納米改性高分子與鋼鐵附著機(jī)理的研究.pdf

1、聚乙烯具有優(yōu)異的耐酸堿腐蝕性、電絕緣性和良好的耐輻射性能，被廣泛用于金屬防腐表面涂層，但它是非極性高分子材料，與金屬之間的附著力低，涂層容易發(fā)生剝離現(xiàn)象，因此需要對聚乙烯進(jìn)行改性處理，以提高涂膜與金屬的附著力。傳統(tǒng)的改性方法難于控制，均勻性和重復(fù)性較差。另一方面，納米粒子具有許多優(yōu)異特性，可明顯改善高分子的各項性能，成為高分子材料領(lǐng)域的研究熱點。我們在初步的應(yīng)用性研究中首次發(fā)現(xiàn)通過在聚乙烯粉末涂料中添加納米顆粒，可顯著提高聚乙烯粉末涂料

2、與金屬基體的附著力。同時，也有文獻(xiàn)報道納米顆?？商岣攮h(huán)氧樹脂及膠粘劑的附著強度。對涂料和膠粘劑進(jìn)行納米改性，既可提高涂層各項性能，又能提高涂層與金屬基體的附著力，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的處理手段，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。然而，對納米顆粒提高高分子與金屬附著強度的機(jī)理，目前尚未進(jìn)行深入的研究。 本文全面回顧了附著機(jī)理的經(jīng)典理論、研究方法和研究進(jìn)展，選用非極性的低密度聚乙(LDPE)粉末涂料和極性的環(huán)氧膠粘劑，分兩篇分別研究納米改

3、性LDPE粉末涂料以及納米改性環(huán)氧膠粘劑與鋼鐵的附著機(jī)理，采用的納米顆粒為納米Al<,2>O<,3>、納米CaCO<,3>、納米SiO<,2>。 第一篇中，采用溶液混合法制備了納米改性LDPE粉末涂料，用拉伸機(jī)、接觸角測量儀、XRD等手段，研究了納米改性對LDPE本體強度、表面能、結(jié)晶度等性能的影響；通過熱壓法制備粘接試樣，用拉伸機(jī)采用拉伸法測量納米改性LDPE與鋼鐵的附著強度，研究了納米顆粒的分散方式、種類、含量，鋼鐵表面粗糙

4、度以及涂層厚度對附著強度的影響；SEM、EDX研究了納米顆粒對界面微觀形貌的影響，了解LDPE與鋼鐵在界面的接觸模式，以及二者的物理結(jié)合狀態(tài)；采用EDX、XPS等方法分析表面元素分布和化學(xué)性質(zhì)，研究界面結(jié)合的化學(xué)狀態(tài)，揭示了添加納米顆粒后，聚乙烯與鋼鐵附著強度提高的主要原因，具體研究結(jié)果如下： 1.隨著加入的納米Al<,2>O<,3>、CaCO<,3>、SiO<,2>含量增加，LDPE的本體強度下降，而表面能的極性部分有提高的趨

5、勢；體積變化呈現(xiàn)出先減小，而后略有增加的規(guī)律；結(jié)晶度先突然減小到最小值后，又稍有增大。LDPE加入納米顆粒后極性發(fā)生改變，這導(dǎo)致含納米顆粒的LDPE涂層與鋼鐵基體之間產(chǎn)生較強的相互作用。另外，納米改性還可阻止LDPE粉末受熱壓然后冷卻成膜時的體積收縮，并使LDPE結(jié)晶度降低，從而降低內(nèi)應(yīng)力。 2.在LDPE中添加納米Al<,2>O<,3>、SiO<,2>、CaCO<,3>顆粒后，LDPE在150＃砂紙打磨鋼鐵表面的附著強度較純L

6、DPE的附著強度(5.6MPa)有明顯提高，添加三種納米顆粒后的附著強度隨濃度增加逐漸增大，分別達(dá)到最大值9.6 MPa，8.9 MPa，9.5 MPa后，又逐漸下降，到8 wt％之后又有上升的趨勢。 3.粗糙度對純LDPE與鋼鐵表面的附著強度影響不大，而添加納米顆粒之后，LDPE在60＃和150＃砂紙打磨粗糙表面的附著強度明顯提高；在拋光表面上，添加納米SiO<,2>的LDPE附著強度提高較多。說明納米顆粒改性強化了粗糙度對附

7、著強度提高的作用，這和納米顆粒通過其他作用機(jī)理使LDPE的附著強度進(jìn)一步提高有關(guān)。用外推法的真實附著強度結(jié)果表明，納米顆粒添加使真實附著強度提高，并且大于相應(yīng)的表觀附著強度，而且二者隨納米顆粒濃度的增加變化趨勢基本相似，說明真實附著強度改變是表觀附著強度變化的主要因素。 4.微觀界面形貌說明，無論是否添加納米顆粒，LDPE與鋼鐵表面緊密接觸。斷面形貌顯示，純LDPE涂層和鋼鐵發(fā)生界面斷裂；而加入納米顆粒后，發(fā)生混合斷裂。附著強度

8、測試后鋼鐵試樣粘接面的XPS分析結(jié)果表明，在納米顆粒的作用下，LDPE與鋼鐵之間的粘接面出現(xiàn)了C、O元素的單鍵C-O和雙鍵C=O基團(tuán)。 5.綜合以上結(jié)果，可以認(rèn)為：極性基團(tuán)、本體強度和內(nèi)應(yīng)力等因素共同作用，影響著不同納米顆粒種類、不同含量的LDPE的表觀附著強度，導(dǎo)致真實附著強度提高的極性基團(tuán)是表觀附著強度提高的主要因素。 在第二篇中，采用機(jī)械混合的方法制備了納米改性環(huán)氧膠，用拉伸機(jī)、接觸角測量儀，研究了納米改性對環(huán)氧膠

9、本體強度、表面能的影響；用拉拔式附著力測試儀測量納米改性環(huán)氧膠與鋼鐵的附著強度，研究了納米顆粒的分散方式、種類、含量，鋼鐵表面粗糙度對附著強度的影響；用SEM研究納米顆粒對界面、斷面微觀形貌的影響；采用EDX、XPS、FTIR等方法分析表面元素分布、化學(xué)性質(zhì)和官能團(tuán)，研究界面結(jié)合的化學(xué)狀態(tài)，揭示了納米顆粒添加后，環(huán)氧膠與鋼鐵附著強度提高的主要原因，具體研究結(jié)果如下： 1.純環(huán)氧膠的本體強度為6.77 MPa，隨納米Al<,2>O

10、<,3>含量增加，環(huán)氧膠的本體強度略有增加，含量10 wt％時，環(huán)氧膠本體強度為7.85 MPa：納米CaCO<,3>的加入使環(huán)氧膠的本體強度稍有下降，含量3wt％時，本體強度降低到最小的3.7 MPa。納米SiO<,2>改性環(huán)氧膠的本體強度在含量為2wt％時最小，為4.44 MPa，并在4wt％時超過純環(huán)氧膠的本體強度。加入納米顆粒后，環(huán)氧膠的極性都有所提高，并分別在納米Al<,2>O<,3>、納米CaCO<,3>含量為2wt％時取得

11、最大值；對于納米SiO<,2>體系，在納米含量為4wt％時環(huán)氧膠表面能極性部分達(dá)到最大值。 2.未改性環(huán)氧膠粘劑與150＃砂紙打磨鋼片的附著強度為3.8 MPa。加入納米顆粒，環(huán)氧膠和鋼鐵基體之間的附著強度明顯提高，其提高程度與納米種類和含量有關(guān)。當(dāng)納米Al<,2>O<,3>、CaCO<,3>含量為2wt％時，環(huán)氧膠和鋼鐵之間的附著強度達(dá)到最大值，添加納米Al<,2>O<,3>的環(huán)氧膠與鋼鐵的附著強度提高最大，達(dá)18.4 MPa

12、，約為純環(huán)氧膠的4倍；納米CaCO<,3>改性環(huán)氧膠的最大附著強度為5.83 MPa；納米SiO<,2>改性環(huán)氧膠在8 wt％達(dá)到最大值8.4 MPa，然后略有下降。粗糙度對未改性環(huán)氧膠的附著強度影響不大，但對納米改性環(huán)氧膠有明顯的影響。 3.SEM照片表明納米顆粒種類和含量對環(huán)氧膠和鋼鐵的界面形貌沒有影響，膠粘劑與60＃砂紙打磨鋼鐵表面的實際接觸面積比150＃砂紙小。未經(jīng)納米顆粒改性的環(huán)氧膠與鋼鐵基體發(fā)生界面斷裂，表觀附著強度