凹土水性聚氨酯防腐蚀自修复涂料的制备及性能研究
金属的防腐蚀保护关系着国民经济的各个领域。本课题利用凹土的一维纳米材料特性和其阳离子交换性能，以水性聚氨酯为基质，添加铈离子（Ce(NO3)3）改性的凹土为补强剂和缓蚀剂，研制了环保、高效的凹土/水性聚氨酯防腐蚀自修复涂料。实验通过扫描电镜表征证实了经过改性后，凹土在聚氨酯涂层中的分散性能显著改善；通过对材料表面进行水接触角的测量表征证实水性聚氨酯涂料经凹土改性的疏水性有显著变化；极化曲线表征了改性后的水性聚氨酯涂料的耐蚀性能提高；最后将不同浓度改性的金属片放入0.5mol/L的NaCl溶液中浸泡，通过不同时间的腐蚀程度进行腐蚀性能的对比发现，涂有改性聚氨酯涂料的金属样品腐蚀程度明显降低。本实验证明了凹土改性水性聚氨酯在金属防腐蚀保护上是可行的，并能够在一定程度上提高聚氨酯涂层对金属防腐蚀的性能。关键词 聚氨酯，凹土，防腐蚀，改性
目 录
1 引言 1
1.1金属腐蚀及其保护的背景 1
1.2腐蚀保护方法 1
1.3黏土改性水性聚氨酯复合防腐蚀涂料 5
1.4本课题研究的内容和意义 6
2 实验部分 7
2.1原料及试剂 7
2.2仪器和设备 7
2.3实验方案 8
2.4实验步骤 8
2.5分析与检测 9
3 结果与讨论 10
3.1材料表征 10
3.2腐蚀性能 10
结论 15
致谢 16
参考文献 17 1 引言
1．1 金属腐蚀及其保护的背景
由于金属的各种优异的机械及工艺性能，所以在各行各业占有重要位置，但金属的侵蚀也带来了很大的损失，各国每年因金属腐蚀导致的各种损失约10000亿美元，约占全年金属总产值的10％[1]。因而，研制金属的防腐蚀措施，缩小其导致的损失，这于建设资源节约型社会来说有着重要的意义。避免金属腐蚀的办法很多，如使用金属防护层、金属选材、阴极保护、采用缓蚀剂及采用防腐涂料等。在所有的防腐方法中，防腐蚀涂料是使用最普遍、最经济、最简捷的一种办法，这主要是因为使用涂料防腐蚀具备许多好处，适用性广、如施工便利、涂层的保护和重涂容易、成本低等。在现如今 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的防腐蚀涂料中，水性聚氨酯防腐涂料是最通用的涂料种类。防腐蚀水性聚氨酯具备突出的耐油、耐磨、耐盐水、抗冲击、抗应变等性质，具有良好的研究前景[2]。
1．2 腐蚀保护方法
1.2.1 防腐蚀原理
（1）屏蔽作用
屏蔽作用是防腐蚀的物理原理，就是底层金属被防腐蚀的涂层与外界的侵蚀介质隔离。之所以能够隔离腐蚀性物质对底层材料的侵害，是因为中间利用了成膜剂形成的致密的防腐涂层。腐蚀介质被涂膜隔离了，从而不会与底层材料的表面直接接触，使腐蚀电路断开，从而增大了电阻，例如含铅的涂料和油料反应后就能生成铅皂，来保障防腐涂层的致密性[3]。
（2）缓蚀作用
缓蚀作用是防腐的化学原理，就是将腐蚀性介质中酸碱物质中和为无害的中性物质，来保护涂层内底层金属材料，免得它们会受到腐蚀性物质的侵害。某些物质与成膜物或水分的生成产物，可对底材金属起缓蚀作用，例如利用氢氧化铝、氢氧化钡和氧化锌等物质与酸碱等物质发生化学作用而生成的产物，能够附着在金属表面，起到防腐的目的[4]。（ 如下图所示）
（3）电化学作用
在防腐蚀涂料中添加能使涂料与水和氧气产生化学反应的特殊的物质，这样的话，金属表面会因为反应生成的防腐离子而形成表面钝化，从而使金属离子不易溢出，达到防腐的目的，这就是电化学作用[5]。
1.2.2 水性聚氨酯防腐涂层
水性聚氨酯涂料中，最常用的是丙烯酸酯树脂水性聚氨酯。聚氨酯树脂良好的韧性及弹性, 搭配丙烯酸酯优异的保色性、光稳定性、硬度、低成本，使水性聚氨酯得到普遍的应用。水性聚氨酯发展到现在，已经由最初的物理混合改性发展为现在的“原位聚合法”（化学法）[6]，即让丙烯酸酯在它完全扩散到水中前，先作为合成原料参与反应，之后再作为反应物进行聚合，这样能够更好地增强改性材料的防腐蚀性能[7]。
（1）水性聚氨酯的种类
A、单组分水性聚氨酯防腐涂料
单组分水性聚氨酯涂料是使用最早的水性聚氨酯涂料，其最大长处是以水为分散介质，作为涂料时不添加液体有机物质，在成膜过程中仅有水分挥发到环境中，合乎环保的要求，且施工不复杂[8]。单组分水性聚氨酯具有很高的断裂伸长率以及适当的强度，并能在常温中干燥。国内外现在主要使用的还是单组分水性聚氨酯涂料，但当它和双组分的水性聚氨酯涂料相比较，其耐水性、力学性能、耐化学品性及耐溶剂性等都差强人意[9]。所以通常单组分水性涂料的涂膜需要被后续处理，以提高涂膜的交联度。所以，在防腐蚀领域，单组分水性聚氨酯蚀涂料的运用会有一定的限度。
B、双组分水性聚氨酯防腐涂料
双组分水性聚氨酯涂料是一种对环境不构成破坏型的涂料，它主要原料是含羟基的水性多元醇和含异氰酸酯基的固化剂[10]。因为双组分水性聚氨酯涂料的介质主要是水，并将双组分溶剂型涂料的高性能和水性涂料的低VOC含量联合起来，因此，近年来水性双组分聚氨酯涂料的研发变得非常受欢迎[11]。
在水性双组分聚氨酯涂料中, 水是过量的, 其反应以异氰酸根与经基的反应为主。主要是因为水的蒸发速度大于异氛醋根与经基、水等的反应速度[12]。可以用水使多异氰酸酯与羟基官能团扩散到聚氨漆中，最终漆膜的功能受到交联固化剂的种类和用量很大的影响。双组分水性聚氨酯的是由于聚氨酯分散体上的活性氢和各种不同的交固化剂反应，这是水性和溶剂型聚氨酯不同的交联机理。要想双组分水性聚氨酯最终的性能最好，就要让这种交联固化更大化，使反应更充分、更彻底并且要让交联固化剂的量确定[13]。在水性双组分聚醋涂料中, 要在聚氨酯构成物中加入过量的水，才能形成涂膜。
（2）水性聚氨酯防腐涂料的制备工艺
A、水性聚氨酯制备原料
聚氨酯是由多元醇（包括二元醇）和多异氰酸酯[14]（包括二异氰酸酯）为两大主要原料反应所制备的。有机多异氰酸酯以及低聚物多元醇（如聚酯、聚醚等），通常两大主要原料通常占聚氨酯制品（不包括溶剂）重量的 80%以上。其他的称为助剂，助剂的用量虽然少，但是对聚氨酯材料的结构和性能起着关键性的作用。常见的助剂[15]包括扩链剂、催化剂、交联剂、耐久性助剂（光稳定剂、抗氧剂、水解稳定剂、杀菌防霉剂）等，不同的助剂添加实现其特殊功能。
目 录
1 引言 1
1.1金属腐蚀及其保护的背景 1
1.2腐蚀保护方法 1
1.3黏土改性水性聚氨酯复合防腐蚀涂料 5
1.4本课题研究的内容和意义 6
2 实验部分 7
2.1原料及试剂 7
2.2仪器和设备 7
2.3实验方案 8
2.4实验步骤 8
2.5分析与检测 9
3 结果与讨论 10
3.1材料表征 10
3.2腐蚀性能 10
结论 15
致谢 16
参考文献 17 1 引言
1．1 金属腐蚀及其保护的背景
由于金属的各种优异的机械及工艺性能，所以在各行各业占有重要位置，但金属的侵蚀也带来了很大的损失，各国每年因金属腐蚀导致的各种损失约10000亿美元，约占全年金属总产值的10％[1]。因而，研制金属的防腐蚀措施，缩小其导致的损失，这于建设资源节约型社会来说有着重要的意义。避免金属腐蚀的办法很多，如使用金属防护层、金属选材、阴极保护、采用缓蚀剂及采用防腐涂料等。在所有的防腐方法中，防腐蚀涂料是使用最普遍、最经济、最简捷的一种办法，这主要是因为使用涂料防腐蚀具备许多好处，适用性广、如施工便利、涂层的保护和重涂容易、成本低等。在现如今 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的防腐蚀涂料中，水性聚氨酯防腐涂料是最通用的涂料种类。防腐蚀水性聚氨酯具备突出的耐油、耐磨、耐盐水、抗冲击、抗应变等性质，具有良好的研究前景[2]。
1．2 腐蚀保护方法
1.2.1 防腐蚀原理
（1）屏蔽作用
屏蔽作用是防腐蚀的物理原理，就是底层金属被防腐蚀的涂层与外界的侵蚀介质隔离。之所以能够隔离腐蚀性物质对底层材料的侵害，是因为中间利用了成膜剂形成的致密的防腐涂层。腐蚀介质被涂膜隔离了，从而不会与底层材料的表面直接接触，使腐蚀电路断开，从而增大了电阻，例如含铅的涂料和油料反应后就能生成铅皂，来保障防腐涂层的致密性[3]。
（2）缓蚀作用
缓蚀作用是防腐的化学原理，就是将腐蚀性介质中酸碱物质中和为无害的中性物质，来保护涂层内底层金属材料，免得它们会受到腐蚀性物质的侵害。某些物质与成膜物或水分的生成产物，可对底材金属起缓蚀作用，例如利用氢氧化铝、氢氧化钡和氧化锌等物质与酸碱等物质发生化学作用而生成的产物，能够附着在金属表面，起到防腐的目的[4]。（ 如下图所示）
（3）电化学作用
在防腐蚀涂料中添加能使涂料与水和氧气产生化学反应的特殊的物质，这样的话，金属表面会因为反应生成的防腐离子而形成表面钝化，从而使金属离子不易溢出，达到防腐的目的，这就是电化学作用[5]。
1.2.2 水性聚氨酯防腐涂层
水性聚氨酯涂料中，最常用的是丙烯酸酯树脂水性聚氨酯。聚氨酯树脂良好的韧性及弹性, 搭配丙烯酸酯优异的保色性、光稳定性、硬度、低成本，使水性聚氨酯得到普遍的应用。水性聚氨酯发展到现在，已经由最初的物理混合改性发展为现在的“原位聚合法”（化学法）[6]，即让丙烯酸酯在它完全扩散到水中前，先作为合成原料参与反应，之后再作为反应物进行聚合，这样能够更好地增强改性材料的防腐蚀性能[7]。
（1）水性聚氨酯的种类
A、单组分水性聚氨酯防腐涂料
单组分水性聚氨酯涂料是使用最早的水性聚氨酯涂料，其最大长处是以水为分散介质，作为涂料时不添加液体有机物质，在成膜过程中仅有水分挥发到环境中，合乎环保的要求，且施工不复杂[8]。单组分水性聚氨酯具有很高的断裂伸长率以及适当的强度，并能在常温中干燥。国内外现在主要使用的还是单组分水性聚氨酯涂料，但当它和双组分的水性聚氨酯涂料相比较，其耐水性、力学性能、耐化学品性及耐溶剂性等都差强人意[9]。所以通常单组分水性涂料的涂膜需要被后续处理，以提高涂膜的交联度。所以，在防腐蚀领域，单组分水性聚氨酯蚀涂料的运用会有一定的限度。
B、双组分水性聚氨酯防腐涂料
双组分水性聚氨酯涂料是一种对环境不构成破坏型的涂料，它主要原料是含羟基的水性多元醇和含异氰酸酯基的固化剂[10]。因为双组分水性聚氨酯涂料的介质主要是水，并将双组分溶剂型涂料的高性能和水性涂料的低VOC含量联合起来，因此，近年来水性双组分聚氨酯涂料的研发变得非常受欢迎[11]。
在水性双组分聚氨酯涂料中, 水是过量的, 其反应以异氰酸根与经基的反应为主。主要是因为水的蒸发速度大于异氛醋根与经基、水等的反应速度[12]。可以用水使多异氰酸酯与羟基官能团扩散到聚氨漆中，最终漆膜的功能受到交联固化剂的种类和用量很大的影响。双组分水性聚氨酯的是由于聚氨酯分散体上的活性氢和各种不同的交固化剂反应，这是水性和溶剂型聚氨酯不同的交联机理。要想双组分水性聚氨酯最终的性能最好，就要让这种交联固化更大化，使反应更充分、更彻底并且要让交联固化剂的量确定[13]。在水性双组分聚醋涂料中, 要在聚氨酯构成物中加入过量的水，才能形成涂膜。
（2）水性聚氨酯防腐涂料的制备工艺
A、水性聚氨酯制备原料
聚氨酯是由多元醇（包括二元醇）和多异氰酸酯[14]（包括二异氰酸酯）为两大主要原料反应所制备的。有机多异氰酸酯以及低聚物多元醇（如聚酯、聚醚等），通常两大主要原料通常占聚氨酯制品（不包括溶剂）重量的 80%以上。其他的称为助剂，助剂的用量虽然少，但是对聚氨酯材料的结构和性能起着关键性的作用。常见的助剂[15]包括扩链剂、催化剂、交联剂、耐久性助剂（光稳定剂、抗氧剂、水解稳定剂、杀菌防霉剂）等，不同的助剂添加实现其特殊功能。
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