水性环氧耐核辐射涂料的制备

   日期:2021-08-16     浏览:131    
核心提示:耐核辐射涂料具有抗辐射和吸收辐射性能,主要用于核反应堆、核电站、同位素实验室和其他容易受放射性污染的建筑、装置和设备的内
耐核辐射涂料具有抗辐射和吸收辐射性能,主要用于核反应堆、核电站、同位素实验室和其他容易受放射性污染的建筑、装置和设备的内外表面保护,要求具有高抗辐射和易去污、耐腐蚀性能及其他特殊化学性能,并且能够吸收辐射,以便保护放射源周围的环境。据美国研究表明,胺固化的环氧树脂特别适合用作抗γ辐射的涂料。目前,市场上所用耐核辐射涂料绝大部分为溶剂型,在生产和施工时,溶剂的挥发不仅造成不可再生石油资源的浪费,而且污染环境。因此,开发环境友好型耐核辐射涂料具有重大的现实意义。本研究以水性环氧树脂-水性胺乳液为主要成膜物质,钛酸钾晶须为主要防核辐射填料,制备性能优异且环保的水性环氧耐核辐射涂料,经过8.5×105 GY(累积剂量)辐照后漆膜完好,附着力良好,同时具有极佳的去污性能,可广泛运用于核电站中的地面、墙壁和安全壳等部位的表面保护。

1 实验部分
1.1 主要原材料及检测仪器
间二甲苯二胺、端环氧基聚醚、缩水甘油醚、环氧树脂均为进口;云母粉、滑石粉、钛酸钾晶须均为国产;各种助剂、溶剂均为进口。
拉拔仪DeFelsko PosiTest AT,美国;湿热老化测试箱,宏展仪器,LP-225,江苏;扫描电镜PHILIPS,XL-30,Japan测试前用LDM150D型喷金仪喷金;气相色谱仪PerkinElmer Clarus580GC,美国。
1.2 水性环氧固化剂乳液的制备
将二甲苯稀释后的环氧树脂、端环氧基聚醚加入装有回流冷凝管、温度计及搅拌器的500mL四口烧瓶装置中,在机械搅拌下升温至50℃,随后缓慢滴加间二甲苯二胺。将体系温度升至85~90℃下反应3h,再真空蒸馏除去剩余的间二甲苯二胺得环氧—胺加成物,然后用缩水甘油醚与之封端反应2.5h,随后降温至70℃,在高速搅拌状态下,加水使之相反转制得质量固含为60%的水性环氧固化剂乳液。
1.3 水性环氧耐核辐射涂料的配制
将去离子水投入分散缸中,在搅拌状态下依次加入分散剂、消泡剂,中速分散15min,然后加入各种功能性颜填料球磨分散35min,直至细度≤50μm,随后加入固化剂乳液及稀释剂低速搅拌均匀后,过滤,包装。水性环氧耐核辐射涂料配方见表1。

1.4 水性环氧耐核辐射涂料性能指标
研制的水性环氧耐核辐射涂料的综合性能优良,具体指标见表2。

2 结果与讨论
2.1 水性环氧胺固化剂的选择
为了提高漆膜耐辐照性能及去污性能,实验中选择的固化剂与环氧树脂固化交联之后形成的漆膜致密性、耐水性、耐洗刷性、耐温性和防腐等性能均应兼顾。而环氧改性芳香胺固化剂乳液中,固化剂分子含有环氧链节,能更好的乳化环氧树脂,同时分子中含苯环刚性结构单元,耐化学品性能优良、耐高温性能好、经核辐射后降解不明显。
2.2 颜料体积浓度、颜基比对涂膜性能的影响
在涂料配方中颜填料体积浓度对漆膜的终性能有很大的影响。当涂膜的PVC< CPVC 时,颜料完全被基料包裹,颜料颗粒之间也被基料隔离和填充,涂膜的连续性及封闭性都很好;而当PVC=CPVC 时,涂膜刚能维持连续的状态;但当PVC>CPVC时,因颜料过多,基料不足涂膜中有空隙,不能很好的起保护作用,从而影响涂膜的终性能。如图1是不同PVC对漆膜表干、实干时间的影响;图2是不同PVC∶CPVC比值下漆膜的SEM 电镜图片。


从图1可以看出,随着PVC的增大,漆膜的表干、实干时间明显缩短。漆膜的表干、实干时间过短不但影响漆料的施工,漆膜分子之间的交联固化时间不够也会造成性能下降。而漆膜的表干、实干时间过长会影响施工进度。从图2可知,当PVC< CPVC时,树脂完全包裹填料并有剩余空隙,漆膜的去污性能较差;PVC>CPVC时,树脂量过少无法完全包覆填料,漆膜的致密性不够好则耐水性不佳;PVC∶CPVC=1.1∶1时树脂与漆膜有良好的连续状态,此时漆膜的致密性、去污性、耐水性好。
2.3 颜填料的选择
颜填料在耐辐射涂料中起重要作用,对涂层的耐辐射性、去污性、耐蚀性均有很大的影响。可用于耐核辐射涂料的元素有钛、铅、铬、钙、镁和硅等。涂料中耐辐射颜填料可供选择有二氧化钛、石墨、氧化铬、钡盐、滑石粉、云母粉和高岭土等。一般情况下,颜填料会使涂层的去污性能下降,若在涂料中加入适量的钛酸钾晶须、氧化铬和滑石粉等,会保证涂层的去污性能,增加抗辐射能力。
体质填料的选择:云母粉及滑石粉均为片状结构,在涂料中可以有效地阻缓水分及其他腐蚀介质到达基材发生腐蚀,从而提高漆膜的耐水性和防腐性能。
功能填料的筛选:根据不同的金属元素能吸收不同能量的射线,从而筛选含有不同金属元素的填料进行复配,形成能量吸收梯队,使之能有效的吸收和削弱高强射线。在此基础上添加对反应堆中铯强辐射物质有很强稳定性的填料———钛酸钾晶须,以提高涂层的抗辐射性能。钛酸钾晶须是无机大分子化合物,具有优良的化学稳定性,能延长涂层的使用寿命,并能显著提高涂层的耐热性,钛酸钾晶须本身不吸收微波和射线,在辐射下特别稳定,能提高涂层耐辐射的稳定性[3]。另外,钛酸钾晶须有一定的遮盖力,添加后可替代二氧化钛颜料,降低成本,用量对漆膜的附着力及去污性能有一定的影响。实验结果见表3。从表3可知,配方体系中随钛酸钾晶须用量的增加,漆膜的去污能力逐渐增强,从70%增加到86%,但当其用量超过15%时,漆膜去污能力和与混泥土的附着开始下降,从而将钛酸钾晶须量控制在15%左右,漆膜综合性能佳,其去污率达86%,与混凝土基材的拉拔附着力可达4.5MPa。

2.4 助溶剂的选择
选用溶剂主要考虑其溶解力和挥发速率。对于溶剂的溶解性应是极性相似,溶度参数相近,同时应注意溶剂挥发速度及其反应性等。水性环氧体系助溶剂一般都与水混溶或部分混溶,且有助于树脂在水中稳定分散和溶解。一般多选择环保型的助溶剂,如丙二醇醚类。而助溶剂有亲油和亲水之分,成膜效率、挥发速度也各不相同,从而影响到成膜、流平、润湿(缩边)和干燥速度等。常用的水性环氧涂料的溶剂主要有:乙二醇、丙二醇、己二醇等,水溶性强,有防冻作用,但降低成膜温度的效果较差,而且用量较大;醇醚类(乙二醇、丙二醇和丁二醇醚类),水溶性强,降低成膜温度的效果一般,加量适中,有防冻作用。
  通过对储存稳定性、分散性、稀释性、环保和漆膜成膜性等综合考虑,后选择丙二醇甲醚作为助溶剂。
2.5 施工方式的选择
涂料的施工方式主要有刷涂、辊涂、刮涂和喷涂等。刷涂施工简便,节省涂料,对边角、机器设备底座等特殊位置和狭窄区域容易施工。辊涂对施工环境污染小,涂料利用率高,浪费少。刮涂一般用于比较厚的涂层施工。喷涂可获得平整、光滑、美观的高质量漆膜,但涂料利用率低,浪费大。耐核辐射涂料根据不同的环境使用要求可以选择不同的涂装方式,通过对不同涂装方式的试验如表4,从表4可知,选择不同的施工方式对混凝土及钢材均具有较好的附着力。

3 结语
采用环氧改性芳香胺做固化剂,同时选用功能性填料钛酸钾晶须制得性能优良且环保的水性环氧耐核辐射涂料,能满足不同的涂装要求,经8.5×105 GY(累积剂量)辐照后漆膜完好,附着力较优,还具有较佳的去污性能可达86%,可作核电站、同位素试验室和其他容易受放射性污染的建筑、装置和设备的内外表面保护涂料。
 









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