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建筑膜材涂层改性及其防紫外性能研究

作　者: 李明亮
导　师: 韩建
学　校: 浙江理工大学
专　业: 纺织工程
关键词: PVC膜材涂层防紫外性能热稳定性能流变性能二次通用旋转组合结构设计法
分类号: TU561.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,由于环境污染加剧,导致臭氧层出现越来越多的大面积空洞,太阳光中大量紫外线透过空洞照射到地球表面,严重影响人类的健康。相应地,防紫外产品的研制与开发已成为急需解决的一个重大课题。本论文根据防紫外机理,以聚氯乙烯糊树脂（PVC）为基体材料,邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）为增塑剂,Ba-Zn为热稳定剂,超微细/超细重质CaCO₃为填充剂,采用溶液共混法制备了具有良好加工性能和较好力学性能的PVC膜材涂层,通过添加纳米SiO₂、纳米TiO₂、纳米ZnO和2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（UV-531）等无机、有机防紫外剂来提高其防紫外性能,并研究在较强紫外光照射下该PVC膜材涂层的白度和抗冲击性能的变化规律。课题首先以PVC膜材涂层所添加的各种助剂为研究对象,研究了增塑剂DINP、热稳定剂Ba-Zn和填充剂CaCO₃对该涂层的热稳定性和流变性能的影响,系统分析了添加不同量助剂时其热稳定性能和流变性能等的变化规律,从而优化了涂层中各种助剂的含量。其次,在优化后的PVC膜材涂层的助剂基础上,通过添加不同量的无机防紫外剂（纳米SiO₂、纳米TiO₂和纳米ZnO）和有机防紫外剂（UV531）,研究其对涂层的防紫外效果,从而对三种无机防紫外剂进行优化,确定最优无机防紫外剂及其含量,同时研究制得的PVC膜材涂层在紫外光照射下其白度和抗冲击强度等变化规律。主要研究如下:（1）PVC涂层的制备及其流变性能研究:采用溶液共混法制备了PVC膜材涂层。由于所制备的PVC涂层必须符合工业所需的粘度等指标标准,故对所制备好的涂层的粘度、熔融指数和流变性能等进行测定,使之符合所需的各种标准。经测定,当DINP含量为30%时,PVC膜材涂层其他助剂小幅波动时具有符合工业标准的粘度,且粘度值随DINP含量的增加逐渐减小,当DINP质量分数为33%时,涂层粘度有较大减少量。熔融指数值随助剂含量的增加变化波动较大,表现为先增大后减小再增大。当DINP质量分数为33%时,熔融指数达到最大值,此时PVC涂层具有较好的加工性能,当DINP质量分数为37%时,涂层的熔融指数值最小,其加工性较差。Ba-Zn含量对粘度和熔融指数影响较大,Ba-Zn质量分数为1.2%时,其粘度值最小,并且其熔融指数较大。PVC膜材涂层中添加两种不同种类的CaCO₃（超微细/超细重质）,测定储能模量、损耗模量、转矩、耗散系数和复数粘度随角频率和CaCO₃质量分数变化规律。结果表明,随角频率的增加,储能模量、损耗模量和转矩均逐渐增大;耗散系数先急剧增加后逐渐减弱;复数粘度先急剧减小后趋于一稳定值。随填充剂CaCO₃质量分数的增加,涂层流变性能变化波动较大。（2）PVC膜材涂层热稳定性及表面形貌研究:在PVC含量和DINP含量相同的条件下,通过改变热稳定剂Ba-Zn的含量,研究其对PVC膜材涂层热稳定性能的影响,结果表明:PVC涂层中添加Ba-Zn可使涂层通过的热流量明显增加,平均增幅在40⁶0J/g,当温度达到283℃时,PVC树脂发生“锌灼”、“锌烧”现象。PVC涂层中添加超微细CaCO₃极易发生团聚现象,采用超声法对超微细CaCO₃/乙醇共混体系进行处理可减小粒子的团聚程度,粒径由4.733μm减至4.137μm,即超声后的超微细CaCO₃粒子的分散均匀性有所提高。（3）PVC膜材涂层防紫外性能研究:PVC膜材涂层中添加无机防紫外剂（纳米SiO₂、纳米TiO₂和纳米ZnO）和有机防紫外剂（UV-531）均可增加涂层的防紫外性能,比较而言,涂层中添加无机防紫外剂时防紫外效果比添加有机防紫外剂时稍差,但稳定性较好;涂层中添加有机防紫外剂时,防紫外效果较好,但是其稳定性较差,有机粒子容易凸现在涂层表面,受水、热、紫外光等作用时部分粒子容易脱落,造成涂层防紫外效果逐渐变差。PVC涂层中添加不同无机防紫外剂（纳米SiO₂、纳米TiO₂和纳米ZnO）时防紫外效果变化较大,由实验可得,涂层中添加纳米SiO₂对其力学性能改善显著。添加纳米TiO₂时,当其质量分数相同时,锐钛矿型纳米TiO₂对其涂层防紫外效果改善最大。（4）紫外光对PVC膜材涂层白度和抗冲击强度的影响:PVC膜材涂层经紫外光照射后会使其白度、抗冲击强度等有所降低。采用二次通用旋转组合结构设计法,以紫外光照射时间、紫外光照射强度和纳米SiO₂含量为三因子,设置水平因子为-1.682、-1、0、1和1.682,对经紫外光照射后PVC膜材的白度、抗冲击强度的变化规律进行研究。结果表明:随紫外光照射时间和照射强度的增加,纳米SiO₂/PVC膜材涂层白度值和抗冲击强度值呈减小趋势,随纳米SiO₂含量的增加,纳米SiO₂/PVC膜材涂层白度值和抗冲击强度值呈增大趋势。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-32
  1.1 引言  12-13
  1.2 防紫外的基本原理  13-16
  1.3 影响膜材防紫外性的因素  16-18
  1.4 防紫外整理剂的研究现状  18-25
  1.5 本课题研究的目的、内容和意义  25-28
  参考文献  28-32
第二章 PVC 膜材涂层制备及其热稳定性、流变性和表面形貌研究  32-49
  2.1 引言  32
  2.2 实验部分  32-34
    2.2.1 实验材料  32
    2.2.2 试样制备  32-33
    2.2.3 实验仪器和方法  33-34
  2.3 结果和讨论  34-46
    2.3.1 PVC 膜材涂层热稳定性能研究  34-38
      2.3.1.1 不同含量DINP 和Ba-Zn 对PVC 涂层粘度和熔融指数影响的研究  34-35
      2.3.1.2 PVC 涂层的傅里叶红外光谱研究  35-36
      2.3.1.3 Ba-Zn 含量对PVC 涂层热稳定性影响的研究  36-37
      2.3.1.4 纳米SiO_2 对PVC 涂层热稳定性影响的研究  37-38
    2.3.2 PVC 膜材涂层流变性能研究  38-43
      2.3.2.1 储能模量随角频率变化规律  38-40
      2.3.2.2 损耗模量随角频率变化规律  40-41
      2.3.2.3 转矩随角频率变化规律  41-42
      2.3.2.4 耗散系数随角频率变化规律  42
      2.3.2.5 复数粘度随角频率变化规律  42-43
    2.3.3 PVC 膜材涂层表面形貌研究  43-46
      2.3.3.1 超微细CaC03 粒径大小测定  43-44
      2.3.3.2 CaC03 在PVC 涂层中的分布  44-46
  2.4 本章小结  46-47
  参考文献  47-49
第三章 PVC 膜材涂层防紫外性能研究  49-61
  3.1 引言  49
  3.2 实验部分  49-51
    3.2.1 实验材料  49-50
    3.2.2 试样制备  50
    3.2.3 实验仪器和方法  50-51
  3.3 结果和讨论  51-59
    3.3.1 纳米SiO_2 和纳米TiO_2 性能表征  51-53
      3.3.1.1 FTIR、XRD 分析硅烷偶联剂对纳米SiO_2结构的影响  51
      3.3.1.2 FTIR、XRD 分析改性剂、粒径对纳米TiO_2 结构的影响  51-53
    3.3.2 无机纳米材料对PVC 涂层防紫外性能和表面形貌的影响  53-56
      3.3.2.1 PVC 涂层中添加三种纳米SiO_2 后粘度和熔融指数值对比分析  53-54
      3.3.2.2 PVC 涂层中添加纳米SiO_2 后EDS、AFM 分析  54-56
    3.3.3 PVC 涂层中添加不同种类纳米材料后防紫外性能分析  56-59
      3.3.3.1 纳米SiO_2/PVC 膜材涂层防紫外性能研究  56
      3.3.3.2 纳米TiO_2/PVC 膜材涂层防紫外性能研究  56-57
      3.3.3.3 纳米ZnO/PVC 膜材涂层防紫外性能研究  57-58
      3.3.3.4 UV-531/PVC 膜材涂层防紫外性能研究  58-59
  3.4 本章小结  59-60
  参考文献  60-61
第四章紫外光对纳米SiO_2/PVC 膜材涂层白度和抗冲击强度的影响  61-74
  4.1 引言  61-62
  4.2 实验部分  62-63
    4.2.1 实验材料  62
    4.2.2 实验仪器和方法  62-63
  4.3 实验结果与讨论  63-71
    4.3.1 PVC 涂层中添加不同量纳米SiO_2 的粘度和熔融指数值测定  63-64
    4.3.2 因子水平编码表和结构矩阵表  64-66
    4.3.3 建立数学模型及计算回归方程  66-67
    4.3.4 回归方程显著性检验  67
    4.3.5 曲面等高图及结果分析  67-70
    4.3.6 AFM 分析  70-71
  4.4 本章小结  71-73
  参考文献  73-74
第五章结论和展望  74-76
  5.1 结论  74-75
  5.2 展望  75-76
致谢  76

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