氟丙导电防腐蚀涂料的研制
陈沛智, 丁晓峰 (湖北大学化学与材料科学学院, 武汉430062)
杨新建, 周金华, 刘宝华, 陈克连 (武汉博大科技集团博强新材料公司, 4300223)
0 引 言
导电涂料在20世纪70 年代问世, 至今已有30多年的历史, 广泛应用于电力地网、电力地面设施及大型油罐、油气管道等[ 1- 2] 。由于工业及其他人为的因素造成了对环境的污染, 使得以上设施对导电、防腐性能的要求越来越高。加上地下设施施工的困难,对防腐涂层的耐久性也提出了更高的要求。氟树脂涂料具有优异的耐候性、耐腐性、耐污性、耐热性、耐化学品性、斥水、斥油性, 成为人们关注的热点材料[ 3] , 将成为新型防腐涂料的主要组成[ 4] 。但是以含氟烯烃聚合的高分子材料与其他材料的相容性极差。因而使用时往往需要高温烘烤或者使用非常规溶剂使施工变得困难。丙烯酸共聚物树脂既具有含氟材料的优异表面性能, 又具备丙烯酸树脂聚合物优异的成膜性及对各种基材良好的附着力, 在很多方面得到应用[ 5 - 6 ] 。本文以一种含氟丙烯酸酯共聚物树脂(以下简称氟丙树脂)为成膜物质, 辅以几种导电填料组成复合导电涂料体系, 制备导电防腐蚀涂料。
1 实验部分
1. 1 原料
所用的原料如表1所示。
1. 2 氟丙树脂合成
制备含氟丙烯酸共聚物树脂的基本配方如表2。
合成方法: 在装有搅拌器及温度计、回流冷凝管的反应罐中, 加入氟单体及混合溶剂, 混合均匀, 将部分引发剂加入其中混合溶解均匀, 升温至88ºc , 将剩余的引发剂溶液滴加到反应罐中, 约120m in滴加完毕, 反应温度控制在( 85 士 2) ºC , 保温反应8 h, 中间可补加一些引发剂。测定黏度指数在指标范围内, 停止反应冷却、过滤出料。制得氟丙烯树脂液, 技术指标如下: 外观, 无色或微黄色透明粘稠液; 酸值, < 10mg KOH /g; 黏度[涂- 4杯, ( 25 士 1) ºC ], ( 45士 2) s。
1. 3 氟丙导电防腐涂料的制备
1. 3 氟丙导电防腐涂料的制备
基本配方如表3。
将导电银粉、导电镍粉、掺杂聚苯胺、导电炭黑、碳纳米管等固体原料加入到高速搅拌机内混合搅拌20m in待用。再将含氟丙烯酸树脂、溶剂及其他助剂加入搅拌釜中, 混合均匀。然后将固体原料混合物慢慢加入其中, 分散2 h, 转入三辊机研磨3 h, 即可得到涂料。氟丙导电防腐蚀涂料主要技术指标如下: 外观, 色泽均匀的黏稠液体; 固含量> 30%; 在( 25 士2) ºC , 相对湿度在40% ~ 70% 时, 涂层实干时间<168 h; 涂层体积电阻率< 5.5 x 10- 2 ( œ• cm) , 附着力, 1级。
2 结果与讨论
2. 1 氟丙树脂对涂料导电性能的影响
氟丙树脂是本涂料的成膜物质, 氟材料的耐久性及耐腐蚀性能已为人们所共识, 但作为防腐蚀导电涂料的成膜物质还应具备一定的浸润、附着、粘接各种导电填料的能力。作为树脂本身具有绝缘性, 而在干燥成膜时其收缩要能使导电填料粒子能够相互接触,只有保证这种接触才能使涂膜获得良好的导电性。我们比较了不同平均相对分子质量的树脂制成的导电防腐涂料。其导电填料量与涂料体积电阻率的关系如图1所示。
由图1可见, 导电填料用量相同的情况下, 不同相对分子质量树脂制成的涂料的体积电导率随相对分子质量的增加而减小。可见树脂相对分子质量是影响涂料导电性能的一个重要因素。树脂的相对分子质量增大, 其成膜时的收缩作用强, 而其对填料的浸润性又比相对分子质量小的树脂差。成膜后就能保证各填料粒子的有效接触, 从而获得较好的导电效果。但实践证明树脂的相对分子质量太大, 其溶解性能变差, 单位树脂能浸润分散的导电填料太少, 不能保证涂料的导电性能。为此我们在合成氟丙树脂时对其相对分子质量分布进行严格的控制。一般使其平均相对分子质量在70 000左右。
2. 2 导电填料与氟丙树脂的配比对涂料导电性能的影响
在制备防腐蚀导电涂料时, 导电填料与树脂的配比非常重要。原则上讲树脂用量加大有利于满足涂料的防腐性及附着力要求。但是受到导电性能的制约, 用量过大时成膜后导电填料粒子不能连续排列,涂料则不能导电, 但是过少则不能成膜。考察不同填料的体积浓度与制得涂料的体积电阻率关系见表4。
由表4可见随着导电填料用量的增加, 涂料的体积电阻率呈先降低而后又增加的趋势。可解释为在导电填料较少时, 随导电填料用量的增加使涂膜中连续排列的导电填料也增加, 涂料导电性能变好。但导电填料用量太大时, 涂料中相应的树脂用量变小, 不足以完全浸润填料。容易使填料成团分布, 涂料成膜后形成导电填料空洞, 以至于导电率下降。为此, 导电填料体积浓度控制在50% ~ 55% 之间。
2. 3 导电填料配方优化
2. 3 导电填料配方优化
导电填料一般都采用具有优良导电性能的金属粉末, 考虑到防腐的要求, 常常采用一些活泼性很差的重金属粉末为主。常用的导电金属铜粉耐腐蚀性能并不理想, 从性价比考虑, 采用了金属粉末及聚苯胺、纳米碳管组成的一个导电填料体系。聚苯胺是一种导电性能优良的高分子材料, 它的耐腐蚀性能十分优良。所选有的纳米碳管是自制的, 大幅度降低了成本, 但却有效提高了涂料的耐腐蚀性能。由于采用了多种导电材料就需要对配方进行优化, 表5列出了所用的导电填料配比与涂料体积电阻率的关系。
表5 导电填料配比与涂料体积电阻率的关系
由表5可知, 随着银粉用量的增加, 涂料体积电阻率大幅度下降, 导电性能增强, 但成本也大幅度提高。比较了3# 与4#配方发现, 在银粉用量降低的情况下略微增加聚苯胺及纳米碳管用量体系的导电性能不但不降低反而有所提高。因为聚苯胺属高分子材料, 它与树脂的相容性优于金属粉末, 其分散于树脂内有利于降低树脂的绝缘性。而纳米碳管有较大的长径比, 其很少的用量就会在涂料中形成导电网链, 有利于提高涂料的导电性能。因而提高聚苯胺及纳米碳管的用量有利于涂料导电性能, 但应考虑成本提高的因素控制在恰当的范围内。
2. 4 导电填料的组成对涂料防腐蚀性能的影响
为比较导电填料体系的耐腐蚀性能, 对不加聚苯胺及碳纳米管的及添加这两者的2个配方的防腐性能进行比较, 结果如表6所示。
表6 导电填料的组成对涂料防腐性能的影响
由表6可知, 在导电填料中加入聚苯胺及纳米碳管, 显著地提高了涂料的耐碱性及其耐腐蚀性能。
3 结 语
本导电防腐涂料研制中, 以含氟丙烯酸树脂为成膜物质, 在导电填料中除金属粉末外, 适当加入了掺杂聚苯胺及纳米碳管能有效的提高涂料的导电防腐性能, 通过对工艺及配方的优化, 能够制备出综合性能优良的新型导电防腐涂料产品。
