含HALS复合纳米粒子的制备及其在UV固化涂层中的应用研究

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UV固化涂层因其高效涂装固化工艺和环境友好等特点,应用领域不断扩大,但光老化降解问题一直是困扰该项先进技术在户外涂装应用的关键,特别是汽车涂装、户外广告牌保护、建筑外饰等,UV固化涂层的光稳定化已成为一项重要的基材保护工程。现在主要的光稳定化措施即是在UV固化涂层配方体系中加入各式类型的光稳定剂,但是目前市售的光稳定剂大多功能单一,且分子量较低,在使用或加工过程中会发生迁移流失,光稳定剂的光稳定性能大大降低。因此,开发持久高效的多功能新型光稳定剂具有重要意义。本文将反应型受阻胺光稳定剂(HALS)与无机紫外线吸收屏蔽剂-低催化活性的表面包硅型金红石纳米Ti O2(Ti O2-Si O2)结合起来,制备出了一种多功能型光稳定剂助剂填料(含聚合型HALS的复合纳米粒子)。该种填料既有HALS的光稳定性能,又具备紫外线吸收特性,在实现HALS高分子量化的同时,也将聚合型HALS锚定在了包硅型纳米Ti O2的表面,该种设计大大减少了HALS在UV固化涂层基体中的迁移流失,并且Ti O2-Si O2纳米粒子经聚合型HALS修饰后在涂层基体中的分散性得到了改善,这体现出了HALS与Ti O2-Si O2纳米粒子的协同效应。主要研究内容及结果如下:(1)利用硅烷偶联剂MPS对Ti O2-Si O2纳米粒子进行有机化表面改性,得到Ti O2-Si O2/MPS纳米粒子。采用FTIR、TG、接触角及SEM等手段对纳米Ti O2-Si O2的结构和改性效果进行了表征。结果表明MPS已成功接枝到了纳米Ti O2-Si O2粒子的表面,SEM测试表明Ti O2-Si O2/MPS纳米粒子在有机介质中具有较好的分散性。(2)以MPS改性后的纳米Ti O2-Si O2(Ti O2-Si O2/MPS)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和反应型HALS甲基丙烯酸-1,2,2,6,6-五甲基-4-哌啶酯(PMPM)为原料,通过细乳液聚合法将HALS接枝到纳米Ti O2-Si O2表面制备得到Ti O2-Si O2接枝HALS共聚物复合纳米粒子(Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM))。当聚合反应温度为80℃,表面活性剂浓度为24 m M,Ti O2-Si O2/MPS用量为4wt%,助稳定剂用量为4wt%时,细乳液聚合体系稳定,单体聚合反应速率较快,单体最终转化率较高。采用FTIR、NMR、XPS等手段对复合纳米粒子的结构进行表征,结果表明MMA-co-PMPM共聚物已成功接枝包覆在了纳米Ti O2-Si O2的表面,TG结果显示接枝包覆量约为40.9wt%。TEM照片清楚地看到复合纳米粒子为核壳结构的球形粒子,平均粒径约为90 nm。紫外-可见吸收光谱测试显示Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM)复合纳米粒子具有较好的紫外吸收屏蔽性能。Rh.B光催化降解实验显示,Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM)复合纳米粒子基本不显示光催化活性。(3)将所制备的Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM)复合纳米粒子加入UV固化涂料中,在聚碳酸酯板材表面涂覆固化得到聚碳酸酯表面UV固化纳米复合涂层。研究了复合纳米粒子含量对纳米复合涂层光学性能、硬度、附着力及耐磨性能的影响。结果显示,当复合纳米粒子用量为2wt%时,固化涂层的表面铅笔硬度和耐磨性能最佳,光学性能和附着力也较好。掺杂Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM)的纳米复合涂层的Rh.B光降解实验结果显示复合纳米粒子具有较强的紫外光屏蔽性能。经240 h光老化测试后,含2wt%Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM)的复合纳米涂层,其色差、透光率和雾度变化均较小;光学显微镜照片显示纳米复合涂层的表面未生成微孔洞或微孔腔;纳米复合涂层光老化前后的红外谱图未发生明显变化。含Ti O2-Si O2/P(MMA-co-PMPM)复合纳米粒子的UV固化涂层具有较好的光稳定性能,相对于未改性UV固化涂层,可以对聚碳酸酯板材起到更好的防护作用。
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