单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层研制及其表面保护性能研究

论文摘要

汽车底盘涂层的抗石击磨损、防锈保护对于提高汽车使用寿命、减少材料损失、节能降噪意义重大。针对我国车辆制造中汽车底盘防护问题,系统研究了单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层作为表面保护材料对汽车底盘防护应用的可行性和技术关键。在深入分析聚氨酯（脲）涂层的特性、汽车车底抗石击、隔声降噪以及防腐蚀等性能要求的基础上,开发出一种适应汽车生产流水线工艺、表面保护性能优异的单组分聚氨酯（脲）弹性体涂料。通过实验室模拟道路环境、大气环境和噪声环境,检测了单组分聚氨酯（脲）弹性体涂层抗石击磨损性能、隔声降噪性能和防腐蚀性能。检测结果表明：单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层具有优异的抗石击性能和明显地隔声降噪效果,是一种性能优良的防腐蚀材料。通过对单组份聚氨酯（脲）涂层材料表面形貌分析、动态力学性能分析、阻尼性能分析以及电化学交流阻抗谱分析,探讨了该涂层材料抗石击、隔声降噪以及防腐蚀的机理,为该涂层材料在表面保护领域进一步推广应用提供科学方法及理论依据。并实现了单组份聚氨酯（脲）弹性体涂料涂层在汽车车底表面保护领域的首次应用。主要研究内容和结论如下：1、采用聚醚多元醇GMN3050A、GE220A与液化MDI合成了MDI预聚体,首次采用丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯、3,5一二甲基吡唑对液化MDI预聚体的端-NCO基团进行复合封闭,制备出复合封端异氰酸酯预聚体封闭物；通过正交试验优化MDI预聚体及其相应的封闭物的合成反应工艺。利用红外光谱表征了复合封端异氰酸酯预聚体封闭物的结构,讨论了反应温度、聚醚多元醇配比、有效NCO值、封闭剂配比对封闭物的粘度以及相应涂膜拉伸强度、断裂伸长率等的影响。试验确定了复合封端异氰酸酯预聚体封闭物的解封温度以及储存稳定性。2、基于复合封端异氰酸酯预聚体封闭物、氨基扩链剂以及低不饱和度聚醚多元醇等主要成膜物质对涂膜性能影响的研究,开发出一种拉伸强度与断裂伸率等性能都优化均衡的新型单组份聚氨酯（脲）（缩写：1KPU（A））弹性体涂料。借助喷涂烘烤成膜,获得聚氨酯（脲）弹性体涂层,系统测试了涂料喷涂烘烤成膜后所获得涂层的各项物理、化学和机械性能。检测数据表明：所制备的单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层各项性能指标全面达到我国国家标准GB/T23446-2009《喷涂聚脲防水涂料》的规定。3、按照IS020567-1-2005标准的要求,测试了新型单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层的抗石击磨损性能,并检测了涂层石击试验后的冲损附着力,结合动态力学性能、热性能、表面磨损形貌分析探讨了该涂层的抗石击磨损机理。试验结果表明：经石击磨损试验后单组份聚氨酯（脲）涂层的表面微观形貌观察无明显的剥落和冲击裂纹,石击失重率仅为汽车漆复合涂层的2.4%,PVC车底涂层的20%,具备优异的抗石击磨损性能,涂层经石击后与金属基材间仍然保持优良的附着力。涂层的动态力学性能测试结果证实：单组份的聚氨酯（脲）弹性体涂层在-50℃到200℃温度范围内,具有较高的阻尼值和刚性,玻璃化温度转变区覆盖涂层的正常使用温度,为涂层获得优良的抗石击性能提供了保证。提出涂层的石击碎落现象是涂层材料在高应力作用下的磨粒磨损行为,其磨损机制为浅层脱落,裂纹起源于材料亚表层接近表层处,并平行于表面扩展；涂层的高拉伸强度、断裂伸长率以及撕裂强度能有效地提高其抗石击性能。4、通过对不同厚度、不同强度和不同密度的单组份聚氨酯（脲）涂层材料计权隔声量的测定与分析,探讨了新型单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层的隔声降噪性能。试验结果表明：该涂层材料的计权隔声量随着涂层厚度、抗压强度和密度的增加而增加；单组份聚氨酯（脲）涂层的隔声规律,遵循声学原理上的“质量效应”和“吻合效应”,该涂层材料具有较高的阻尼损耗系数,其共振频率区域较窄小,吻合频率较高,是一种典型高效的隔声降噪材料,经石击试验后的该涂层材料计权隔音量仍保持在5dB以上,具有较好的隔声降噪效果。5、通过水溶液浸泡、中性盐雾、湿热等试验手段检验单组份聚氨酯（脲）涂层材料的防腐蚀效果,并采用盐酸溶液和氯化钠溶液中的电化学交流阻抗试验,研究新型单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层的耐化学介质性能。试验结果表明：单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层材料具有良好的防腐蚀性能,可为金属基材提供有效地保护。在化学介质浸泡过程中化学介质向涂层内部的渗入,仅仅导致涂层电阻略微下降、电容略微上升。从机理上分析,主要是因为单组份聚氨酯（脲）弹性体涂层一次成膜厚度可达2mm且涂层致密,对钢材水膜的形成起到隔离作用,能有效防止氯离子,氧气、氢气等渗入；其未反应完全的自由胺,可与钢材表面发生化学吸附,使钢铁表面钝化,即便经腐蚀介质长时间浸泡后,少许介质渗入时,钝化层也能进一步抑制腐蚀发生。6、在封端预聚体与涂料开发、性能试验、工艺优化和生产线喷涂试验的基础上,形成汽车车底单组分聚氨酯（脲）弹性体涂层技术,首次实现了单组分聚氨酯（脲）弹性体涂料在车底表面保护的应用。试验结果表明：单组分聚氨酯（脲）弹性体涂料喷涂施工工艺性能、耐过烘烤性能以及与底材的附着力良好,能满足相关的安全环保性能要求。单组分聚氨酯（脲）弹性体车底涂层经受了汽车试验场系列复杂状况的道路试验的破坏性考验,涂层完好无损,耐石击性能和防腐蚀性能优异,对基材附着力良好,涂层无开裂、锈蚀、剥离、脱落等缺陷出现,整车的隔声效果也达到汽车厂相关标准的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚氨酯聚脲弹性体涂料及涂层
• 1.1.1 双组份聚氨酯-脲弹性体涂料
• 1.1.2 单组份聚氨酯-脲弹性体涂料
• 1.2 复合封端异氰酸酯封闭物合成方法及机理研究
• 1.2.1 合成复合封端异氰酸酯封闭物国内外研究状况
• 1.2.2 封闭剂的选择及复合封端的异氰酸酯封闭物结构设计
• 1.2.3 复合封端异氰酸酯封闭物的合成工艺研究
• 1.3 有机聚合物涂层材料表面保护性能机理研究
• 1.3.1 有机聚合物涂层抗冲蚀磨损机理研究
• 1.3.2 有机聚合物涂层减振降噪机理研究
• 1.3.3 有机聚合物涂层防腐蚀机理研究
• 1.4 汽车车底表面保护涂层
• 1.4.1 汽车车底表面保护涂层的研究背景及现实意义
• 1.4.2 汽车车底表面保护涂层的发展现状及存在的问题
• 1.5 本论文拟研究内容和研究目的
• 第二章 复合封端异氰酸酯封闭物的合成
• 2.1 主要原材料
• 2.2 合成的工艺路线
• 2.2.1 预聚体的制备
• 2.2.2 复合封端异氰酸酯预聚体的合成方法
• 2.3 复合封端异氰酸酯预聚体的表征方法
• 2.3.1 异氰酸根含量（NCO值）测定
• 2.3.2 粘度测试
• 2.3.3 红外光谱分析
• 2.4 合成实验结果与讨论
• 2.5 红外光谱分析
• 2.6 复合封端异氰酸酯封闭物的解封试验
• 2.7 复合封端异氰酸酯封闭物的储存稳定性
• 2.8 本章小结
• 第三章 1KPU（A）弹性体涂层研制及常规性能测试与分析
• 3.1 1KPU（A）弹性体涂料的制备
• 3.1.1 主要原材料和试验仪器设备
• 3.1.2 1KPU（A）弹性体涂料制备
• 3.2 1KPU（A）弹性体涂料性能检测
• 3.2.1 主要检测设备和仪器
• 3.2.2 检测方法
• 3.3 1KPU（A）弹性体涂层的制备
• 3.4 1KPU（A）弹性体涂层性能检测
• 3.4.1 主要设备和仪器
• 3.4.2 1KPU（A）弹性体涂层检测方法
• 3.5 1KPU（A）涂料及涂层研制、试验结果与讨论
• 3.5.1 填料对涂料触变性的影响及涂料流动性能检测结果
• 3.5.2 主要成膜物质对涂层弹性体性能的影响
• 3.6 1KPU（A）弹性体涂料配方与涂层常规性能
• 3.7 本章小结
• 第四章 1KPU（A）涂层材料抗石击磨损性能测试及机理研究
• 4.1 测试与表征
• 4.1.1 1KPU（A）涂层的抗石击磨损性能测试方法
• 4.1.2 附着力测试
• 4.1.3 聚合物涂层微观形貌测试
• 4.1.4 聚合物涂层的热性能分析
• 4.2 1KPU（A）涂层材料抗石击磨损测试结果与讨论
• 4.2.1 涂层抗石击磨损性能
• 4.2.2 涂层冲损附着力
• 4.2.3 涂层动态力学性能
• 4.3 1KPU（A）涂层冲击磨损机理研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 1KPU（A）涂层材料隔声降噪性能测试及机理研究
• 5.1 涂层隔声降噪性能测试与分析
• 5.1.1 涂层隔声材料的实验室测试
• 5.1.2 涂层隔声材料的隔声量计算
• 5.1.3 1KPU（A）涂层材料的隔音降噪特性分析
• 5.2 涂层隔声性能的影响因素分析
• 5.2.1 涂层材料的厚度对隔声降噪性能的影响
• 5.2.2 涂层材料的抗压强度对隔声降噪性能的影响
• 5.2.3 涂层材料的密度对隔声降噪性能的影响
• 5.3 涂层隔声降噪性能的机理研究
• 5.4 小结
• 第六章 1KPU（A）涂层材料防腐蚀性能测试及机理研究
• 6.1 试验方法与试验设备
• 6.1.1 水浸渍加速腐蚀试验
• 6.1.2 中性盐雾试验
• 6.1.3 湿热腐蚀试验
• 6.1.4 电化学交流阻抗试验
• 6.1.5 腐蚀程度评价标准
• 6.2 1KPU（A）涂层材料防腐蚀性能测试结果与讨论
• 6.2.1 水浸渍加速腐蚀试验
• 6.2.2 中性盐雾腐蚀试验
• 6.2.3 湿热加速腐蚀试验
• 6.2.4 电化学交流阻抗试验
• 6.3 聚氨酯（脲）涂层材料防腐蚀机理研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 1KPU（A）涂层在汽车车底表面保护领域的应用研究
• 7.1 喷涂工艺性能实验室试验
• 7.1.1 喷涂工艺性能实验室试验方法
• 7.1.2 喷涂工艺性能实验室试验结果
• 7.2 实车喷涂试验
• 7.2.1 预处理
• 7.2.2 喷涂设备与工艺
• 7.2.3 喷涂效果
• 7.3 道路试验
• 7.3.1 路试介绍
• 7.3.2 路试结果
• 7.4 本章小结
• 第八章 主要结论及展望
• 参考文献
• 附录 博士研究生学习期间完成的研究工作及获奖情况
• 致谢