纳米天然重晶石制备及其在卷材涂料中应用研究

论文摘要

本论文采用新型湿法研磨加工技术成功制备了纳米级天然重晶石粉体,并对其结构性能进行了表征。研究了水性介质中纳米天然重晶石的分散稳定性及其表面电性动力学。在开发纳米天然重晶石表面改性方法的基础上,制备了纳米天然重晶石改性高性能卷材涂料,并对其耐腐蚀机理进行了研究。主要内容包括以下几个方面:（1）采用新型湿法研磨技术,以微米级天然重晶石为原料成功制备了纳米级天然重晶石粉体。采用X射线衍射仪、N2自动吸附仪、透射电镜（TEM）及Malvern激光粒度仪等对研磨过程中重晶石粉体进行了表征。（2）研究了聚丙烯酸钠分散剂（NaPAA）用量和溶液pH值对纳米重晶石粒子的粒径、zeta电位以及溶液粘度的影响。研究表明,PAA在粒子表面的吸附使粒子的IEP向低的pH方向移动。当pH=8.5,分散剂加入量为2wt%时,粉体粒子表面为强的负电位,而此条件下的NaPAA解离程度高,因此悬浮体中纳米重晶石粒子的粒径和粘度较小。（3）通过测定水性介质中纳米天然重晶石粒子的zeta电位来确定粒子的等电点和电位决定离子。研究了单价阴离子钠盐（NaCl,NaNO3,NaCH3COO）、二价阴离子钠盐（Na2SO4,Na2CO3）和三价阴离子钠盐（Na3PO4）对纳米天然重晶石粒子zeta电位的影响。结果表明,纳米天然重晶石粒子的等电点为pH=7.8,单价阴离子比多价阴离子更能影响粒子的zeta电位。单价阴离子仅仅压缩EDL层,降低粒子表面zeta电位,而二价和三价阴离子能被吸附进Stern层中IHP区域,引起粒子表面电性的反转。根据双电层理论,提出了纳米天然重晶石粒子表面的双电层模型,并计算了双电层厚度。（4）采用阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）对纳米天然重晶石表面进行了改性研究。研究表明,DTAB能吸附到纳米天然重晶石粉体的表面,从而降低粉体的表面自由能。其表面由亲水性转变为疏水性,在一定程度上提高纳米天然重晶石粉体与液体石蜡油的相容性。（5）提出了氧化铝/硬脂酸钠双层包覆纳米天然重晶石粒子的新思路,并进行了系统的研究。研究表明,当氧化铝用量为3%和硬脂酸钠用量为5%时,改性样品表面的自由能达到最小值4.4×10-3N/m,是未改性样品表面自由能的1/20倍左右。改性样品在液体石蜡油体系中的表观粘度有一定程度的降低。另外,采用X射线光电子能谱（XPS）、红外光谱（IR）和zeta电位仪等测试手段分析了两层包覆层的结构和特性。（6）研究了纳米天然重晶石添加量对彩钢板涂层材料机械和耐腐蚀性能的影响。结果表明,纳米天然重晶石添加量为1.0%时,涂层性能有较大的提高,T弯从4T改善到2T;耐盐雾时间也由720小时增加到1096小时,提高了20%以上。另外,从涂层断面观察发现,纳米重晶石添加量为1.0%时,颗粒较均匀地分散,粘接紧密,形成较为致密的复合涂层。（7）根据大小粒子混合模型,分别设计了∧值为0.4、0.5、0.6、0.7的纳米重晶石和微米重晶石复合环氧涂料配方,制备了包括清漆在内的九种环氧涂料。并采用电化学交流阻抗技术和Mott-Schottky分析对涂层的耐腐蚀机理进行了研究。结果表明,纳米天然重晶石涂层的阻抗值明显大于微米重晶石涂层的阻抗值,说明纳米涂层的耐腐蚀性能优于微米涂层的耐腐蚀性能。另外,纳米重晶石/环氧复合涂层在失效过程中存在着半导体导电特征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和选题意义
• 1.2 纳米天然矿物制备研究现状
• 1.3 水性介质中纳米粒子的分散性研究现状
• 1.3.1 无机电解质分散剂
• 1.3.2 表面活性剂分散剂
• 1.3.3 聚合物分散剂
• 1.4 水性介质中超微粒子的表面电性动力学研究现状
• 1.5 纳米粒子表面改性研究现状
• 1.5.1 表面活性剂改性
• 1.5.2 偶联剂改性
• 1.5.3 表面接枝改性
• 1.5.4 机械化学改性
• 1.6 卷材涂料技术现状及发展趋势
• 1.6.1 纳米技术在涂料中的应用
• 1.7 本课题的提出及主要研究内容
• 1.7.1 课题的提出
• 1.7.2 主要研究内容
• 1.8 参考文献
• 第二章 纳米天然重晶石制备及其结构性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 分散剂加入量对重晶石粉体粒径的影响
• 2.3.2 研磨时间对重晶石粉体比表面积的影响
• 2.3.3 研磨时间对重晶石粉体颗粒形貌的影响
• 2.3.4 研磨时间对重晶石粉体粒度分布的影响
• 2.3.5 重晶石粉体的XRD分析
• 2.4 结论
• 2.5 参考文献
• 第三章 聚丙烯酸钠对水性介质中纳米天然重晶石分散性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 无分散剂条件下溶液pH值对纳米重晶石粒径和zeta电位的影响
• 3.3.2 无分散剂条件下纳米重晶石悬浮体的粘度测试
• 3.3.3 不同分散剂加入量条件下溶液pH值对纳米重晶石zeta电位的影响
• 3.3.4 分散剂加入量对纳米重晶石zeta电位和等电点的影响
• 3.3.5 分散剂加入量和溶液pH值对纳米重晶石粒径的影响
• 3.3.6 分散剂加入量对纳米重晶石悬浮体粘度的影响
• 3.4 结论
• 3.5 参考文献
• 第四章 不同电解质中纳米天然重晶石粒子的电动力学特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和原料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 固体浓度对粒子表面zeta电位的影响
• 4.3.2 粒子悬浮体的振荡时间对悬浮体pH的影响
• 4.3.3 悬浮体pH值对粒子表面zeta电位的影响
• 4.3.4 不同阴离子电解质钠盐浓度对粒子表面zeta电位的影响
• 4.4 纳米天然重晶石粒子表面双电层模型的建立
• 4.5 结论
• 4.6 参考文献
• 第五章 十二烷基三甲基溴化铵改性纳米天然重晶石粒子的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和原料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验方法
• 5.2.4 测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 DTAB用量对纳米重晶石活化度的影响
• 5.3.2 DTAB吸附量测试
• 5.3.3 沉降性测试
• 5.3.4 接触角测试和表面自由能计算
• 5.3.5 流变性测试
• 5.3.6 红外光谱分析
• 5.4 改性机理
• 5.5 结论
• 5.6 参考文献
• 第六章 纳米天然重晶石表面氧化铝/硬脂酸钠双层包覆的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂和原料
• 6.2.2 实验仪器
• 6.2.3 实验方法
• 6.2.4 测试与表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 氧化铝中间层的研究
• 6.3.2 硬脂酸钠包袱层的研究
• 6.4 改性机理
• 6.5 结论
• 6.6 参考文献
• 第七章 纳米天然重晶石复合卷材涂料的制备及其性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 试剂和原料
• 7.2.2 实验仪器
• 7.2.3 实验方法
• 7.2.4 测试与表征
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 纳米重晶石添加量对涂层硬度的影响
• 7.3.2 纳米重晶石添加量对涂层T弯和应变的影响
• 7.3.3 盐雾试验
• 7.3.4 涂层断面形貌分析
• 7.3.5 粉体种类及其粒径大小对涂层机械性能的影响
• 7.3.6 粉体种类及其粒径大小对涂层盐雾性能的影响
• 7.4 结论
• 7.5 参考文献
• 第八章 纳米天然重晶石复合卷材涂料的耐腐蚀机理研究
• 8.1 引言
• 8.2 配方设计
• 8.2.1 PVC、CPVC、对比颜料体积浓度（∧）和颜料堆积因素（φ）
• 8.2.2 配方设计
• 8.3 实验部分
• 8.3.1 试剂和原料
• 8.3.2 实验仪器
• 8.3.3 实验方法
• 8.3.4 测试与表征
• 8.4 电化学数据处理原理
• 8.5 结果与讨论
• 8.5.1 涂层失效过程中空间电荷电容（Csc）随电位及时间的变化
• 8.5.2 涂层失效过程中的交流阻抗图谱分析
• 8.5.3 涂层失效过程中的Mott-Schottky分析
• 8.6 涂层耐腐蚀性提高的机理分析
• 8.7 结论
• 8.8 参考文献
• 第九章 全文总结及展望
• 9.1 全文总结
• 9.2 展望
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利
• 主持或主要参与的项目
• 致谢