结题报告-新型光固化涂料的制备

（创新类项目）结题报告书项目名称新型光固化涂料的制备项目类型（） 重点项目、（ ）重点自筹项目 、（ ） 一般项目 、（ ）指导项目研究期限项目起始时间：2014年5月计划完成时间：2015年4月实际完成时间：2015年4月一、项目实施情况（请就研究目标、研究过程、研究成果、项目的完成质量、学术水平以及推广应用价值作全面总结，3000字以内）： 1、研究目标光固化涂料主要指在紫外光照射下迅速交联固化成膜的一类新型材料，因其高效涂装固化和环境友好特征，已为世界涂料行业和绝大多数的管理机构所认可。光固化涂料自从20世纪60年代由Bayer公司成功商业化以来，技术上不断成熟、创新，原材料品种性能不断发展，已由当初仅适用于木器涂装，拓展到现在大量用于纸张、塑料、金属、玻璃、陶瓷等多种基材，而且正朝着功能化方向发展。聚氨酯丙烯酸酯是一类重要的光固化交联性树脂，其应用广泛程度仅次于环氧丙烯酸酯。它是在聚氨酯的基础上，分子链末端通过丙烯酸酯化引入双键，使用过程中经光照，在光引发剂的作用下引发双键交联反应的一种低聚物。聚氨酯丙烯酸酯兼具聚丙烯酸酯和聚氨酯两种涂料的优点，其反应活性高、固化速率快，具有优异的柔韧性、附着力、耐低温性、耐磨性、耐化学品性以及弹性。二氧化硅因其具有粒径小、比表面大、硬度高、耐热性好以及优异的补强性能而广泛应用于橡胶行业。依据不同方法制备的二氧化硅可分为气相法和沉淀法两大类二氧化硅。气相二氧化硅通常为纳米级二氧化硅，由干法制备，制备工艺复杂，产量不大，易团聚，价格高。为了提高纳米二氧化硅在聚合物基体中的分散性能，常根据填料表面特性进行改性处理，如利用硅氧烷偶联剂对其进行原位改性。气相二氧化硅通常为纳米级二氧化硅，由干法制备，制备工艺复杂，产量不大，易团聚，价格高。为了提高纳米二氧化硅在聚合物基体中的分散性能，常根据填料表面特性进行改性处理，如利用硅氧烷偶联剂对其进行原位改性。本课题采用聚氨酯丙烯酸酯预聚物、二氧化硅、光引发剂、稳定剂为原料制备紫外光（UV）固化聚氨酯丙烯酸酯涂料，考察未处理二氧化硅、煅烧处理二氧化硅、表面改性二氧化硅及其用量对UV固化聚氨酯丙烯酸酯涂料性能的影响。2、研究过程首先，课题组成员对课题的相关文献进行了查阅，并且制定了详细的试验计划，其中包括：课题组准备相关原料，如：聚酯预聚体，光引发剂，阻聚剂，填料等，组织成员集体学习各种试剂特性，实验注意事项，排除可能影响实验的不良结果。熟悉实验过程，能够熟练配置样品，并初步熟悉了性能测试的仪器的使用方法等。自2015年5月至10月底，课题组成员进行了相关的实验，完成光固化不饱和树脂材料的制备，其中包括通过不断变化各组分的配比，找到了一种较好的光固化树脂的配方，通过拉伸试验、耐水性试验、硬度试验研究材料组成、结构、制备工艺参数对材料的力学性能及耐水性能等的影响关系，通过红外了解各基团在固化前后的变化，DSC测定固化时间，已经得到了一种良好的光固化涂料的配方。至2015年2月底课题组通过各项测试得到各种数据，并进行整理。2月至今，进行论文的撰写与发表。3、研究成果通过实验，本课题组成员已经熟知实验的原理、最终成品的性能要求，并且通过加入不同配比的原料已制备出具有使用价值的光固化材料，其中处理了不同形式的白炭黑作为填料加入浆料，并配置了一系列的光固化树脂。性能测试方面通过DSC实验知道其固化时间，红外光谱了解了固化前后官能团的变化，在力学性能与耐水性测试后发现该材料拉伸强度适中，邵氏硬度良好，耐水性良好。课题组研究发现：不同种类二氧化硅对UV固化聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜的力学性能的影响如表1所示。从表1可以看出，未处理二氧化硅对涂膜性能提高幅度较小，表面改性二氧化硅效果最好，这是因为未处理的二氧化硅表面含有水分，导致其在聚氨酯丙烯酸酯的基体中分散性不好，易造成应力集中，使得力学性能提高有限。而表面改性二氧化硅的粒子表面有硅烷偶联剂，与聚氨酯丙烯酸酯发生化学反应，从而提高二氧化硅与聚氨酯丙烯酸酯之间的粘结力，有效提高聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜的拉伸强度和硬度。表1二氧化硅种类对胶膜力学性能的影响二氧化硅种类a拉伸强度/MPa硬度/邵氏A空白样5.1890未处理二氧化硅5.350煅烧处理二氧化硅7.2391表面改性二氧化硅8.3095a: 二氧化硅用量为15%表面改性二氧化硅用量对聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜力学性能的影响如表2所示。从表2可以看出，随着表面改性二氧化硅用量的增加，聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜力学性能呈先增加再减小的趋势；当表面改性二氧化硅用量为15%时，胶膜的力学性能最好。这是因为二氧化硅加入量的增多，粒子间相互作用增强，对材料的形变有一定的抑制作用，但加入过多会造成拉伸强度的下降。表2二氧化硅用量对膜力学性能影响表面改性二氧化硅用量/%拉伸强度/MP硬度/邵氏A05.18905 5.339110 6.729315 8.309520 8.1493二氧化硅对聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜耐水性能的影响如图1所示。从图1可以看出，随着二氧化硅用量的增多，胶膜耐水性均有所上升，这是因为二氧化硅表面有羟基存在，羟基与聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜中的脲基、氨基甲酸酯等极性基团发生键合作用，一定程度上提高了胶膜的交联密度，进而提高了胶膜的硬度和耐水性，这与Chien-Hsin等人的研究相一致。另外从图3中还可以看出，三种二氧化硅，表面改性二氧化硅制得的聚氨酯丙烯酸酯涂料胶膜的吸水率最低，这是由于表面改性二氧化硅粒子的硅烷偶联剂进一步提高了二氧化硅与聚氨酯丙烯酸酯之间的粘结力，从而提高了胶膜的耐水性。图1 二氧化硅对胶膜耐水性能的影响差示扫描量热分析（DSC）是把试样和参比物置于同一速度可调的加热或冷却环境中，将使两者间的温度差保持为零所必须的能量对时间或温度作记录的方法，可以用来测定聚合物的反应温度、反应温区、反应热焓等。DSC测试结果见图2。图2 DSC测试结果4、项目的完成质量目前，该项目已获院级竞赛奖励（本科生科技论坛一等奖，创新杯优秀奖），并于2015年4月发表论文一篇。5、学术水平以及推广应用价值紫外光固化技术是一项节能和环保型新技术，具有许多独特的优势，主要表现在速度快、费用低、污染少三个方面。UV固化是一个多学科的研究领域，它涉及高分子化学、高分子物理、辐射化学、光学、电工学等高科技领域。本项目采用不饱和聚酯多元醇、单官能度单体、多功能度单体、UV光引发剂、稳定剂等原料，通过配方设计，制备光固化涂料，并通过测定涂料的固化时间、硬度、强度、耐溶剂性能、耐酸碱腐蚀、附着力等性能，考察配方原料的种类及用量、工艺条件对涂料性能的影响，最终得到符合工业生产要求的新型光固化涂料的配方及其生产工艺。二、项目创新点与特色 本课题旨在研究一种新型光固化涂料，此涂料在紫外光下即可固化，代表了涂料工业的发展方向，其主要特点表现在速度快、费用低、污染少三个方面，是一个多学科的研究领域，涉及高分子化学、高分子物理等领域。但目前紫外光固化涂料还存在固化不完全、应用范围窄、成本较高等缺陷，如何在降低成本的同时提高紫外光固化涂料性能已成为该领域发展的趋势，因此本项目具有一定的新颖性，有助于提高本科生的创新思维和创新意识。三、项目成果： 项目申请书中的预期成果及成果提交形式：公开发表论文（ 1 ）篇、专利（ ）项、调查报告（ ）份软件、著作 （ ）份、实物（ ）件、竞赛获奖（ ）次其它 （ ）项目结题时取得的成果：公开发表论文（ 1 ）篇、专利（ ）项、调查报告（ ）份软件、著作 （ ）份、实物（ ）件、竞赛获奖（ 2 ）次其它 （ ）项目主要研究成果情况序号成果名称（获奖名称及等级）成果形式作者（获奖者）出版社、发表刊物或颁奖单位时间（刊期）1第十届本科生学术科技论坛一等奖奖状和睿、高健梅、朱二龙、吴凯华南京工业大学材料学院2014年11月2第三届“创新杯”大学生课外学术科技作品竞赛优秀奖奖状和睿、高健梅、朱二龙、吴凯华南京工业大学材料学院2014年6月3二氧化硅对UV固化聚氨酯丙烯酸酯树脂性能的影响论文项尚林、和睿、曹培培、高健梅、朱二龙粘接2015年第4期45四、研究体会和心得（500字以内）： 创新训练项目研究工作接近尾声了，在此我向给予我关爱和帮助的每一位师长，同学和朋友表达深深的谢意，是他们的指导和鼓励让我给创新训练项目划上了一个圆满的句号。研究成果之一的论文，充满了我的心血，是我四年来所学知识的总结，而且还凝聚了一大批人的汗水。在此，我首先要感谢的是我的指导老师项尚林，在项目进行的过程中，给了我们悉心的指导，为论文框架的建立，研究方法的确定，以及训练成果的多次修订工作付出了大量的汗水。同时，还要感谢材料学院多年来教授过我们的老师，是他们传授给我们知识，让我们更好的完成了本次创新训练。在此，我也要感谢我们训练小组全体成员，在项目实践过程中，大家相互合作，相互指导，建立下了深厚的友谊。也使我在今后生活中学会如何团结合作，相互理解。实践过程一年的学习生涯培养了我积极的人生观、正确的价值观，增长了我为人处事的能力，还提升了我的团结协作的精神。这一年经历的旅程，是留在我记忆中永远的财富，它时刻鼓舞着我，鞭策着我，让我勇敢、积极、自信地面对以后的人生！五、经费使用明细情况项目获批总经费： 10000 元项目实际投入经费： 11100 元实际使用资金： 11100元结余资金： -1100 元项目经费开支情况名目用途金额备注论文版面费专利申请费调研、差旅费调研200打印、复印费打印复印所需相关资料500资料费购买无法借阅的付费文献、资料400试剂等耗材费购买实验所需各种试剂6100元器件、软硬件测试、小型硬件购置费等；购买所需玻璃棒、滴管等实验装置、性能测试3900其它项目组承诺：我保证上述填报内容的真实性，经费使用规范合理，项目成果无弄虚作假情况。主持人签名：和睿 项目组其他成员签名：高健梅 朱二龙 吴凯华 2015年 4 月 21 日指导教师意见（包括项目的组织实施、完成质量、学术水平以及推广应用价值、经费使用等情况）：该创新团队学生积极要求上进，学习成绩优异，社会实践经验较为丰富，动手能力较强，能够独立思考，能较为熟练地运用所学过的知识解决在实践中遇到的问题，具有一定的创新意识、研究探索精神和扎实的基础知识与实验技能。在学生们的不懈努力下实验结果达到了预期要求，光固化涂料性能基本符合所需要求，数据可靠。通过实验让学生掌握了本专业的基本实验技能，培养了学生对于科研的兴趣，在课余生活中锻炼了学生的动手能力，学生初步掌握了运用学过的专业知识解决实验过程中遇到的问题，并加