烷偶聯劑溶液溶于300 mL去離子水中,經搖勻、攪拌、靜置,即得偶聯劑溶液。

    (2)將玻璃纖維在馬弗爐中高溫灼燒(灼燒溫度350 ℃,灼燒時間15 s),以去除纖維表面原有的浸潤劑。圖1為玻璃纖維的掃描電子顯微鏡照片。

    磨碎玻璃纖維掃描電子顯微鏡照片

    (3)將灼燒后的玻璃纖維放入1.2(1)配制好的偶聯劑溶液中浸泡30 min,取出后干燥。

    (4)苯丙乳液處理。將偶聯劑處理后的玻璃纖維在苯丙乳液(苯丙乳液與玻璃纖維的質量比為5∶1)中浸泡30 min以上,待用。

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    1.3 無機硅酸鋅涂層的制備

    (1)涂覆基體材料表面處理:將馬口鐵板裁剪為120 mm×25 mm×0.25 mm大小,試樣表面經噴砂處理,除銹等級為Sa2.5級。

    (2)配制涂料:將黏結劑與鋅粉按質量比1∶2.4混在一起并充分攪拌。將處理好的玻璃纖維連同苯丙乳液一同加入上述配好后的涂料中,并攪拌均勻。

    (3)將(2)配好的涂料均勻地刷涂在1.3(1)處理后的馬口鐵板上,共涂刷3層。涂層干膜厚度約為80~100 μm。制備好的涂層放置7 d后充分實干后再檢測其柔韌性,實干后的涂層表面質量良好,無裂紋出現。

    對比涂層中不添加玻璃纖維,其他制備工藝同上(1)~(3)。

    1.4 涂層的柔韌性檢測

    涂層的柔韌性檢測按照GB/T 1731—93《漆膜柔韌性測定法》進行。試驗所用的軸棒測定器如圖2所示。測試的時候將涂有涂層的馬口鐵板,在一定直徑的軸棒上彎曲,彎曲動作必須在2~3 s內完成,然后用4倍放大鏡觀察涂層,無裂紋即為通過,以其彎曲后不引起涂層破壞的最小軸棒直徑(mm)來表示。

    柔韌性測定器

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    2 結果與討論

    2.1 測試結果

    涂層的柔韌性檢測結果如表1。

    無機硅酸鋅涂層的柔韌性

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    從測試結果可以看出,添加一定量的玻璃纖維能有效改善無機硅酸鋅涂層的柔韌性。當添加玻璃纖維的量為涂料總質量的0.3%時,涂層的柔韌性最好。

    圖3是添加0.3%玻璃纖維的無機硅酸鋅涂層與對比涂層經5 mm的軸棒彎曲后,相同部位(拍照選取彎曲時所受拉應力最大的弧頂位置)的SEM照片。從圖3中也可以看出,經玻璃纖維改性的無機硅酸鋅涂層,其柔韌性有明顯的提高。


    添加0.3%玻璃纖維的無機硅酸鋅涂層與對比涂層經5 mm軸棒彎曲后的局部掃描電鏡照片

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    2.2 分析討論

    為了研究玻璃纖維在無機硅酸鋅涂層中的作用,本文制備了不添加鋅粉的黏結劑涂層(這樣可更清楚地看到纖維在其中的分布)。經同樣的柔韌性檢測儀軸棒彎曲后利用掃描電鏡下進行分析,圖4是其掃描電鏡照片。

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    玻璃纖維增韌涂層柔韌性檢測后的SEM照片

    根據纖維增韌的一般理論,添加玻璃纖維后無機硅酸鋅涂層柔韌性的改善主要原因為纖維脫黏與拔出以及纖維的橋接作用。從圖4可以看出,涂層在柔韌性檢測過程中開裂,有纖維從涂層基體中拔出,或搭接在裂紋兩岸。


    由于纖維在拔出前必須和基體脫黏,產生新的表面,需要消耗一定的能量。而纖維拔出又使裂紋尖端應力松弛,從而減緩了裂紋的擴展,同時,纖維的拔出也需要外力做功。而橋接的纖維會在裂紋表面產生一個壓應力以抵消外加拉應力的作用,從而使裂紋的擴展變得困難。以上幾個原因共同作用,使得纖維對涂層有了較為明顯的增韌效果。


    從以上分析不難發現,玻璃纖維與涂層基體之間的界面結合強度越高,纖維脫黏與拔出消耗的能量也就越高,其增韌效果也就越好,而使用硅烷偶聯劑溶液對玻璃纖維進行表面處理則有效提高了二者的界面強度。


    同時,無機硅酸鋅涂料的黏結劑本身呈堿性,由于OH-對玻璃纖維的化學侵蝕作用而導致其變脆,拉伸強度降低。但由于硅烷偶聯劑具有在玻璃纖維表面和高分子物質之間成鍵的功能,從而提高了苯丙乳液對玻璃纖維的包覆程度,避免了玻璃纖維與堿性黏結劑的直接接觸,降低了化學侵蝕作用對玻璃纖維的影響。


    另外,無機硅酸鋅涂層主要是—Si—O—Si—的網狀結構,而硅氧鍵的脆性比較大(其鍵能為445 kJ/mol,為脆性鍵),因此導致涂層的柔韌性不足,易于開裂[4]。而彈性較好的苯丙乳液在成膜時可均勻地分散在—Si—O—Si—結構的間隙當中,從而以彌補硅氧鍵的韌性不足,也在一定程度上提高了涂層的柔韌性。


    3 結 語

    (1)添加經硅烷偶聯劑和苯丙乳液共同表面預處理的玻璃纖維可有效提高無機硅酸鋅涂層的柔韌性,其柔韌性可達1~2 mm。

    (2)合適的玻璃纖維添加量約為涂料總質量的0.3%。

    (3)玻璃纖維的增韌機理主要是纖維的拔出與橋接。

    (4)由于苯丙乳液與涂層復合形成無機-有機的復合體系,對涂層的增韌也有一定的作用。


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