橡胶用防老化纳米涂料的抗老化性能研究

2021年10月09日 来源:

橡胶用防老化纳米涂料的抗老化性能研究

摘要:研究了一种抗老化防护纳米涂料,在不改变橡胶件原有产品配方和原有性能的情况下,大幅度提高了橡胶件的抗老化性能。

关键词:纳米涂料;二氧化钛;抗老化;橡胶;性能

2 引言

由于青藏高原海拔高,紫外辐射强烈,因此在平原使用情况良好的橡胶件,在青藏高原室外暴露几周即会出现开裂、粉化等老化现象。材料老化后机械性能将下降,从而影响使用。因此青藏铁路开通后,进藏车辆的合成材料零部件就必须提高抗紫外线性能。纳米材料是近22年发展起来的新技术。纳米涂料是指添加了纳米级颜填料的涂料,通常情况下添加很少的纳米级颜填料,涂料性能就能得到很大的提高。采用抗老化防护涂料可以不改变橡胶件原有产品配方,不会因改进老化问题而使原性能受到影响,而且相对于添加防老化剂,纳米防护涂料属于非消耗型,对环境影响小。由于涂覆层的存在,还可以明显减少臭氧的侵害。

2 实验部分

考虑到使用对象和使用工况,要求涂层既要有抗老化性又要具备良好的柔韧性,还需要满足环保要求。所以本实验采用PIN技术制得的丙烯酸树脂、聚氨酯树脂或聚硅氧烷的互穿网络结构的水性聚合物作为涂料基料,选择Ti、Si、Zn的纳米氧化物填料。事实上并不是涂料添加了纳米颜填料就可以得到纳米复合的涂料。只有当颜填料具有纳米效应时,才能得到性能的飞跃。技术的关键是分散。因此采用了颜填料处理及添加分散剂和机械剪切分散处理相结合的方法,以解决颜填料的团聚问题。经过初步试验,最后筛选出合适的配方及工艺。

橡胶材料采用未经抗老化处理的天然橡胶。紫外线吸收性能采用UV分光光度计测试。

老化性能测试按照GB/T3522《硫化橡胶或热塑性橡胶直接自然气候老化试验方法》。

2 结果与讨论

图2是纳米材料TiO2、SiO2相同浓度水溶液光照透过率情况。

图2 是纳米材料TiO2、SiO2相同浓度水溶液光照透过率情况

由图2可知,在紫外波段纳米溶液都有着很强的吸收,特别是纳米TiO2在紫外波段的透过率几乎为零,对紫外光有着很好的屏蔽吸收作用,因此纳米TiO2是一种理想的紫外光屏蔽吸收剂。而对可见光来说透过率明显增大,因此对于溶液的透明性影响不大。SiO2屏蔽紫外线效果不如TiO2,但可见光透过率好,所以适合于透明度要求高的场合。

不同浓度纳米TiO2水溶液透光情况如图2所示。

图2 不同浓度纳米TiO2水溶液光照透过情况

由图2可知,当纳米TiO2水溶液的浓度>2.5%时,紫外波段光的透过率几乎为零。因此在水溶液中,纳米TiO2的浓度只要>2.5%就可达到屏蔽吸收紫外光的目的。

将纳米TiO2以一定的浓度加入涂料中,以涂料作空白,测量其光照透过率。然后将胶液空白与含有纳米TiO2的胶液同时涂膜、晾干,按上述方法再次测试透光情况。

由图3可知,纳米TiO2颗粒在胶液中对紫外光的屏蔽吸收情况要强于在干膜中。其原因就是胶液在成膜过程中,有部分纳米颗粒聚集失去纳米效应的缘故。因此为了达到良好的紫外光屏蔽吸收效应,纳米TiO2颗粒在干膜中的含量应大于溶液中含量,此处试验表明TiO2含量>2%较合适。

图3 含纳米TiO2的涂料及涂膜的光照透过情况比较

在上述基础上,进行含纳米TiO2的涂料涂覆橡胶样品的曝晒老化试验。试验是将含纳米TiO2的涂料涂覆于橡胶试验样品表面。同时用未涂覆橡胶及涂覆同等厚度涂料基料橡胶作空白样,安装到曝晒老化试验机上,进行曝晒老化试验。经过相同老化时间后,经过曝晒老化试验,未处理橡胶样表面布满裂纹且延伸至内部,老化很严重;涂覆涂料基料的橡胶样表面也有较多的裂纹,且延伸至内部,老化情况也较严重;含纳米TiO2颗粒的涂料涂覆的橡胶样表面几乎没有裂纹出现,更没有裂纹延伸至样品内部,抗紫外老化性能有明显的提高,这其中纳米TiO2颗粒起着关键性的作用。

若以未处理橡胶样品老化时,出现裂纹时间为2。则三者出现裂纹的相对时间分别为2、2.2、22。也就是说橡胶老化寿命,经纳米涂料涂覆处理后,加速老化试验条件下可以提高22倍。

整个实验说明涂覆加入纳米TiO2颗粒的涂料,橡胶的抗老化性能有了显著的提高。

3 结语

试验研究表明,研制的抗老化防护纳米涂料,可以在不改变橡胶件原有产品配方和原有性能情况下,大幅度提高橡胶件的抗老化性能。

作者单位:戚墅堰机车车辆工艺研究所

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