基于改性硅酸鋁纖維增強(qiáng)的油田儲(chǔ)罐保溫涂料的制備與性能研究

易飛,周曉林,成保拓

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200030; 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,上海 200941; 3.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

0 引言

保溫涂料是利用多孔材料的熱阻隔作用阻止內(nèi)部熱量向外傳遞以達(dá)到保溫效果的一種涂料,因其保溫效果優(yōu)異、施工方便、維護(hù)簡(jiǎn)單,在油田領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1].油田上需要保溫設(shè)備主要為輸油管道和儲(chǔ)油罐,良好的保溫措施能夠保證提高原油的開采與加工效率,節(jié)約能源,提高油田的經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。

輸油管道因體積小,易于加工,往往在進(jìn)行保溫處理后再安裝,因而更多的采用巖棉、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯發(fā)泡材料等型材類保溫層[4-5],但這對(duì)于體積5 000 m3以上的大型儲(chǔ)罐來說是難以實(shí)施的[6-7]。型材類保溫材料在表面積巨大的罐體上需要進(jìn)行拼裝并用鋼帶固定,施工難度大,且不可避免地產(chǎn)生拼接縫,影響儲(chǔ)罐的美觀;傳統(tǒng)的保溫材料疏松多孔,吸水性較強(qiáng),容易對(duì)罐體造成腐蝕[8]。鑒于傳統(tǒng)保溫材料存在的以上各種問題,科研工作者開始致力于油田儲(chǔ)罐保溫涂料的研發(fā)。朱建[9]等對(duì)華北油田第一采油廠500 m3的儲(chǔ)油罐噴涂恩維爾特CC-100復(fù)合型絕熱涂料,使用涂層后油罐外表面平均降溫11.1 ℃,降低了26%,保溫效果優(yōu)異。祝玉松[10]等在新疆彩南油田開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)2座5 000 m3的大型儲(chǔ)油罐罐頂施以無機(jī)水性納米保溫隔熱涂料,2罐罐頂散熱由109 227.7 W下降到63 018.2 W,降低了42.3%,每年可為油田節(jié)約4.1萬元的燃料費(fèi)用,減少CO2的排放量約295.79 t。王軍防[9]基于湍流模型,考慮了原油的流變特性、太陽輻射等對(duì)儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)的影響,建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)浮頂式原油儲(chǔ)罐保溫涂料的保溫效果及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析,研究表明,在罐頂涂刷2.3 mm厚度的保溫涂料后溫降速率可減少50%,節(jié)約燃料成本約138.3萬元?？梢姳赝苛显趦?chǔ)罐上的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)薄層保溫的效果,為油田節(jié)省大量的運(yùn)行成本。

保溫涂料以多孔粉料和無機(jī)增強(qiáng)纖維為主要填料(多孔粉料具有低導(dǎo)熱系數(shù),用于阻隔熱量的傳遞;增強(qiáng)纖維可以抵消涂層內(nèi)部的部分內(nèi)應(yīng)力,增強(qiáng)涂層的力學(xué)性能),以水性有機(jī)乳液為成膜物質(zhì),輔以涂料助劑制備而成,具有保溫效果好、無揮發(fā)性有毒物質(zhì)、固化時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。但此配方的保溫隔熱涂料在現(xiàn)場(chǎng)施工的過程中涂層發(fā)生開裂,主要原因是為加快涂層的固化速度、縮短固化時(shí)間,向儲(chǔ)罐中通入高溫蒸汽以提高罐體表面溫度,因蒸汽的流動(dòng)性使罐壁或罐頂溫度不均勻,導(dǎo)致不同罐體表面區(qū)域的涂料溶劑組分揮發(fā)速度不一致,產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力,表面光滑的無機(jī)纖維難以維持涂層的力學(xué)性能致使涂層產(chǎn)生龜裂[14-16]。涂層龜裂后保溫能力急劇下降,并且容易被水汽侵入進(jìn)而腐蝕罐壁[17-18]。目前針對(duì)這一問題的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道還未檢索到。

針對(duì)以上問題,本研究以表面改性的硅酸鋁纖維作為保溫涂料的增強(qiáng)材料,通過紅外光譜儀和掃描電鏡表征改性后纖維的表面官能團(tuán)及纖維表面形貌,通過熱常數(shù)分析儀、拉力測(cè)試等表征手段,探究不同的纖維改性方法及纖維含量對(duì)保溫隔熱涂層導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱能力、粘結(jié)強(qiáng)度等性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

試劑:水性丙烯酸酯乳液;二氧化硅氣凝膠(SA);空心玻璃微珠(HGB);分散劑(DISPERSANT 8420);消泡劑(DT-650);硅酸鋁纖維(AF);乙醇(99%);氫氧化鈉(99%);3-氨丙基三乙氧基硅烷(99%)。

儀器:DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海中友儀器設(shè)備有限公司;TPS2500SHot-disk熱常數(shù)分析儀,瑞典HotDisk公司;E44.104電子萬能試驗(yàn)機(jī),美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司;Nicolet6700紅外光譜儀,美國賽默飛世爾;S-4800掃描電子顯微鏡,日本日立公司。

1.2 硅酸鋁纖維的改性

堿刻蝕改性:將AF在0.1 mol/L的HCl溶液中浸泡6 h進(jìn)行預(yù)處理,以去除纖維表面雜質(zhì),將預(yù)處理的AF浸在1 mol/L的NaOH溶液中,置于80 ℃下處理12 h得到堿刻蝕改性的AF;硅烷偶聯(lián)劑接枝改性:將蒸餾水、3-氨丙基三乙氧基硅烷、乙醇按體積比80∶1∶10進(jìn)行混合,攪拌均勻后制的KH550硅烷偶聯(lián)劑改性溶液,將預(yù)處理后的AF浸在其中,置于80 ℃下處理12 h得到接枝改性的AF;協(xié)同改性:按上述方法將預(yù)處理后的AF先進(jìn)行堿刻蝕改性,再進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑的接枝改性得到協(xié)同改性的AF。根據(jù)不同的改性方法,對(duì)改性后的AF進(jìn)行命名,如表1所示。

表1 改性AF的命名

1.3 保溫涂料的制備

首先將蒸餾水、二氧化硅氣凝膠、分散劑按質(zhì)量比60∶40∶1進(jìn)行混合、研磨制得固含量為40%的氣凝膠膏,將水性乳液、蒸餾水、分散劑按質(zhì)量比90∶10∶1進(jìn)行混合、攪拌制得預(yù)乳液,接下來將計(jì)量得二氧化硅氣凝膠膏和預(yù)乳液混合后經(jīng)過高速攪拌,制得粘稠漿料;向粘稠漿料中加入計(jì)量的AF,并將漿料的細(xì)度研磨至30 μm以下,再加入計(jì)量的空心玻璃微珠后低速攪拌至體系均勻,制得改性纖維增強(qiáng)的保溫隔熱涂料,此工藝流程制備的涂料體系穩(wěn)定,填料分布均勻[19-20]。

1.4 測(cè)試與表征

使用SEM及紅外光譜儀對(duì)AF的表面形貌及官能團(tuán)種類進(jìn)行表征,將AF增強(qiáng)的涂料涂敷于玻璃板上,在其干燥固化的過程中目測(cè)觀察涂層表面的開裂情況,使用SEM對(duì)涂層的斷面形貌進(jìn)行觀察,使用Hot-Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)涂層的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,對(duì)涂層的其他性能按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

涂層的拉伸強(qiáng)度測(cè)試:參照標(biāo)準(zhǔn)HG/T 4567—2013《建筑用彈性中涂漆》的規(guī)定進(jìn)行。

涂層的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試:參照標(biāo)準(zhǔn)HG/T 4567—2013《建筑用彈性中涂漆》的規(guī)定進(jìn)行。

涂層的耐水性測(cè)試:參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1733—1993《漆膜耐水測(cè)定法》甲法進(jìn)行。

涂層的耐堿性測(cè)試:參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9265—2009《建筑涂料—涂層耐堿性的測(cè)定》測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性纖維的紅外光譜分析

為了探究不同改性方法對(duì)纖維的影響,選取U-AF,A-AF、G-AF、A/G-AF 4種纖維進(jìn)行紅外光譜測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 U-AF、A-AF、G-AF、A/G-AF的紅外光譜圖

從圖中可以看出4種纖維分別在3 390.32 cm-1、3 473.25 cm-1、3 469.36 cm-1、3 454.46 cm-1出現(xiàn)吸收峰,均為-OH吸收峰,但是經(jīng)過改性處理的纖維羥基峰的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未經(jīng)處理的纖維,說明堿刻蝕改性、接枝改性、協(xié)同改性均為纖維表面引入了大量的羥基官能團(tuán),從而有效提高纖維表面的活性,且堿刻蝕改性對(duì)增加羥基的作用更加顯著。推測(cè)未處理的纖維出現(xiàn)羥基的原因可能是測(cè)試環(huán)境中的濕度較大,空氣中的水蒸氣附著在纖維表面。4種纖維分別在1 398.64 cm-1、1 402.52 cm-1、1 402.52 cm-1、1 404.48 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收峰,均為Si-O-Si的振動(dòng)吸收峰,表明硅酸鋁纖維中的SiO2以硅氧四面體的形式存在,纖維表面存在大量的硅氧烷官能團(tuán)。其中A-AF的硅氧烷吸收峰強(qiáng)度明顯大于其他纖維,可能的原因是經(jīng)過堿的刻蝕,使纖維表面暴露出更多的硅氧烷結(jié)構(gòu)。G-AF的紅外光譜在3 416.37 cm-1、943.39 cm-1處有吸收峰,分別為N-H鍵和Si-C鍵的伸縮振動(dòng)峰,說明纖維經(jīng)過改性后,KH550成功接枝在纖維表面,且表面富集大量的活性-NH2官能團(tuán)。A/G-AF的紅外光譜顯示在3 416.37 cm-1、936.23 cm-1有吸收峰,所表示的官能團(tuán)與G-AF一致,但A/G-AF的吸收峰峰強(qiáng)更強(qiáng),說明經(jīng)過堿刻蝕改性后,纖維的表面活性提高,更有利于硅烷偶聯(lián)劑的接枝。

硅烷偶聯(lián)劑在AF表面接枝時(shí)發(fā)生的反應(yīng)如圖2所示,硅烷偶聯(lián)劑在乙醇溶液中發(fā)生水解生成大量羥基基團(tuán),隨后在加熱的條件下水解產(chǎn)物中的羥基與纖維表面的羥基發(fā)生脫水縮合反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)在纖維表面的接枝。其中-NH2可與樹脂基中的-OH發(fā)生聚合反應(yīng)生成共價(jià)鍵,進(jìn)而增強(qiáng)了纖維與樹脂基的結(jié)合能力。

圖2 KH550在纖維表面的接枝反應(yīng)原理圖

2.2 改性纖維的微觀形貌

為了進(jìn)一步探究纖維的改性對(duì)其形貌的影響,使用掃描電子顯微鏡對(duì)U-AF、A-AF、G-AF、A/G-AF 4組纖維樣品進(jìn)行測(cè)試,圖3為4組纖維的表面形貌圖。

圖3 U-AF(a)、A-AF(b)、G-AF(c)、A/G-AF(d)的SEM圖

從圖3(a)中可以發(fā)現(xiàn),未經(jīng)處理的AF表面附著少量雜質(zhì),但整體平整光滑,無任何缺陷,這也導(dǎo)致了在涂層中AF與樹脂基的結(jié)合力差,受到應(yīng)力作用后容易拔出。圖3(b)為經(jīng)過堿刻蝕的AF,可以發(fā)現(xiàn)纖維表面無任何附著物,但出現(xiàn)無數(shù)蜂窩空洞使表面凹凸不平。纖維利用濃堿溶液的強(qiáng)腐蝕性去除表面雜質(zhì),并對(duì)表面進(jìn)行一定程度的刻蝕使其表面粗糙度增加,進(jìn)而提高與樹脂基的結(jié)合能力.這種改性方法操作簡(jiǎn)單,改性效果理想,但同時(shí)堿溶液的刻蝕會(huì)對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)造成破壞,使其表面產(chǎn)生各種缺陷,內(nèi)應(yīng)力容易在缺陷處集中進(jìn)而滋生裂紋,使纖維的單絲抗拉能力下降,因此堿溶液的濃度與改性處理的時(shí)間對(duì)AF的性能有較大影響。圖3(c)為KH550接枝改性的AF,可以發(fā)現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)致密,在表面出現(xiàn)少量附著物。因此KH550接枝改性也是通過硅烷偶聯(lián)劑的附著,增加纖維的表面粗糙度來提高纖維與樹脂基材的相容性的,但與堿改性不同的是接枝處理為對(duì)AF的增材改性,對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何破壞,因而不影響纖維的力學(xué)強(qiáng)度,是一種非常理想的改性方式。圖3(d)為協(xié)同改性的AF,纖維表面被大量的硅烷偶聯(lián)劑包裹,纖維的直徑因此增大。相比于單一的接枝改性,協(xié)同改性在纖維表面附著的硅烷偶聯(lián)劑更多,可能都原因是經(jīng)過堿刻蝕的纖維表面富集大量的羥基官能團(tuán),硅烷偶聯(lián)劑水解后更容易在纖維表面進(jìn)行脫水縮合反應(yīng)。

2.3 涂層的抗開裂性測(cè)試

為了探究AF的改性方法及改性AF的含量對(duì)涂層抗開裂能力的影響,制備了多組涂料分別刷涂在載玻片上,養(yǎng)護(hù)168 h后對(duì)涂膜進(jìn)行目測(cè)觀察,結(jié)果如圖4所示。纖維未做改性處理的涂層在纖維摻雜量為1～5 g時(shí),均產(chǎn)生開裂,隨著纖維含量的增加涂層上的裂紋逐漸減少;當(dāng)m(U-AF)=1 g時(shí),涂層發(fā)生龜裂,m(U-AF)為2～5 g時(shí),涂層垂直于涂料刷涂的方向開裂。未經(jīng)改性處理的AF表面光滑、表面能小,與丙烯酸樹脂相容性差、與樹脂的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)小于纖維抗拉強(qiáng)度。隨著涂膜中的稀釋劑不斷揮發(fā),涂膜體積收縮并在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并集中AF與樹脂的界面處,該應(yīng)力超過兩者的結(jié)合力時(shí),纖維拔出,涂層發(fā)生開裂.當(dāng)AF的質(zhì)量較小時(shí),其在涂層中的分布范圍小,對(duì)橫向與縱向的應(yīng)力均不能起到很好的抵抗作用,所以涂層發(fā)生龜裂。未經(jīng)改性處理的AF結(jié)構(gòu)完整、耐磨性較高,研磨后仍有較大的長(zhǎng)度,在進(jìn)行刷涂時(shí),纖維的取向基本與刷涂方向,所以AF僅在平行于刷涂方向上起到了抵抗應(yīng)力的作用,而垂直于刷涂方向上涂層應(yīng)力過大而產(chǎn)生開裂。

圖4 涂層外觀圖

摻雜A-AF的涂層在m(A-AF)為1～4 g時(shí),涂層出現(xiàn)細(xì)小裂紋,隨著A-AF含量的增加,裂紋逐漸減少,當(dāng)m(A-AF)=5 g時(shí),裂紋消失,涂層表面平整光滑。AF經(jīng)過堿刻蝕改性后表面富集大量的羥基,在涂膜固化的過程中部分羥基能夠與丙烯酸樹脂中的游離羥基發(fā)生脫水縮合以共價(jià)鍵連接,增強(qiáng)了兩相的相容性。同時(shí)堿刻蝕后AF表面凹凸不平,增強(qiáng)了AF與樹脂的界面結(jié)合力使AF抵抗收縮應(yīng)力的能力增強(qiáng),所以相比與U-X-P,A-X-P的裂紋更少。經(jīng)堿刻蝕改性后的AF結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,耐磨性減弱,研磨后AF的長(zhǎng)度較短,因此在進(jìn)行涂料的刷涂時(shí)纖維的取向雜亂,導(dǎo)致涂層固化后出現(xiàn)細(xì)小的無規(guī)則裂紋。

添加G-AF的涂層在m(G-AF)為1～2 g時(shí),涂層表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋,當(dāng)m(G-AF)為3～5 g時(shí),涂層沒有裂紋產(chǎn)生,表面光滑平整。AF經(jīng)過KH550的接枝改性后,表面出現(xiàn)游離的氨基和羥基官能團(tuán),在涂膜固化時(shí)氨基和羥基與丙烯酸樹脂中的游離羥基發(fā)生縮合反應(yīng)通過共價(jià)鍵鏈接,增強(qiáng)了AF與樹脂的相容性,硅烷偶聯(lián)劑在AF表面的附著提高了纖維的表面粗糙度,進(jìn)一步增強(qiáng)兩相的界面結(jié)合力。同時(shí)接枝改性對(duì)AF的結(jié)構(gòu)不造成破壞,纖維仍保持原有的強(qiáng)度,因此較小的AF含量就可以對(duì)涂層起到良好的抗開裂作用。

添加A/G-AF的涂層在m(A/G-AF)≥3 g時(shí),裂紋消失,涂層的光澤度較差.AF經(jīng)堿刻蝕后在進(jìn)行接枝改性,使纖維表面基本完全被硅烷偶聯(lián)劑包覆,纖維的直徑增大,在涂層中更容易形成牢固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致涂層表面疏松多孔,缺乏光澤度。

為了進(jìn)一步探究AF的改性方法對(duì)涂層抗開裂性能的影響,對(duì)U-3-P、A-3-P、G-3-P、A/G-3-P 4個(gè)涂層的斷面進(jìn)行SEM測(cè)試,觀測(cè)斷面的微觀形貌。圖5為4個(gè)涂層的斷面SEM掃描圖,其中圖5(a)為U-3-P的斷面掃描圖,可以發(fā)現(xiàn)纖維U-AF在涂層斷裂的過程中被完全拔出,纖維表面光滑,無樹脂在表面附著,同時(shí)可以觀察到纖維與樹脂的粘結(jié)處有較大空腔,說明了未經(jīng)改性的纖維表面浸潤(rùn)性差,AF與樹脂之間的粘結(jié)強(qiáng)度較小;圖5(b)為A-3-P的斷面掃描圖,可以觀察到拔出的A-AF表面被一層樹脂均勻附著,纖維與樹脂的界面位置結(jié)構(gòu)致密無空腔,表明經(jīng)堿刻蝕改性的纖維在涂料體系中能夠與丙烯酸樹脂基粘合良好;圖5(c)為G-3-P的斷面掃描圖,從圖中可以看出拔出的G-AF表面附著大量的丙烯酸樹脂,纖維與樹脂基體的界面位置有少量空腔,說明經(jīng)KH550接枝改性在一定程度上促進(jìn)了AF與樹脂間的結(jié)合,進(jìn)而增強(qiáng)涂層的抗開裂能力;圖5(d)為A/G-3-P的斷面掃描圖,拔出的A/G-AF表面附著大量的丙烯酸樹脂和二氧化硅氣凝膠,說明都斷裂發(fā)生在氣凝膠與樹脂的界面上而非AF與樹脂的界面上,表明A/G-AF對(duì)涂層的抗開裂作用起到了最優(yōu)效果,可能的原因是A/G-AF經(jīng)過堿刻蝕改性處理后,促進(jìn)了硅烷偶聯(lián)劑在其表面的接枝程度并提高了AF表面-NH2官能團(tuán)的含量,-NH2參與丙烯酸樹脂的固化反應(yīng),進(jìn)而增強(qiáng)了兩相的相容性。綜上所述,通過觀察涂層的斷面形貌,比較進(jìn)行不同改性AF的表面附著物及與丙烯酸樹脂的結(jié)合情況,我們判斷4種纖維對(duì)提高涂層抗開裂性能力的大小為A/G-AF>A-AF>G-AF>U-AF。

圖5 U-3-P(a)、A-3-P(b)、G-3-P(c)、A/G-3-P(d)的斷面SEM

2.4 涂層的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

為了探究AF的改性方法與改性AF的添加量對(duì)保溫隔熱涂層隔熱性能的影響,制備了U-X-P、A-X-P、G-X-P、A/G-X-P多組涂層,其中X表示改性AF的添加量,隨后通過熱常數(shù)分析儀測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù),測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以觀察到隨著纖維質(zhì)量的增加,含有不同的改性AF的涂層導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)是不相同的。

圖6 涂層的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

U-X-P隨著U-AF質(zhì)量增加,導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大,在m(U-AF)=3 g時(shí)涂層的導(dǎo)熱系數(shù)最小為0.076 W/(m·K),導(dǎo)熱系數(shù)的極差為0.02 W/(m·K),降低了20.8%,未處理的AF耐磨性較好,經(jīng)過研磨后仍能保持較大的尺寸,因此涂層中U-AF主要以長(zhǎng)纖維的形式存在,這增強(qiáng)了涂層的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使涂層中出現(xiàn)更多的孔隙并由導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣填充,致使涂層的導(dǎo)熱系數(shù)降低,而當(dāng)U-AF的含量較高時(shí),纖維容易與體系中的空心玻璃微珠相互接觸從而形成導(dǎo)熱能力較強(qiáng)的玻璃相傳熱通道,致使涂層的導(dǎo)熱系數(shù)升高;A-X-P隨著A-AF質(zhì)量增加,導(dǎo)熱系數(shù)先減小后趨于穩(wěn)定,導(dǎo)熱系數(shù)的極差為0.008 W/(m·K),下降了8%,G-X-P隨著G-AF質(zhì)量的增加,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小,極差為0.012 W/(m·K)且下降了12.4%?？赡艿脑蚴?A-AG和G-AF本身具有較低的熱傳導(dǎo)性,添加到涂料體系中使涂層的導(dǎo)熱系數(shù)稍微降低;A/G-X-P隨A/G-AF質(zhì)量的增加涂層導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),極差為0.009 W/(m·K)?？赡苁且?yàn)锳F經(jīng)過協(xié)同改性后,纖維與樹脂間相容性提高,使涂層結(jié)構(gòu)更加致密、孔隙減少,導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)輕微升高。

2.5 涂層的力學(xué)性能測(cè)試

為了探究AF的改性方法與摻雜量對(duì)涂層力學(xué)性能的影響,我們對(duì)U-X-P、A-X-P、G-X-P、A/G-X-P四組涂層進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)中可以發(fā)現(xiàn),隨著AF含量的增加,涂層的拉伸能力逐漸增大,可能的原因是當(dāng)涂層受到外力作用時(shí),AF可以抵消一部分應(yīng)力從而防止樹脂材料應(yīng)力過載而產(chǎn)生裂紋。AF改性方法同樣影響了涂層的拉伸性能,從圖中可以得出不同AF對(duì)涂層拉升性能的增強(qiáng)效果的比較:A/G-AF>A-AF>G-AF>U-AF。當(dāng)涂料體系中加入5 g A/G-AF時(shí),涂層拉伸強(qiáng)度最高為2.8 MPa,比U-5-P提高了47.4%,分析其中原因,可能是改性AF與涂層的界面相容性越好,對(duì)涂層拉伸性能的增強(qiáng)效果越顯著。圖7(b)為涂層的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試,可以看出隨著AF含量的增加,涂層的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸下降,主要因?yàn)锳F為表面能較小的無機(jī)纖維,一部分AF位于涂層與基材的界面處從而降低了兩者的界面結(jié)合能,使涂層的粘結(jié)強(qiáng)度降低。

圖7 涂層的拉伸強(qiáng)度(a)和粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試(b)

2.6 涂膜的耐水性、耐堿性測(cè)試

為了探究AF的改性方法與摻雜量對(duì)涂層耐水性、耐堿性的影響,對(duì)不產(chǎn)生開裂的涂層進(jìn)行了耐水性、耐堿性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2所示。相比于U-5-P,A-5-P 、G-5-P 、A/G-5-P的耐水性、耐堿性明顯增強(qiáng),可能的原因是未改性處理的纖維表面光滑、與丙烯酸樹脂的相容性較差,在兩者的界面結(jié)合處形成空腔,因而水或堿溶液容易進(jìn)入這些空腔對(duì)樹脂材料造成破壞。隨著AF含量的增加,涂層的耐水耐堿性能增強(qiáng),主要是因?yàn)锳F含量越多,涂層抗開裂能力越強(qiáng)、表面裂紋越少,延緩了水和堿液侵入涂層內(nèi)部的速度。

表2 涂層的耐水性、耐堿性測(cè)試

3 結(jié)論

AF的改性方法及摻雜量對(duì)涂層的抗開裂能力都產(chǎn)生一定影響。AF的改性方法對(duì)提高涂層抗開裂性效果的比較:協(xié)同改性>堿刻蝕改性>接枝改性>未處理;由涂層外觀可知,且涂層的抗開裂能力隨著AF摻雜量的提高而增強(qiáng);未改性的AF對(duì)降低涂層的導(dǎo)熱系數(shù)、提高涂層隔熱能力具有較顯著的作用,當(dāng)纖維添加量為3 g時(shí),涂層導(dǎo)熱系數(shù)最低為0.076 W/(m·K) 。經(jīng)過堿刻蝕改性、KH550接枝改性及協(xié)同改性的AF,對(duì)涂層導(dǎo)熱系數(shù)的影響并不明顯;AF的改性及摻雜量對(duì)涂層的拉伸強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度都產(chǎn)生顯著影響,改性后的AF與丙烯酸樹脂的界面結(jié)合能力增強(qiáng),可以承受部分應(yīng)力作用進(jìn)而使涂層的拉伸強(qiáng)度提高,且AF的摻雜量與涂層的拉升強(qiáng)度成正比關(guān)系;但因?yàn)锳F較小的表面能,使涂層的粘結(jié)強(qiáng)度下降;AF的不同改性對(duì)涂層的耐水性、耐堿性有一定程度的增強(qiáng),且隨著體系內(nèi)AF含量的提高,涂層的耐水性、耐堿性顯著提高。