有机无机复合硅氧烷防腐涂层的制备与性能研究

论文摘要

金属材料因其优异的性能而被广泛的应用,但在使用过程中,金属易受到周边环境的影响发生腐蚀,导致其性能寿命下降。因此,金属的防腐研究受到了各国的重视。目前,人们采用电化学保护、表面涂层、新型合金等多种技术来防止金属腐蚀的发生。其中,防腐涂层是最有效、最常用的方法之一。有机聚硅氧烷涂层是由有机硅氧烷前驱体通过一定条件下的水解聚合反应形成的,以Si-O-Si无机鼷络结构为骨架的一种涂层材料。其既具有丰富的硅羟基（Si-OH）,可与金属表面羟基发生缩合形成共价键；又带有与Si相连的有机基团（甲基（-CH3）、乙基（-C2H5）、丙基（-C3H7）等）,与防腐涂层的面漆具有很好的相容性；同时由于Si-O键的高键能以及长键长,涂层环保、无毒、机械强度高、耐热、耐候性远优于其他防腐材料,因而,作为一种性能优良的防腐涂层材料,有机聚硅氧烷涂层具有广阔的应用前景。然而,单纯的有机硅氧烷涂层受到涂层厚度的限制,目前仅作为防腐涂层体系的预处理层被使用,很少有研究报道将其单独作为防腐涂层进行研究。本文首先综述了硅氧烷涂层的研究现状,然后以有机硅氧烷为主要前驱体,以氧化物溶胶（氧化硅、氧化铝溶胶）为纳米无机增强相,通过溶胶凝胶纳米复合工艺对纳米氧化物表面进行有机改性后制备有机无机复合硅氧烷防腐涂层,并在铝基板表面应用。本文从前驱体种类、纳米溶胶、溶胶凝胶纳米复合工艺参数等方面考察了有机无机复合硅氧烷防腐涂层镀膜液制备过程中的各影响因素对涂层结构和性能的影响；并在此基础上研究了常温固化有机无机复合硅氧烷涂层体系和涂层的自修复性能。具体研究结果如下：1)考察了前驱体种类和比例、催化剂种类和用量、反应温度和时间、固化温度和时间等对硅溶胶改性硅氧烷涂层结构和性能的影响,并优选了具有最优综合性能的制备条件和固化方式；以29Si NMR、FTIR、GPC、TG-DTA等研究了MTMS在酸性硅溶胶中的水解聚合反应机理及涂层固化过程,测试结果表明溶胶中最终产物结构以T2、T3为主,分子量及其分布随反应时间和温度的提高而增大,涂层具有良好的耐热性能、防腐性能和力学性能;2)制备了硅铝溶胶复合硅氧烷涂层,以XPS、FTIR等研究了铝溶胶的加入对涂层结构的影响,考察了铝溶胶含量和固化温度等涂层性能和结构的影响,发现适量铝溶胶的加入使涂层的综合性能得以提高,并在此基础上获得了高硬高耐磨的涂料；3)通过KH560和MTMS在硅溶胶共水解,以TEPA作为固化剂,制备了常温固化涂层,考察了固化剂种类和用量对涂层结构和性能的影响,加入0.5w.t0.%TEPA的涂层在室温下固化7d后综合性能接近热固化涂层：4)以硅溶胶负载铈离子的方式在硅氧烷涂层中引入了硝酸铈缓蚀剂,研究了硝酸铈对溶胶稳定性及涂层的影响,EIS釉SEM-EDX分析结果表明涤层呈现了一定的自修复能力,在硝酸铈加入量为0.6w.t.%时涂层的防腐性能最优；5)以OH-PDMS写TFPTMS做为改性剂制备了复合硅氧烷涂层,发现改性剂的加入提高了涂层的疏水性,但降低了涂层的力学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属的腐蚀与防护
• 1.2.1 腐蚀的定义与分类
• 1.2.2 金属腐蚀的防护
• 1.3 防腐涂层的种类及研究现状
• 1.3.1 环氧树脂涂料
• 1.3.2 有机硅涂料
• 1.3.3 氟碳涂料
• 1.3.4 聚氨酯涂料
• 1.3.5 醇酸树脂涂料
• 1.3.6 富锌涂料
• 1.3.7 智能防腐涂料
• 1.3.8 其他防腐涂料
• 1.4 硅氧烷防腐涂层的研究现状
• 1.4.1 硅氧烷涂层的制备
• 1.4.2 涂层的表征
• 1.4.3 涂层的研究进展
• 1.5 硅氧烷涂层的其他应用
• 1.6 研究意义及内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 复合涂层的制备
• 2.2.1 复合涂膜液的制备
• 2.2.2 基板的表面处理
• 2.2.3 涂层的涂覆与固化
• 2.3 复合涂层的结构及性能测试
• 2.3.1 结构表征
• 2.3.2 性能测试
• 第三章 硅溶胶改性硅氧烷涂层的结构和性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 复合涂膜液的制备及涂覆
• 3.2.2 涂层结构和性能的测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 硅溶胶和硅氧烷种类的选择
• 3.3.2 复合溶胶的性能和结构
• 3.3.3 复合涂层的结构及热性能
• 3.3.4 复合溶胶的改性和成膜机理
• 3.3.5 复合涂层的表面形貌和性能
• 3.3.6 复合涂层的力学性能
• 3.3.7 复合涂层的防腐性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 硅铝复合溶胶改性硅氧烷涂层的结构和性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 硅铝复合改性溶胶的制备及涂覆
• 4.2.2 涂层结构和性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 硅铝复合溶胶及涂膜液的结构和性能
• 4.3.2 硅铝复合涂层的结构及热性能
• 4.3.3 硅铝复合涂层的表面形貌
• 4.3.4 硅铝复合涂层的力学性能
• 4.3.5 硅铝复合涂层的防腐性能
• 4.4 涂层的应用
• 4.5 本章小结
• 第五章 常温固化型硅氧烷涂层的制备
• 5.1 引言
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 中性改性溶胶的制备
• 5.2.2 KH560改性涂膜液的制备
• 5.2.3 涂层的结构和性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 中性改性溶胶的结构和性能
• 5.3.2 固化剂种类及用量对KH560改性涂膜液的影响
• 5.3.3 KH560改性常温固化涂层的反应机理
• 5.3.4 KH560改性涂层的结构和热性能
• 5.3.5 KH560改性涂层的力学性能和防腐性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 自修复型硅氧烷涂层的制备
• 6.1 引言
• 6.2 实验内容
• 6.2.1 复合涂膜液的制备及涂覆
• 6.2.2 复合涂层的测试与表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 氧化物溶胶的选择
• 3+加入量对涂层结构的影响'>6.3.2 Ce³⁺加入量对涂层结构的影响
• 3+加入量对涂层性能的影响'>6.3.3 Ce³⁺加入量对涂层性能的影响
• 6.3.4 复合涂层自修复性能的表征及机理分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 PDMS和TFPTMS改性硅氧烷涂层
• 7.1 引言
• 7.2 实验内容
• 7.2.1 PDMS改性复合涂层的制备
• 7.2.2 氟硅烷改性复合涂层的制备
• 7.2.3 涂层结构和性能测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 PDMS对复合涂层结构和疏水性能的影响
• 7.3.2 TFPTMS对复合涂层结构和疏水性能的影响
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的论文