材料科学与工程毕业论文 纳米二氧化硅改性紫外光固化上光油涂料.docx

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材料科学与工程毕业论文纳米二氧化硅改性紫外光固化上光油涂料

纳米二氧化硅改性紫外光固化上光油涂料的研究

摘要

本论文根据紫外光固化上光油涂料在应用过程中存在的耐磨性差和不耐划伤等问题，通过把紫外光固化技术与纳米材料制备方法结合起来，以提高紫外光固化上光油涂料的耐磨性能为主要目的,用溶胶凝胶法制备纳米SiO2凝胶，通过硅烷偶联剂与SiO2表面羟基反应对其进行原位改性，再将改性纳米SiO2凝胶加入到光固化上光油体系中，制备了紫外光固化纳米复合上光油。

采用傅立叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）和涂膜性能试验等对纳米复合上光油的结构与性能进行了研究。

结果表明，改性后的纳米SiO2在上光油涂膜中分散良好；在引入改性纳米SiO2后，涂膜的耐磨性提高约50%，光泽度也有一定的提高。

关键词：

紫外光固化溶胶凝胶纳米复合

Nano-silicamodifiedUV-curableglazingoilcoatingresearch

ABSTRACT

Thispaper,accordingtouv-curableglazingoilcoatingapplicationprocessinexistenceinthewearresistanceofpoorandnotresistanttoscratch,uv-curingtechnologyandbycombiningnanometermaterialspreparationmethods,inordertoimprovetheuv-curableglazingoilcoatingforthemainpurpose,thewearresistanceofusingsol-gelprocess）,throughnanometerSiO2gelsilanecouplingagentandSiO2surfacehydroxylreactiononthein-situmodification,againwillbemodifiednanoSiO2geltojoinuv-curableglazingoilsystem,uv-curablenanopreparedpolishoil.TheFouriertransforminfraredspectroscopy（FTIR）,scanningelectronmicroscopy（SEM）andcoatingfilmperformancetestsonthenanoglazingthestructureandpropertiesofoilwerestudied.TheresultsshowthatthemodifiednanoSiO2inglazingoilfilmspreadamonggood;InintroducingamodifiednanoSiO2,filmabrasionresistanceincreasesbyabout50%,glossinessalsohaveimproved.

Keywords：

UV-CurableSol-GelNano

目录

纳米二氧化硅改性紫外光固化上光油涂料的研究I

摘要I

ABSTRACTII

目录III

1绪论1

1.1研究背景1

1.2紫外光固化技术以及紫外光固化涂料2

1．2.1发展简史2

1.2.2UVCC的特点2

1.2.3紫外光固化涂料的组分3

1.2.3紫外光固化机理3

1.3紫外光固化纳米复合材料4

1.3.1紫外光固化纳米复合涂层的制备方法4

1.3.2紫外光固化纳米复合涂层的制备研究现状5

1.4紫外光固化纳米复合涂层的结构和性能6

1.5纳米二氧化硅6

1.5.1纳米二氧化硅简介6

1.5.2纳米二氧化硅的性质7

1.5.3纳米二氧化硅的应用领域7

1.5.4纳米二氧化硅的生产方法9

1.6溶胶-凝胶法9

1.6.1溶胶-凝胶法9

1.6.2溶胶凝胶法基本原理9

1.6.2.1水解反应9

1.6.2.2聚合反应10

1.6.3溶胶－凝胶法工艺过程10

1.6.4应用11

1.7存在的问题12

1.8选题目的、意义以及研究现状12

1.9研究的基本思路与方法13

2实验14

2.1主要原料14

2.2仪器14

2.3用溶胶-凝胶法来制备改性纳米纳米二氧化硅14

2.4紫外光固化纳米复合上光油的制备14

2.5涂层固化15

2.6测试与表征15

2.6.1改性纳米SiO2粒子的红外光谱表征15

2.6.2涂膜形貌表征15

2.6.3涂膜性能测试15

3实验结果与讨论16

3.1机理分析16

3.2改性纳米SiO2凝胶的表征16

3.3纳米复合上光油配方的确定17

3.4纳米复合上光油的微观分析18

3.5纳米复合上光油的的涂膜性能测试18

4结论与展望20

4.1结论20

4.2应用前景20

5项目的申请以及待发表论文21

参考文献22

附录23

谢辞24

1绪论

紫外光固化涂料又称作UVCC，是上世纪60年代开发的一种环保节能涂料。

一般是利用紫外光作为能源，使特定配制的不含挥发性溶剂而由百分之百活性成分组成的液态涂料体系在常温下迅速固化成膜的技术。

紫外光固化涂料是一种新型涂料品种，与传统涂料相比具有经济、环境友好、节省能源、高生产效率的特点。

因此，在中国涂料产品的研发乘追求“三高一低”（即高装饰、高耐久、高功能和低污染）的大趋势下，紫外光固化涂料可革新涂装技术，减少大气污染，节约能源和资源，是有发展前途的新品种。

当然，光固化涂料也不可避免地存在一些缺点，UV固化技术存在的主要缺点是设备较贵;在金属基材上粘结力较差，易开裂;在形状复杂的物体上固化困难;原材料的价格较高;在固化有色涂层时固化深度受到限制。

在今后的几年中，函待发展的技术包括廉价原材料、无毒或毒性小的单体、高引发效率而低价格的光引发剂、低粘度的单体、齐聚体、优异耐候性的清漆涂层、与金属具有较强粘结力的配方体系等。

利用纳米微粒及层状纳米材料取代普通无机填料与聚合物基体复合，由于纳米材料的超微尺寸，表面良好的反应性，将其以适当的方式加入到聚合物材料中对基体树脂材料的微结构会产生较大影响，如果加工工艺和选材得当，可以在添加少量纳米材料的情况下大幅度提高材料的强度、韧性、硬度等力学性能。

现已有商品化的紫外光固化纳米复合涂料推向市场，有望用于汽车修补、电子产品、塑料制件、纸张等领域。

1.1研究背景

随着人们生活水平的提高，人们对环境保护的呼吁越来越强烈，传统的溶剂型涂料已经不能满足人们的要求。

因此，涂料向高固含量涂料、水性涂料、粉末涂料、辐射固化涂料的方向发展。

近年来，人们将紫外光固化技术与涂料结合，成功开发了紫外光固化涂料。

紫外光固化涂料具有高效率、低消耗的优点，并具有许多传统涂料无法比拟的优点，是一种环境友好型涂料。

紫外光固化还可以通过改变单体和低聚物来满足不同的要求。

近年来光固化涂料产量高速增长，其中光固化塑料涂料、光固化喷墨和油墨发展很快。

我国光固化产业自20世纪9O年代初实现规模生产以来，光固化产品产量一直保持两位数的年增长率，已发展成为继美国、日本之后，全球第三大辐射固化产品产地，其中以光固化涂料产量最大。

经过多年的努力，我国已经建立起紫外光固化涂料的原材料、产品和涂装设备的生产基地，产品质量不断提高，品种也不断增加，已能生产用于竹木地板、家具、塑料装饰板、塑料软管，纸制品上光、摩托车部件、家用电器、印铁制罐、光盘等的多种紫外光固化涂料。

到2000年，我国的紫外光固化产品（包括涂料和油墨）产量已经达到了10680t，产值超过了4亿元，改变了前几年主要依靠从国外和台湾地区进口的被动局面。

但还应看到紫外光固化涂料的一些不足之处，例如：

紫外光源问题，固化不完全；流变性和微观结构对涂料的附着力、表面光泽、施工难易、表面耐磨程度、物理稳定性以及固化膜质量的影响等问题。

这些问题的解决将依赖紫外光固化技术进步，也将是今后紫外光固化上光油涂料的研究热点和发展趋势。

1.2紫外光固化技术以及紫外光固化涂料

1．2.1发展简史

光固化材料是一种既古老又崭新的材料，早在4000多年前，古希腊人就发现在船体外涂上沥青油，在阳光下硬化可成为防水层。

光固化涂料正式投入工业应用是从20世纪60年代开始的，60年代是光化学基础研究盛期，通过光照产生激发态和自由基的理论已趋成熟。

与此同时，感光树脂在印刷制板和光致抗蚀剂方面已有可喜成果，例如重铬酸盐和有机高分子的感光制板技术，重氮化合物用于感光制板，Kedak公司合成抗蚀剂KPR的问世等。

在此背景下，德国（西德）Bayer公司对不饱和聚醋树脂与安息香醚体系的紫外光固化行为进行了研究，并于1968年推出了商品化产品，即所谓“芬斯吉达尔-UV-IO”商品，非常适用于木器表面涂装，带给世界涂料和木器涂饰界极大的震动，之后又有BASF公司加入这一系列的开发研究工作，我们称之为第一代光固化涂料。

在Bayer公司公布上述发明不久，1970年美国Sun化学公司、Immoni公司又公布了丙烯酸系光固化油墨。

接着，很快开发出了丙烯酸系列光固化涂料，在美国形成了光固化涂料的热潮。

仅1972年一年内就装配了16条大型流水线，线速度竟达120米/分，在涂料干燥史上创造了前所未有的高速度，引起了涂料界极大的关注。

被称为第二代光固化涂料。

我国在70年代初就开始了对紫外光固化涂料的研究开发，在上海、北京兴建了几条家具涂装生产线，但均因原材料缺乏而下马。

随着改革开放，特别是进入90年代后，邮电通讯、计算机和电子工业的发展，使紫外光固化得到了广泛的应用。

1.2.2UVCC的特点

UVCC是一种高效节能环保型现代化涂料，其具有许多传统涂料无法比拟的优点：

（1）节省能源，能量利用率高；

（2）固化速度快（O．1～10s），生产效率高；（3）可涂装对热敏感基材（木材、纸、纺织品、皮革）及热容量大的物质（厚金属板、混凝土）；（4）涂膜质量高，深层性能优异，具有良好耐摩擦、耐溶剂及耐玷污等性能；（5）无溶剂或只含有少量溶剂，挥发量小，安全无污染。

UVCC的这些优点注定了其具有比传统热固涂料广阔得多的市场前景。

预计，UVCC今后将是涂料工业的热点之一。

1.2.3紫外光固化涂料的组分

UV固化涂料由齐聚物、活性稀释剂、光引发剂和助剂四部分组成，一般配比为:

齐聚物30%一60%，活性稀释剂40%一60%，光引发剂1%一5%，其他助剂0.2%一1%。

齐聚物又叫光敏树脂，是成膜物质，对涂料的性能起决定性的影响。

从分子结构看，它们都是含有碳碳双键的低分子量物质，主要是不饱和树脂，如环氧丙烯酸酷、聚氨酯丙烯酸酯、聚醋丙烯酸酯。

活性稀释剂是一种功能性单体，它的作用是调节UV固化涂料的粘度，控制涂料固化交联密度，改善涂膜的物理机械性能，也参与了成膜。

活性稀释剂结构上也含有不饱和双键，如丙烯酸基、甲基丙烯酸基、乙烯基等。

丙烯酸基光固化速度最快。

根据每一分子中所含的双键数目，可分为单官能、双官能和多官能三类活性稀释剂。

使用活性稀释剂时，从稀释效果看，单官能>双官能>多官能;从光固化速度看，单官能<双官能<多官能，因此在实际应用中，多是用两组分或多组分配合。

光引发剂（光敏剂）是UV固化涂料的重要组分，其作用是吸收紫外光后引发化学反应，形成涂膜，光引发剂是决定UV固化涂料固化程