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雷达罩用新型抗静电防腐耐磨涂料的研制,以含氟二元醇树脂、六亚甲基二异氰酸酯缩二脲溶液为原料,中国机械网,okmao.com
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雷达罩用新型抗静电防腐耐磨涂料的研制,以含氟二元醇树脂、六亚甲基二异氰酸酯缩二脲溶液为原料
2019年08月27日    阅读量:575    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

1 引言

雷达罩是飞机、导弹、航天器等的重要组成部分,是导航和制导的重要部件,它一般由复合材料制成,为电绝缘体。飞机、导弹在飞行的过程中,雷达罩的外表面与空气等摩擦产生大量静电,严重干扰了无线电导航和通讯设备性能的发挥,因此需要采取防静电保护措施,抗静电涂料正是解决此类静电问题的重要功能性材料。


抗静电涂料是导电涂料的一个重要组成部分,抗静电涂料按照原料和制备方法的不同可分为本征型和掺杂型中国机械网okmao.com。本征型抗静电涂料是以导电聚合物为成膜物质,目前由于成本高、技术不成熟、工艺复杂等原因限制了其使用[1],掺杂型抗静电涂料是以绝缘的有机聚合物作为主要成膜物,均匀地掺入导电填料,利用导电填料的导电作用制成抗静电涂料[2],本研究正是通过向涂料中掺入纳米ATO(掺锑二氧化锡)导电粒子[3-4]实现了涂料的抗静电性能。


国内的抗静电涂料存在耐磨性、韧性、耐老化性差,易脱落等问题。针对这些问题,本研究以聚氨酯树脂为主要成膜物,引入—NCO 弹性基团,改善了抗静电涂料的韧性和附着性能;但聚氨酯树脂本身的耐候性、抗老化性能较差,为了克服该弊端,向聚氨酯树脂中引入了F 原子,由于F 原子具有最高的电负性和较小的原子半径,C—F 键具有高键能,当氟聚合物暴露在大气中时,阳光几乎对其没有任何影响[5],涂料的耐候性、抗老化性能得到极大提高。


同时含氟聚氨酯树脂具有优良的透波性能,可以确保雷达中无线电波的顺利传播。为了进一步提高涂料的防腐蚀(防雨蚀)、耐磨性能,向涂料中掺入聚四氟乙烯微粉的方法,利用聚四氟乙烯结晶度高、相对分子质量大、分子中没有支链、C—F 键能高和F 原子对主链起屏蔽作用等结构特点,提高涂料的防腐、耐水、耐磨、耐候等性能。从目前检索到的资料看,该研究工作未见报道。


2 试验部分

2.1 试验原料

2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇(分析纯),上海华壹生物科技有限公司;全氟辛酸(≥98%),张家港鲁本化工有限公司;双环己基酰亚胺(分析纯),上海索莱宝生物科技有限公司;六亚甲基二异氰酸酯(≥96%),南京东方之珠工贸有限公司;纳米ATO 导电粉(平均粒径20 ~ 50 nm,比表面积70 ~ 80 m2/g),杭州万景新材料股份有限公司;二氧化钛粉末(纳米级),上海江沪实业有限公司;聚四氟乙烯微粉(120 nm),上海丁鼐化工有限公司;超分散剂D-70(工业级)、流平剂BYK(工业级)和防尘助剂FCS-30(工业级),维波斯新材料(潍坊)有限公司;其它试剂均为市售分析纯。


2.2 防腐耐磨抗静电涂料的制备

2.2.1 含氟二元醇树脂的制备

向500 mL 三口瓶中,加入5.5 g 2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇(0.050 mol)、20.7 g 全氟辛酸(0.050 mol)和8.1 g 1-羟基苯并三唑(0.060 mol),然后加入300mL 四氢呋喃,冰浴冷却至0 ℃,然后加入11.4 g 双环己基酰亚胺(0.055 mol),让其自然升温至室温,反应24 h 后过滤除去沉淀,减压旋转蒸发除尽四氢呋喃,用乙酸乙酯溶解,稀盐酸洗去过量的2-甲基-2 氨基-1,3-丙二醇,用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液洗至中性,无水硫酸钠干燥,减压旋转蒸发除去部分乙酸乙酯,加入少量石油醚密封,冷冻结晶,制得含氟二元醇产品,产率为87%。按一定比例向另一三口瓶中加入环氧氯丙烷与制备的含氟二元醇,再加入一定量的丙酮,用0.5 h 滴加一定量的氢氧化钠溶液,80 ℃减压反应4 h 得含氟二元醇树脂。


2.2.2 六亚甲基二异氰酸酯缩二脲溶液的制备

按一定比例向三口瓶中加入六亚甲基二异氰酸酯,开动搅拌,升温至98 ℃,用5 h 滴加丁酮-水溶液,之后升温至135 ℃,保温4 h,抽样检测异氰酸酯基的含量为(16.5±0.3)%后,降温至80 ℃,真空蒸馏回收过量的六亚甲基二异氰酸酯,得黏稠的六亚甲基二异氰酸酯缩二脲产品,加入醋酸丁酯稀释成固体含量为75%的六亚甲基二异氰酸酯缩二脲溶液。


2.3 涂料制备工艺

涂料制备工艺见图1。

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2.4 性能检测

涂料的物理力学性能按照国家标准进行测试。采用722 型光栅分光光度计测定抗静电膜的透波率,测试光波波段为600 nm,空白的PET 薄膜的透过率为100%,每种测试采用3 组试样平行试验。采用ZC-46A 型高阻抗计测定涂层的体积电阻率,在100 mm× 120 mm 的玻璃钢片单面涂覆涂料,每种测试采用5 组试样在100 V 下做平行试验。


3 结果与讨论

3.1 基体树脂的选取

基体树脂是形成抗静电涂层的骨架和导电、耐磨填料的载体,基体树脂的正确选择,不仅决定涂层的抗静电性能,而且还影响涂层的装饰性、耐候性、黏结性能和力学性能。树脂表面张力的大小,直接影响导电、耐磨填料的润湿与分散,从而影响涂层的导电性能和防腐耐磨性能。


在常用的树脂中,聚氨酯树脂的表面张力相对较小,对导电填料的润湿分散性好,适宜作为该涂料的基体树脂,同时聚氨酯树脂中含有—NCO 弹性基团,能较好地改善涂层的韧性和附着性能。通过对柔性聚酯聚氨酯、芳香族弹性聚氨酯和脂肪族弹性聚氨酯3 类树脂的考察发现,脂肪族弹性聚氨酯树脂的性能最好,颜色较浅、透明,韧性好,耐候性和抗老化性也稍好于其它2 类。


因此决定选用脂肪族弹性聚氨酯为主要成膜物。本研究以含氟二元醇树脂为A 组分,采用脂肪族六亚甲基二异氰酸酯缩二脲溶液为固化剂,制得了含氟聚氨酯树脂。


3.2 导电填料对涂层电性能的影响

抗静电涂料的抗静电作用是通过掺入导电填料实现的,所以导电填料ATO 含量(质量分数,下同)决定了该涂料的导电性。ATO 含量对涂层体积电阻的影响见图2。

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由图2 可知,随着ATO 含量的增大,涂料体积电阻率降低,涂料的抗静电性能不断提高。当ATO 粒子含量达到10%左右时,曲线突然急剧下降,导电性迅速提高,这是因为当ATO 含量较低时,ATO 粒子之间的接触或接近已形成导电通道的机会较小,此时基体树脂含量高,黏滞力大,也不利于导电粒子的运动,涂层的体积电阻率较高;当ATO 粒子的含量达到某一临界值时,涂料中才形成空间网络即导电通道,从而使得涂料的导电性迅速提高;当ATO 粒子的含量达到30%时,涂料的导电性变化几乎趋于平缓,进一步增加ATO 的含量,对于涂料体积电阻率的改善没有很大帮助。因此,确定ATO 粒子的最佳加入量为30%。


3.3 分散剂对涂层电性能的影响

掺杂型抗静电涂料是将导电填料直接分散于基体树脂中掺和而成的,由于基体树脂为有机聚合物,而导电填料为无机粒子,这种结构性差异使得基体树脂和导电填料间的分散性不良,难以形成均相体系,从而影响其导电性能。因此,为了改善涂料的性能,常需要加入分散剂。分散剂的加入量对涂层体积电阻率的影响见图3。

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由图3 可知,涂层体积电阻率随分散剂D-70 加入量的增加先明显下降后又升高。当分散剂的加入量达到0.8% ~ 1.0%时,涂层的体积电阻率相对较小且较稳定,因此确定分散剂的加入量为0.8%~ 1.0%。


3.4 聚四氟乙烯微粉的加入量对涂层性能的影响

抗静电涂料一般要求涂层具有防腐蚀(防雨蚀)、耐磨、耐候、耐老化和耐高温等性能,为了提高涂层的这些性能,采用向涂料中添加聚四氟乙烯微粉的方法,利用聚四氟乙烯具有乙烯结晶度高、相对分子质量大、分子中没有支链、C—F 键能高和F 原子对主链起屏蔽作用等结构特点,提高涂料的防腐、耐水、耐磨、耐候、耐高温等性能。聚四氟乙烯微粉加入量对涂料性能的影响见表1。

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由表1 可知,随着聚四氟乙烯微粉用量的增加,涂层的耐磨性、防腐性、耐水性、耐高温性能均逐渐提高;但是随着聚四氟乙烯微粉加入量的增多,涂料的黏度会迅速提高,导致流动性变差。综合涂料性能和经济效益,确定聚四氟乙烯微粉的加入量以45% ~ 50%为宜。


3.5 涂层的物理力学性能

涂层的物理力学性能见表2。

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4 结语

以含氟二元醇树脂、六亚甲基二异氰酸酯缩二脲溶液为原料,二月桂酸二丁基锡为催化剂制备了含氟聚氨酯树脂,并以其为基本成膜物,并掺入耐高温填料二氧化钛、导电填料纳米ATO、聚四氟乙烯微粉,同时加入分散剂等助剂制备了雷达罩用新型抗静电防腐耐磨涂料。该涂料不仅具有优良的抗静电性、弹性及良好的附着力,同时还具有很好的耐腐蚀性、耐老化性和耐磨性,是一类新型的多功能涂料。


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