透明隔热防腐功能涂料的制备及性能研究

时间：2024-07-28

杨波，黄晓燕，李茂东，魏红阳，陈东初，叶秀芳，常萌蕾，余钢

（1.广州特种承压设备检测研究院，广东广州510000；2.佛山科学技术学院，广东佛山528000）

隔热涂料是近年来发展的一种新型功能涂料，将其涂装在物体表面，可以有效降低物体的表面温度，但在一些特殊场合，不仅要求涂料有良好的隔热保温效果，同时还需要涂料具有优异的透光性和防腐性能。针对上述问题，基于前期隔热涂料的研究基础[1-3]，以水性丙烯酸乳液和水性醇酸树脂乳液为成膜基体，以集减反射、抗辐射、红外吸收等功能为一体的纳米ATO粉体为隔热功能填料，制备得到一种透明水性隔热防腐功能涂料。相关测试结果表明：透明水性隔热防腐涂层的隔热温差可高达8℃，在可见光区的透光率良好，具有较好的抗腐蚀介质渗透能力。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

水性丙烯酸乳液和水性醇酸树脂乳液（佛山市皇冠涂料有限公司）；纳米氧化锡锑（ATO）粉、各种助剂、NaCl和蒸馏水均为市售。

精密增力电动搅拌器；SDF400实验室分散砂磨机（即胶体磨，莱州市精细化工机械设备厂）；嵌入式碘钨灯灯具；涂布器；热电偶；碘钨灯（200W）等。CS-310型电化学工作站（武汉科思特仪器有限公司）；隔热箱（实验室自制）；3101UV型紫外-可见光-近红外分光光度计；全自动划圈法附着力测试仪（BGD 501）；自动涂膜机（BGD 218/2）；电动台式铅笔硬度计（BGD 507/2）。

1.2 透明水性丙烯酸隔热涂料的制备

按表1的配方制备透明隔热防腐功能涂料。

表1 透明隔热防腐功能涂料基础配方Tab.1 The basic formula of the transparent thermal insulation and anticorrosive functional coatings

透明隔热防腐功能涂料的制备工艺如图1所示，其具体操作步骤为：

（1）纳米ATO分散液的制备：纳米ATO粉体放在烘箱中以110℃的温度烘干6～12 h，冷却后，按配方称取适量的纳米ATO粉和硅烷偶联剂，加入定量的去离子水中，超声分散20～30 min，配制成20 mg/mL的ATO水分散液。

（2）在容器中依次加入溶剂去离子水、助溶剂95%乙醇，低速（1000 r/min）搅拌均匀，加入（1）中的 ATO水分散液，高速（1500～2000 r/min）搅拌分散 30 min，得到ATO隔热功能填料浆料。

（3）按配方往（2）ATO隔热功能填料浆料中加入水性丙烯酸乳液和水性醇酸树脂乳液，高速搅拌（1500～2000 r/min）30～45 min，然后加入pH调节剂调节体系pH 值在 7.5～8，低速（1000 r/min）搅拌 10～15 min ，出料，即得透明隔热防腐功能涂料。

图1 透明隔热防腐功能涂料制备工艺流程图Fig.1 Flow chart of the preparation of transparent thermal insulation and anticorrosive functional coating

1.3 透明水性丙烯酸隔热涂料的性能测试

1.3.1 隔热温差测试

清理一块玻璃板的表面，将涂料试样通过涂布器涂覆在玻璃表面上制备成110 mm×90 mm×80μm的涂膜（干膜厚度）（涂层干燥条件为：湿膜在自然条件下干燥3～5天后放入烘箱，在60℃下恒温干燥12 h，最后置于干燥箱内至少1周）。以空白玻璃板为参照样，在密闭室内环境中按隔热箱法[4-6]对涂层的隔热温差进行测试，评价涂膜的隔热效果。

1.3.2 透射率测试

以空白玻璃板为参照样，利用3101UV型紫外-可见光-近红外分光光度计，对涂膜在可见光下的透射率和近红外的吸收率进行测试，评价透明隔热防腐涂料的透光率和其在近红外区的隔热效果。

1.3.3 阻抗测试

涂层防腐性能的优劣主要取决于其对腐蚀粒子渗透的阻挡能力，经常采用电化学阻抗谱技术（EIS）来评价涂层的防腐蚀能力。分别将透明隔热防腐功能涂料和空白样（未添加ATO）喷涂在经表面处理的铝合金板表面，控制干膜厚度在80μm，采用电化学工作站（CS-310）进行涂层的电化学阻抗谱测试，测试体系为经典的三电极体系（参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为Pt电极，工作电极的工作面积为0.3 cm2），采用3.5%浓度（质量分数，60℃）的NaCl溶液作为电解质溶液，涂膜的浸泡时间为24 h，测试时，电化学阻抗频率范围为1.0×10-2～1.0×105Hz，测量信号为 10 mv的正弦波，实验数据采用ZSimpWin软件进行分析和拟合。

1.3.4 磷铬酸浸蚀法测失重

选取6063铝合金为基材，裁成8 cm×8 cm×3 cm的大小，清洗干净，将制备的涂料通过涂布器涂覆在其表面，铝合金型材在涂装前经化学钝化，涂层干膜厚为80μm。按磷铬酸浸蚀法测失重，评价涂层的防腐效果。

2 结果与讨论

2.1 隔热温差测试结果

图2 隔热温差测试结果Fig.2 Test results of temperature difference

ATO用量对透明隔热防腐功能涂料隔热性能的影响如图2所示。纳米氧化锡锑（ATO）粒子由于含有一定浓度的电子空穴，能够引起晶格中自由载流子的吸收，对分布于红外波段占45%左右的太阳能量起到良好的热阻隔作用[7-9]。由图2可知：透明隔热防腐功能涂料的隔热温差大小与涂料配方中ATO用量有关，随着ATO用量的增加，涂层的隔热温差呈先增大后下降的趋势，当ATO在配方中的质量份为0.6时，其所配制的透明隔热防腐功能涂料隔热温差达到最高值8℃。当纳米ATO的用量大于0.6 g，可能因为涂层中的纳米粒子易团聚而吸热，隔热效果反而变差。

2.2 透射率测试

太阳辐射的能量波长主要集中在200～2500 nm的范围内，其中，95%以上的能量分布在可见光区和红外光区（可见光区约占50%，红外光区约占43%）。对于透明隔热涂料，为保证涂料良好的透光性，涂膜在可见光的透射率要尽可能高。因此，涂膜在红外波段的阻隔率越高，说明涂膜的隔热效果越佳。不同ATO用量的透明隔热防腐功能涂料在可见与红外光区的透射率见表2。

表2 涂膜在可见光区和红外光区的光学性能Tab.2 The optical properties of the coatings in the visible and near infrared regions

由表2数据分析可知：①与未添加ATO的涂膜相比，添加了ATO隔热功能填料的涂膜在红外光区的阻隔率更高，在红外光区的透射率显著低于参照样，这说明ATO的加入可以有效增加涂膜的隔热效果；②涂膜在红外光区的阻隔率随着ATO用量的增加而增大，但是增幅不大；③添加了ATO的涂膜在红外光区的透射率远低于参照样涂膜，且涂膜在红外光区的透射率随着ATO用量的增加而有所降低，这归功于ATO纳米粒子在红外光区优良的吸收功能，有效阻隔了红外光区的能量辐射，增强了涂膜的隔热性能；④与参照样相比，添加了ATO隔热功能填料的透明隔热防腐涂膜在可见光区透射率稍微有所降低，但降低幅度不大，仍然保持了较好的透光率（＞76.0%），说明涂膜的透明性良好。

2.3 EIS图谱及分析

由上述涂膜的隔热温差和透射率测试结果分析可知，在透明隔热防腐功能涂料配方中，当ATO的质量份高于0.6时，不仅对提高涂膜隔热性能不利，同时也会降低涂膜的透光率；当ATO的质量份低于0.2时，涂膜的隔热效果不明显。基于上述分析，为进一步考查该透明隔热防腐功能涂料的防腐蚀性能，选取2，3，4号试样按1.4.3的方法进行电化学阻抗谱测试（空白样ATO的用量为0的涂层），结果如图3所示。

通过EIS测试结果及相关文献[10]分析，从图3（a）可知，试样涂层的交流阻抗谱主要由高频容抗弧和低频容抗弧组成，其中试样3和4的容抗弧较大，试样2与空白样容抗弧较小。由图3（c）可以明显看出，空白样和2号试样的阻抗谱特征与3、4号试样明显不同。实验数据采用ZSimpWin软件进行分析和拟合，试样涂层的等效电路见图4所示。

图4 阻抗拟合采用的等效电路图Fig.4 The equivalent circuits for the analysis of impedance spectra

其中，在图 4（a）中，Rs为溶液电阻，Cc为涂层电容，Rc为涂层电阻；在图 4（b）中，Rp为涂层电阻，Rs为溶液电阻，Rb为电化学反应电阻，CP为涂层电容，Cb为界面起泡处的双电层电容。涂层电阻能很好地反映涂层抗离子渗透能力，是评价涂料防腐性能的一个重要参数[11]，本文测试电极均在开路电位稳定的情况下进行交流阻抗测试。

由图3（b）可知，在10-0.5～105Hz较高频区范围内，试样涂层的阻抗模值几乎相等，在10-0.5～10-2Hz低频范围内4种试样涂层阻抗模值开始逐渐上升，其对应具体涂层电阻值及相关电化学参数如表3所示，空白试样涂层电阻最高达5.9×105Ω，试样2最高达9.4×105Ω，试样3最高达6.5×108Ω，试样4最高达8×108Ω。低频区阻抗不同则是由涂层电阻不同引起的，因此，膜层难以被侵蚀性离子浸透的致密性高低排列顺序为：试样4＞试样3＞试样2＞空白样，即，在透明隔热防腐功能涂料体系中，ATO的质量份增加，有利于涂膜耐腐蚀性能的提高。

表3 EIS涂膜试样阻抗参数测试结果Tab.3 The parameters of EIS for different samples（a）空白样和2号试样（a）Blanket and the second samples