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  • 用金紅石型納米TiO2改善粉末涂料耐光老化性能

  • 內容出處:http://www.letilatifah21.com時間2013-12-18 06:34:00作者admin瀏覽次數157
 
用金紅石型納米Ti02 改善粉末涂料耐光老化性能
 
摘要:以金紅石型納米Ti02為抗紫外光老化添加劑改性聚酯粉末涂料,采用TEM、XRD等測試手段表征納米Ti02 的性能特征,并用UV-Vis分析金紅石型納米Tih、銳鈦型納米Ti02以及普通金紅石型鈦白粉的紫外-可見光特 征譜。探討了納米Ti02屏蔽紫外線的機理,并用髙壓紫外汞燈人工加速聚酯粉末涂料的光老化降解,對比分析了 未改性聚酯粉末涂料、金紅石型納米Ti02改性聚酯粉末涂料以及有機紫外吸收劑改性聚酯粉末涂料的光澤度變化 和色差變化。研究結果表明,納米Ti02能夠使聚酯粉末涂料的抗紫外光老化性能得到較大幅度改善,并能賦予聚 酯粉末涂料優異的耐候性能和延長產品的戶外使用壽命。
 
關鍵詞:金紅石型納米Ti02;聚酯樹脂;粉末涂料;耐光老化
 
發展極為迅速,以歐美等發達國家為例,其產量已占 粉末涂料總量的20%以上,大量應用于建筑業、自 行車、汽車、農業機械、空調器、交通道路等戶外 設施。
 
近年來,國內外對提高粉末涂料的耐候性有較 多研究,主要通過合成耐候型基體樹脂和添加有機 紫外吸收劑、光穩定劑等兩種技術手段來延長粉末 涂料的戶外使用壽命。但研究發現,隨著改性產品 有機涂層曰曬時間的延長,其耐光老化性能仍然會 逐漸降低,并最終喪失耐候功能。其根本原因是紫 外線(波長為190 - 400 nm)的光子能量較高[2],粉末 涂料的基體樹脂和有機改性劑長時間受紫外光能量 攻擊會發生光老化降解。而且二苯甲酮類、苯并三 唑類等有機紫外吸收劑和受阻胺類等光穩定劑的降 解產物具有一定毒性[3、5],因此通過有機改性劑提 高粉末涂料耐光老化性的途徑具有一定局限性。
 
筆者采用攀鋼鋼鐵研究院納米工程中心生產的 金紅石型納米Ti02作為無機抗老化材料對提高PP、 ABS、PS、PA、PC等通用塑料和工程塑料戶外制品的 耐候性尤其是耐光老化性進行了研究卜8],并取得
了一些工業應用的成功范例。
 
鑒于金紅石型納米Ti02具有長效屏蔽紫外線 的優異性能,筆者嘗試采用金紅石型納米Ti02作為 抗光老化改性劑,以改進傳統耐候型粉末涂料性能, 并為金紅石型納米Ti02開辟新的應用領域。
 
1實驗
 
1.1實驗設備
 
實驗設備包括:SHR- 10A高速混合機(張家港 市大辰機械公司);粉末涂料成套熔融擠出、粉碎及 噴涂設備;高壓紫外汞燈加速老化箱(汞燈功率36 Wx 4,特征發射譜為275 nm,自制);WGG-66光澤 度計(上海精密光學儀器公司);CR-10型色差儀 (日本);H- 800透射電鏡(日本);D/max- r€ X射 線衍射儀(日本);TU - 1901紫外-可見分光光度計 (北京譜析通用儀器公司)。
 
1.2實驗配方
 
未改性聚酯粉末涂料的原始配方以及改性粉末 涂料的配比方案見表1所示,表中各組分皆為質圖3是納米Ti02的X -射線衍射譜圖,XRD測 試條件:Co-ka輻射、管壓40 kV、管流100 mA、RS = 0.3 mm、步長0.02°、掃描速度6 °/mma
 
經分析其金紅石晶型含量達到99%以上。由 于頰粒細小而引起X射線衍射峰寬化,采周Scherrer
 
 
方程來測定納米Ti02的平均粒徑其晶格粒徑為 25 -30 nm左右,與TEM測試結果基本一致。
 
2.2 Ti02的紫外-可見光譜特性
 
圖4 ~ 6分別是金紅石型納米Ti^(平均粒徑為 30mn)、銳釷型納米Tih(平均粒徑為25 nm)以及普 通金紅石型鈦白粉(平均粒徑為0.35 pan)的紫外透 射光譜和吸收光譜掃描圖。制樣條件:濃度為 0.05%的去離子水懸浮液,同時含有微量的六偏碟 酸鈉溶液,超聲波分散10 ~ 20 min0 UV - Vis測試條 件:掃描速度為50 rnnA、掃描范圍為:H0~ 800 nm, 帶寬為2.0 nm。
 
從圖4可見,金&石型納米TiOi在210 nm -410 rnn的紫外光波范圍內,表現出很強的吸收性能= 在320 nm的近紫外(UVA為315艦す nm)區域附近 出現最高吸收光譜,紫外吸光度達到2.0以上,透光 率接近于0。對比圖5可以看出,銳鈦型納米Ti02 的紫外吸收帶起始位置的吸光度下降到0.3以下, 透光率上升到50%;同時最高紫外光譜吸收峰已移 至中紫外(UVB為280 ~313 nm)_K域的29
 
且吸光度只有1.0,透光率達到了 10%。從圖6可 知,普通金紅石型欽白粉在550 nm的可見光(Vis為 400 - 700 nm)區域出現最高吸光度,約為0.75左 右,對應的透光率達到了 15%;而紫外光區域的吸 光度遠小于納米Ti02,透光率均大于20%。以上結 果表明,金紅石納米Ti02的紫外吸收性能要遠強于 銳鈦型納米Ti02和普通金紅石型鈦白粉。
 
2.3納米Ti02的紫外線屏蔽機理分析
 
(1)納米Ti02由充滿電子的02,分子軌道形成價 帶(VB),由沒有電子的空軌道Ti3dB成導帶(CB),形 成n型半導體的典型的禁帶間隙特征,存在帶隙能。 由于其寬頻帶強吸收特性,在紫外光照射下,其光子 (波長小于410 nm的紫外光)能量大于禁帶寬度時, 紫外光能量轉化為激發能克服帶隙能,電子則被 激發由低能的價帶躍遷到高能的導帶,產生電子(e_ ) -空穴(h+ )對,從而賦予Ti02優異的紫外線吸收能 力。銳鈦型納米Ti02的吸收波長閾值Xg在紫外光 區,其紫外吸收帶始于387 nm,而金紅石型納米Ti02
的吸收波長閾值、已寬化到了可見光區,其紫外吸 收帶始于413 nm,尤其對UVA的吸收效率明顯高于 銳鈦型Ti02[1G],因此金紅石型納米TiOz在紫外區的 吸收作用比銳鈦型納米Tih強。
 
(2)當Ti02粒徑達到納米量級后,納米粒子特 有的小尺寸效應導致Ti02的界面迅速增多,使到達 粒子界面的光波增加,與界面接觸幾率增大,致使 Ti02粒子界面的漫反射加劇,最終表現為粒子的總 消光度增加以及透光率降低,因此粒徑小于100 nm 的Ti02在紫外光區的消光作用比普通金紅石型粗 顆粒Ti02強。
 
(3)納米Ti02還有較強的散射紫外線能力。由 于納米Ti02粒子尺寸小于紫外線的波長,當紫外光 能量以電磁波的形式傳播到納米Ti02粒子時,納米 Ti02粒子中的電子受到能量攻擊以入射紫外光波的 頻率被迫振動,成為電磁波的二次傳播源,并同時向 各個方向散射紫外光波。而納米粒子在紫外可見光 區域的光散射現象需用Rayleigh光散射定律
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