水性聚氨酯粘合剂的制备及其辐射降温涂料的应用研究.pdf

研究报告水性聚氨酯粘合剂的制备及其辐射降温涂料的应用研究李天成 金福国 杨 晨 史启光 刘国庆(国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司 辽宁阜新)摘 要:制备了硅氧烷包覆碲化镉复合粒子采用有机硅偶联剂 对其表层进行氨基化改性并将改性后的复合物粒子用于水性聚氨酯的交联从而制备水性粘合剂和水性辐射涂料 通过、和万能试验机等对复合物粒子及其改性的水性乳液成膜物进行表征 结果表明:复合物粒子呈微球状尺寸均一且分布窄用 种粘合剂配制的辐射涂料均具有良好的降温和辐射性能且降温性能随涂层中碲化镉含量增加而提升关键词:氨基化改性水性聚氨酯粘合剂辐射涂料微球中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.基金项目:国家电网公司科技项目()电网架空导线在实际运行中因电流通过产生大量焦耳热使导线内部温度升高 高温下导线材料的微观结构、物理性能会产生不可逆且具有危害性的改变如力学性能、疲劳性能下降和弧垂增大等直接危害线路的运行安全 通常架空导线运行温度不宜高于 其工作时产生的热量必须及时移除 现有的架空导线散热主要依靠自然散热但自然散热降温效率不足特别是在天气炎热且线路输电负荷增加时散热效果更差热辐射涂料是一种能有效加速涂层与周围环境进行热交换的涂料可节能降耗在石化、冶金等高能耗行业广泛应用 赵贺等开发了一种应用于工业炉内壁的红外辐射涂料测试结果表明该涂料在 间具有良好的抗热震性赵立英等开发了一种基于铁锰铜钴的红外辐射节能涂料经 高温烧结后其在 波段的辐射率超过.现有技术多聚焦于高温辐射涂料喷涂完成后需在 以上高温烧制工艺过程繁琐且由于过多地使用无机粘合剂实际应用过程中涂层受冷热收缩影响易发生开裂和脱落从而影响使用寿命 显然高温辐射涂料虽然具备较好的热交换功能但并不适用于电网架空导线等低温环境下(低于 )的热量交换场景碲化镉()作为一种光电材料其发射光谱与太阳光接近 本实验制备了基于氨基硅氧烷碲化镉复合聚氨酯()乳液的延展性良好的水性粘合剂及辐射涂料研究了热辐射涂料的降温和辐射性能 实验部分.主要原料与设备聚氧化乙烯二醇(/)美国陶氏公司异佛尔酮二异氰酸酯()德国科思创公司二羟甲基丙酸()英国帕斯托公司氨丙基三甲氧基硅烷()日本信越株式会社甲基吡咯烷酮、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、乙二胺()、巯基丙酸()、碲粉(.)、氯化镉(.)、硼氢化钠()、氢氧化钠、正硅酸乙酯()均为化学纯上海国药集团铁钴镍铬合金粉末南宫市金属材料有限公司 射 线 衍 射()采 用 日 本 理 学 公 司 的 年第 卷 第 期.聚氨 酯 工 业/型仪器测试扫描角 范围:扫描速度/红外光谱()采用美国热电公司的 型测试使用溴化钾晶片成膜法 检测器 分辨率扫描 次热失重分析采用 公司的 型仪器测试氮气氛围温度范围为室温 升温速率为 /透射电镜()采用日本 公司的 型仪器测试将粘合剂样品分散在 二甲基甲酰胺中并将 滴溶液置于铜网格待其干燥后观察力学性能采用上海新三思公司 型 万 能 试 验 机 测 试 拉 伸 速 率/红外热成像采用德国德图公司 型仪器拍摄.实验方法.聚氨酯预聚体的制备向装有搅拌装置的四口烧瓶加入 (.)熔融的 并于 抽真空 以去除水分降温至 加入.(.)和 滴二月桂酸二丁基锡催化剂升温至 反应 继续加入溶有.(.)的 甲基吡咯烷酮溶液反应 冷却至 得到聚氨酯预聚体.氨基硅氧烷碲化镉纳米粒子的制备将单口烧瓶置于 冰水浴中加入.和 蒸馏水搅拌继续加入 (.)碲粉反应 碲粉消失且瓶底出现白色沉淀取上层清液密封保存将.(.)带结晶水的氯化镉粉末和.(.)巯基丙酸及过量的蒸馏水加入到单口烧瓶中并加热到 将上述上层清液移入搅拌 后加入 并继续回流反应 产物用甲醇沉淀并过滤过滤产物置于 真空烘箱干燥 得到硅氧烷碲化镉复合物并避光密封保存 将 硅氧烷碲化镉复合物微粒、甲苯加入到装有冷凝装置的圆底烧瓶搅拌升温至 反应 产物离心分离沉淀并用工业乙醇洗涤如此重复 次后置于 真空烘箱干燥 得到干燥的氨基硅氧烷碲化镉纳米粒子并密封避光保存.复合水性聚氨酯粘合剂的制备取.小节中制备的聚氨酯预聚体加热至 加入.(.)三乙胺中和、丙酮降黏保温 在 /的高速搅拌下加入 去离子水进行乳化分散均匀后分别继续不加或加入 和 的氨基硅氧烷碲化镉纳米粒子进行扩链反应 再加入足量的乙二胺继续反应 确保体系内所有异氰酸酯基团全部反应减压蒸馏去除体系内的丙酮得到固含量 的乳液 乳液成膜物中硅氧烷碲化镉复合物的质量分数约为、和 其制备路线见图 不同氨基硅氧烷碲化镉含量的样品配比见表 图 氨基硅氧烷碲化镉复合聚氨酯的制备路线表 不同氨基硅氧烷碲化镉含量的水性 粘合剂配比原料配方用量/./.辐射涂料的制备将已经烧结的、市售铁钴镍铬氧化物合金粉末作为辐射涂料基料加入自制氮丙啶改性石墨烯和.小节中制备的水性粘合剂三者质量比为 经高速分散均匀得到低温辐射固化涂料涂刷至钢板固化温度为室温 结果与讨论.射线衍射分析通过 射线衍射测定了碲化镉和硅氧烷碲化镉两种粒子的晶体结构如图 所示图 和 的 谱图聚氨酯工业 第 卷由图 可知碲化镉的 峰型符合典型的闪锌矿晶体的峰型结构特征而硅氧烷碲化镉在 左右的宽峰变窄这是由于碲化镉在被硅氧烷包覆之后一方面降低了碲化镉晶体在复合物中的比例另一方面包覆的硅氧烷存在非晶态结构.红外光谱分析对硅氧烷碲化镉复合物和氨基硅氧烷碲化镉复合物颗粒样品进行红外光谱测试结果见图 图 硅氧烷碲化镉和氨基硅氧烷碲化镉的红外光谱图 中 和 处为 和 的伸缩振动峰 和 处的 振动峰则反映了 种粒子表面存在吸附的水分子 与硅氧烷碲化镉粒子相比氨基硅氧烷碲化镉在 处存在振动峰、处存在振动峰、处存在 振 动 峰 这 些 新 出 现 的 峰 均 为 的特征峰表明 成功接枝到硅氧烷碲化镉粒子表面图 为聚氨酯预聚体和聚氨酯硅氧烷碲化镉复合物的 光谱图图 预聚体和聚氨酯硅氧烷碲化镉复合物红外谱图图 中预聚体样品在 处的峰属于未反应的 基团这个位置的峰在聚氨酯硅氧烷碲化镉复合物的光谱中则完全消失表明预聚体经扩链后已经反应完全不再存在 基团 个样品的光谱均在 附近有峰该峰是氨基甲酸酯基团上的强伸缩振动峰但在预聚体出峰位置为 附近而聚氨酯复合物出峰位置为 附 近 这 是 因 为 预 聚 体 中 的 与反应后生成了大量的脲键导致整体出峰位置向低波数方向移动进一步证实在水溶液中氨基硅氧烷碲化镉上的与预聚体中的 端基反应生成了脲羰基结果与文献一致.氨基改性硅氧烷碲化镉粒径分析图 和图 分别为氨基改性硅氧烷碲化镉粒子的透射电子显微镜照片及粒径分布图图 氨基改性硅氧烷碲化镉的透射电镜照片图 氨基改性硅氧烷碲化镉粒径分布由图 和图 可知碲化镉在经过 形成的硅氧烷网络包覆及 的接枝改性后复合物粒子呈现微球状粒径范围 分布较窄说明粒子在水溶液或 溶液分散良好未发生大规模团聚 结果表明硅氧烷在包裹碲化镉过程中复合物颗粒生长态势良好无影响包覆过程的副反应发生这为其在工业上的应用奠定了基础.及 硅氧烷碲化镉复合物热失重辐射涂料长期处于高温和热交换的状态为了研究无机物微粒的引入对有机物粘合剂耐热性的影第 期 李天成等水性聚氨酯粘合剂的制备及其辐射降温涂料的应用研究响采用 对表 中 个不同无机物含量的样品进行热稳定性分析结果见图 图 聚氨酯和聚氨酯硅氧烷碲化镉复合物的 曲线图 可以看出纯 样品在温度 的范围内发生第一阶段的轻微重量损失主要是因聚氨酯内部残余水分蒸发和低聚物分解造成第二、三阶段的 、区间主要发生聚氨酯硬段和软段的分解 随着无机物的引入和 样品在第一阶段温度范围的耐热性应有所提升但实际分解温度并未明显提高原因可能是无机微粒表面积大、极性高吸附了大量的水分子在第一阶段范围内水分子挥发带来的重量损失抵消了无机颗粒的加入对样品高温下重量保持的能力第二阶段和 样品的分解温度明显提高达到 较 样品提升了约 其中 样品由于无机物颗粒的比例更高其质量保留率也始终高于样品在第三阶段 之前和 样品的质量保留率也始终高于 样品 无机物颗粒的引入一方面通过和 之间的反应与聚氨酯预聚体主链形成了共价键限制了有机物链段在高温下的移动另一方面无机粒子表层的高极性也极大增加了有机相和无机相之间氢键等非共价键的形成进一步限制有机物链段的移动.力学性能分析对有机无机复合物硅氧烷碲化镉颗粒质量分数分别为、和 的乳液及其成膜物测试力学性能结果见表 表 乳液黏度及成膜物的力学性能样品乳液黏度/()拉伸强度/.伸长率/邵 硬度 由表 可知与 纯聚氨酯乳液相比和 乳液黏度随着复合物颗粒含量的增加而增大这是由于一方面微粒表面大量的氨基起到交联剂的作用将线型聚氨酯预聚体交联成网状结构另一方面微粒表层含有大量的水合羟基和硅羟基这些都可与聚氨酯软硬段间形成大量的氢键从而在宏观上增加了乳液的黏度另外成膜物的邵 硬度、拉伸强度和断裂伸长率均随无机物含量的增加而增大邵 硬度和拉伸强度的增加可认为是成膜物交联度的增加、氢键密度的增加及无机物含量增加共同作用的结果断裂伸长率的增加则可解释为氢键密度的剧增使得聚氨酯软硬段之间形成了模糊界面层 模糊界面层是软段与硬段之间的过渡层既能有效分离软硬段又能在软硬段间形成强烈的非共价键吸引力从而使得材料的拉伸强度和断裂伸长率增加这与文献的研究结果一致为日后设计开发兼具力学强度和柔韧性的材料提供了思路.辐射涂料辐射和降温效果采用 乳液粘合剂配制辐射涂料涂刷至钢板表面 固化并与无涂层钢板进行降温和辐射性能对比降温性能测试方法为在 的环境温度下将 片钢板加热至 关闭热源记录钢板从 降至 的时间结果见图 图 钢板的辐射降温时间对比图由图 可知粘合剂配制的热辐射涂料样品的降温时间为 、和 说明碲化镉的引入对提升辐射降温效果明显另外无涂层钢板降温时间为 同无涂层钢板相比时间缩短超过 散热功率提升约 热辐射性能测试方法为在恒定温度为 台面上同时放置两片规格相同的钢板其中左边一片聚氨酯工业 第 卷涂覆由 粘合剂配制的热辐射涂料的钢板右边为无涂层钢板 使用热成像仪观察两片钢板红外辐射效果红外成像照片见图 图 无/有热辐射涂层的钢板的红外热成像图 结果显示粘合剂涂层的钢板热辐射性能远高于未喷涂钢板 结论()氨基酸性硅氧烷碲化镉复合物粒子的结构为微球状尺寸均一且分布较窄在溶液中无团聚现象发生()无机复合物粒子的引入明显提高水性聚氨酯成膜物的耐热性和力学性能()采用氨基硅氧烷碲化镉复合水性聚氨酯粘合剂制备水性辐射涂料其涂层均具有良好的降温和辐射性能且降温性能随涂层中碲化镉含量的增加而提升参 考 文 献 王海默倪远张星等.干式空心电抗器引流双导线发热分析及改造建议.电工电气:.高剑钟卓颖阳韬等.垂直双分裂导线粘连机理及防护措施研究.电力科学与技术学报():.刘刚李炀陈垣等.架空导线径向温差对弧垂计算的影响.华南理工大学学报:自然科学版():.许凯翔杨建军.功能型水性聚氨酯建筑涂料的研究现状和最新进展.聚氨酯工业():.赵贺张剑白浩等.铝酸镧基低膨胀高发射率红外辐射涂料的制备与性能.工业炉():.赵丽英刘平安曾凡聪.红外辐射节能涂料制备与性能研究.高校化学工程学报():.樊河雲刘功国秦杰等.红外辐射涂料及其制备方法:中国.冯晓东陈文超.碲化镉太阳能电池的研究进展.南京工业大学学报:自然科学版():.曹淑红樊子源张肖璐等.铁铬系高温红外辐射涂料的制备及性能.复合材料学报():.王宁王平华刘春华.氧化石墨烯改性磺酸型水性聚氨酯的制备与性能研究.聚氨酯工业():.:.:.收稿日期 修回日期 (.):.:作者简介 李天成 男 年出生 工程师主要从事输电线路运维工作第 期 李天成等水性聚氨酯粘合剂的制备及其辐射降温涂料的应用研究