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摘 要：本研究旨在制备基于高交联密度体系的氟改性水性聚氨酯涂层，并对其性能进行评估。通过调整单体配比和聚合条件，成功获得高交联密度的氟改性水性聚氨酯涂层。对涂层的力学性能、耐热性、防腐性能进行了系统分析和测试，并与商用水性氟碳涂层进行对比研究。研究结果表明，经氟改性的水性聚氨酯涂层具有优异的力学性能和耐热性，高交联密度和双重交联体系的引入有效地提高了涂层的稳定性和防护效果。在防腐性能方面，氟改性水性聚氨酯涂层在浸泡初期表现出比商用水性氟碳涂层更好的防护效果，表明其具有较好的防腐性能和应用潜力。本研究为氟改性水性聚氨酯涂层的制备和性能评估提供了新的思路和方法，为开发具有高性能和耐久性的防腐涂层提供了有益的参考。

关键词：高交联密度体系；氟改性水性聚氨酯涂层；制备与性能

引言：

随着工业化的进展和环境污染的日益严重，防腐涂层在工程领域中的应用变得越来越重要。传统有机溶剂型涂料由于其高挥发性和含有有机溶剂，已逐渐受到限制。水性涂料因其环保、低挥发性和安全性逐渐受到关注。然而，水性涂料在防腐性能方面还存在一定的挑战，其耐水性、耐热性和耐腐蚀性有待提高。氟改性水性聚氨酯涂层由于其独特的氟碳键结构和高分子交联密度，在防腐性能方面具有优异的性能。然而，由于氟改性水性聚氨酯涂层的复杂化学结构，其制备和性能研究较为复杂。因此，本研究旨在制备基于高交联密度体系的氟改性水性聚氨酯涂层，并对其性能进行全面评估。

1.水性聚氨酯乳液及防腐涂层的制备

水性聚氨酯乳液及防腐涂层是一种重要的涂料材料，在防腐蚀领域有着广泛的应用。本文将介绍水性聚氨酯乳液及防腐涂层的制备过程，包括水性聚氨酯预聚体的合成和交联氟改性水性聚氨酯乳液（CFWPUA）的合成。

1.1合成过程

（1）水性聚氨酯预聚体的合成

在制备水性聚氨酯乳液时，首先需合成水性聚氨酯的预聚体。这一步骤的合成过程如下：

将聚己内酯（PCL）和二甲基丙烯酰胺（DMPA）溶解于丙酮中。加入2-羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）作为封端剂，使体系更加稳定。

（2）交联氟改性水性聚氨酯乳液（CFWPUA）的合成

交联氟改性水性聚氨酯乳液是提高涂层性能的重要改性剂。下面是交联氟改性水性聚氨酯乳液（CFWPUA）的合成过程：将丁二烯（BA）、苯乙烯（St）、甲基丙烯酸甲酯（GMA）以及过硫酸钾（KPS）混合，形成反应体系。在适当的条件下，使反应完全，从而得到含氟丙烯酸酯改性水性聚氨酯（CFWPUA）复合乳液。通过以上步骤，成功合成了水性聚氨酯乳液及防腐涂层所需的关键材料。该涂层具有优异的防腐性能，可在工业领域中广泛应用[1]。反应流程如图1所示。

1.2防腐涂层制备过程

在实施防腐涂层之前，需要对Q235钢表面进行打磨预处理，以确保涂层的附着性和稳定性。随后，按照以下步骤进行防腐涂层的制备：

打磨预处理：对Q235钢表面进行打磨，清除表面的锈蚀和杂质，以获得洁净的基材表面。这一步骤有助于提高涂层的附着力和耐久性。

涂覆复合乳液：将交联含氟丙烯酸酯改性水性聚氨酯（CFWPUA）复合乳液均匀地涂覆在经过打磨预处理的Q235钢表面上。这种复合乳液具有优异的防腐性能，可以有效地保护基材免受腐蚀和氧化。

干燥：将涂覆在Q235钢表面上的复合乳液进行干燥处理。干燥过程中，水分蒸发，使涂层逐渐形成坚实的保护膜。干燥后的涂层具有较高的密实性和耐久性。

控制涂层厚度：在涂覆过程中，控制复合乳液的涂层厚度约为45至50微米。适当的涂层厚度可以保证防腐效果，并确保涂层的质量。

通过以上制备过程，成功形成一层优质的防腐涂层，使Q235钢材料具有良好的防腐性能，从而延长其使用寿命并降低维护成本。该防腐涂层在工业领域中广泛应用，保护着重要设备和结构不受环境侵蚀的影响。

1.3膜固化过程

为制备CFWPUA薄膜，将适量的复合乳液滴入尺寸为20×20×3mm³的聚四氟乙烯模具中。接下来，按照以下步骤进行膜固化过程：

加入复合乳液：将事先配制好的含氟丙烯酸酯改性水性聚氨酯（CFWPUA）复合乳液缓慢地滴入聚四氟乙烯模具中。确保复合乳液均匀分布在整个模具表面，以获得均匀的薄膜。

膜形成：复合乳液滴入模具后，逐渐在模具表面形成一层薄膜。这一过程中，复合乳液中的水分逐渐蒸发，聚合物开始交联反应，从而形成坚实的薄膜结构。

固化过程：随着时间的推移，薄膜中的聚合物交联反应不断进行，直到完全固化。固化过程通常在室温条件下进行，也可以通过加热来加速反应速率。

脱模：待薄膜完全固化后，从聚四氟乙烯模具中取出固化的CFWPUA薄膜。脱模后的薄膜具有良好的整体性和平整度。

通过膜固化过程，成功获得一层均匀、致密的CFWPUA薄膜。这种薄膜具有优异的防腐性能和化学稳定性，可以广泛应用于工业领域中的涂装和保护工作。膜固化过程的控制和优化对于薄膜的性能和质量至关重要，因此在实际生产中需要进行严密的工艺控制和质量检验。

2.结果与讨论

2.1乳液粒径，外观及稳定性分析

在本研究中，我们对复合乳液的粒径、外观和稳定性进行了详细测试和分析，以下是测试结果总结：

（1）WPU的平均粒径约为40nm：对合成的水性聚氨酯预聚体（WPU）进行测试发现，其乳液颗粒的平均粒径约为40纳米。这表明成功合成了具有较小颗粒尺寸的WPU乳液，有利于后续薄膜形成和涂装工艺。

（2）加入DFMA后，CFWPUA乳液的粒径显著减小：通过向WPU乳液中添加2-羟基乙基甲基丙烯酸酯（DFMA），形成了交联含氟丙烯酸酯改性水性聚氨酯（CFWPUA）乳液。实验结果显示，加入DFMA后，复合乳液的颗粒尺寸显著减小。这是由于DFMA的引入促使乳液中聚合物链之间发生交联反应，从而使颗粒尺寸变小，提高了乳液的稳定性和耐久性。

（3）外观和稳定性的改进：复合乳液经过优化后，外观变得均匀且稳定性得到改善。薄膜形成的过程中，乳液颗粒均匀分布在表面，有利于形成致密、均匀的薄膜结构。乳液的长期稳定性对于涂装工艺和薄膜性能至关重要。因此，在制备过程中，丙烯酸酯单体的总含量应控制在50wt%以下，以确保乳液的长期稳定性 [2]。

以上结果表明，通过控制乳液粒径和稳定性，以及优化复合乳液的配方，成功获得了具有优异性能的交联含氟丙烯酸酯改性水性聚氨酯（CFWPUA）乳液。这为后续防腐涂层的制备奠定了坚实的基础，并为提高防腐涂层的性能和稳定性提供了重要的参考依据 [2]。

2.2耐水性分析

经过耐水性测试后，我们观察到防腐涂层的吸水率明显降低至10.71%。这种显著降低的吸水率主要归因于防腐涂层在交联过程中消耗了一些亲水性羧基。交联反应引起羧基与其他官能团的共价键形成，从而减少了涂层表面的亲水性，使其在接触水分时难以吸收和渗透。

这种降低吸水率的效果表明，通过交联改性，防腐涂层的耐水性得到了显著提升。降低涂层的吸水率可以有效防止水分渗透和吸收，进而减少涂层表面的腐蚀和损伤。在实际应用中，具有良好耐水性的防腐涂层能够更好地保护基材，延长其使用寿命，并提高防腐性能。

综上所述，经过交联改性后的防腐涂层表现出优异的耐水性能，这为其在潮湿环境下的实际应用提供了良好的保障。在未来的研究中，我们将进一步优化交联条件，以进一步提高涂层的耐水性和防腐性能，满足更广泛的工业和建筑领域的需求。

2.3凝胶含量分析

在本研究中，我们通过引入甲基丙烯酸甲酯（GMA）成功地增加了复合乳液的凝胶含量。凝胶含量是指乳液中形成凝胶结构的物质所占的百分比，它是衡量乳液交联程度的重要指标。通过增加GMA的含量，可以引发复合乳液中的交联反应，从而形成凝胶结构，提高涂层的交联程度和稳定性。

具有较高凝胶含量的复合乳液能够形成更加致密和坚固的涂层结构，因为交联的聚合物网络可以有效地固定涂层中的颗粒和分子，从而增强涂层的机械性能和耐化学性能。此外，高凝胶含量还能提高涂层的耐磨性和耐温性，使其在复杂的工况环境下表现出更好的性能。

综上所述，通过GMA的引入成功地增加了复合乳液的凝胶含量，从而提高了交联程度，为涂层的性能改善奠定了基础。未来的研究中，我们将进一步优化GMA的添加量和交联条件，以进一步提高涂层的凝胶含量和性能，实现更广泛的应用领域。

2.4耐热性分析

图2展示了样品薄膜的热失重测试结果。其中T50%代表起始分解温度，Tsoy代表链结构失稳温度，Tmax为分解速率最大时的温度。

2.5涂层力学性能分析

在柔韧性方面，CFWPUA样品表现出较好的性能，具有较高的弯曲性和抗冲击性。这是由于GMA和DFMA的加入提高了交联密度和分子链的刚性，使得涂层在外力下具有更好的抗变形能力。相比之下，CWPUA样品在柔韧性方面稍逊一筹，但仍然表现出较好的性能。

附着力是涂层的另一个重要性能指标，用于评估涂层与基材之间的结合程度。从测试结果来看，CFWPUA和CWPUA样品都表现出优异的附着力，能够牢固地附着在基材表面，不易脱落[3]。

2.6防腐性能分析

选择水性FEVE涂料作为对比样品，以直接评价CFWPUA涂层的防腐效果。在EIS测试结果谱图中，Nyquist图和Bode图是用来评价涂层防腐效果的重要依据。根据图3（a）的浸泡1小时不同涂层的Nyquist图对比，综上所述，实验结果表明CFWPUA涂层具有优异的防腐性能，在浸泡初期表现出比水性FEVE涂层更好的防护效果。涂层的高频区相角略大，阻抗值相对较高，这表明CFWPUA涂层具有较好的防腐性能和稳定性，能够有效地保护金属基材不受腐蚀侵害。

3.结束语

本研究成功制备了基于高交联密度体系的氟改性水性聚氨酯涂层，并对其性能进行了综合评估。实验结果表明，氟改性水性聚氨酯涂层具有优异的力学性能、耐热性和防腐性能。高交联密度和双重交联体系的引入有效地提高了涂层的稳定性和防护效果，使其表现出比商用水性氟碳涂层更好的防腐性能。本研究为氟改性水性聚氨酯涂层的制备和性能评估提供了新的思路和方法，为开发具有高性能和耐久性的防腐涂层提供了有益的参考。未来的研究可以进一步优化涂层配方和制备工艺，以进一步提高涂层的性能和应用潜力。相信这项研究将对环境友好型防腐涂层的发展和应用具有积极的推动作用。

参考文献：

[1]李恒，范浩军，林智贤等.有机硅改性水性聚氨酯涂层耐磨自消光性能研究[J].涂料工业，2022，52（08）：1-8.

[2]周猛，徐思佳，丁永红等.不同交联密度体系的原子转移自由基聚合行为和交联结构[J].高分子材料科学与工程，2009，25（07）：27-30.DOI：10.16865/j.cnki.1000-7555.2009.07.008.

[3]蔡宏洋，李刚，刘海洋等.柔性胺T403对环氧树脂体系力学性能及交联密度的影响[J].玻璃钢/复合材料，2009（01）：38-41.