CN102585746A - 金属耐磨修补复合涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属耐磨修补复合涂层材料及其制备方法，包含由硅烷偶联剂、环氧树脂、二异戊基萘、碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而制成的主剂；和由硅烷偶联剂、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而制成的固化剂。通过对无机粉体填充改性环氧树脂涂层性能的优化，制备得到具有优良防腐蚀性和耐磨性的双组份室温固化复合涂层。制备的耐磨涂层对金属具有良好的粘接作用，固化后的涂层具有优异的耐磨性，可应用于液体浆料输送泵的内层及桨叶的防腐耐磨涂层的构建和修复，气体、粉体、液体输送管道的内表面防腐耐磨涂层构建。

Description

金属耐磨修补复合涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性环氧树脂复合涂层材料及其制备方法，特别涉及一种金属耐磨修补复合涂层材料及其制备方法。
背景技术
改性环氧树脂与无机粉体或颗粒复合物涂层，能综合环氧树脂的优良耐腐蚀性和无机粉体或颗粒的优异耐磨性，提高复合物涂层的防腐性和耐磨性等性能。相关产品的研制和开发已成为重防腐耐磨涂层研发的热点之一，在防腐耐磨涂层制造和修复场合获得诸多应用，如液体浆料输送泵的内层及桨叶的防腐耐磨涂层的构建和修复，气体、粉体、液体输送管道的内表面防腐耐磨涂层构建等。
研究表明，环氧树脂具有较高的机械强度，对大多数的基材表面具有较好的粘接性，尤其对金属的附着力强；同时其耐化学药品性和耐油性优异，特别是耐酸碱性非常好；另外，其还容易进行加工改性，诸多优点使其成为防腐涂料中应用的主要树脂品种之一。然而，未改性的环氧树脂，由于本身分子结构刚性大，造成本体材料脆性较大，通常需要进行改性处理，以提高其韧性。有研究者认为，环氧树脂通过环氧结构改性、橡胶改性、填充无机填料等高性能化后可制成防腐涂料。
在众多对环氧树脂改性研究中，无机填料改性环氧树脂而备受关注，如采用无机粉体改性环氧涂层，在无机粉体在环氧树脂粉体中分散良好情况，可获得较好的改性效果，这也成为这一技术的关键之一。而涂层的腐蚀防护直接与所采用的无机粉体材料的性质相关，目前研究主要集中在以TiO2、SiO2、Al2O3、SiC及碳管对环氧涂层的改性。其中SiO2表面活性基团多，能较好地与环氧树脂基体复合，同时还可起到增粘作用。Al2O3粒子的复合改性，能大大提高环氧树脂抗磨损率性，如有研究者发现添加在2％(体积分数)纳米Al2O3粒子时，涂层磨损率可降低30％，而在其他含量时则对磨损率影响不大甚至使磨损率提高。选用碳化硅(SiC)，可以使环氧树脂涂层可以综合其模量高、硬度高、高温强度大、抗蠕变性能好、耐化学腐蚀、抗氧化性能好、热膨胀系数小及高热导率等优异性能，尤其可提高耐磨损性能性。
但是加入的亲水性的无机粒子与亲油性的环氧树脂之间相容性较差，从而影响复合涂层材料各方面的性能。鉴于采用对无机粒子进行表面大分子接枝预处理，如聚丙烯酰胺可改善无机粉体在基体树脂中的分散性。本发明的发明人经过研究发现采用碳化硅颗粒和三氧化二铝粉体作为耐磨材料，以环氧树脂为树脂基体，选用与环氧固化剂具有反应活性的偶联剂，这种偶联剂的一端通过偶联作用接枝于无机粉体表面，起到改善无机粉体在基体中的分散性作用；而偶联剂的另一端则在树脂固化过程中参与反应，通过化学键与环氧树脂基体形成界面作用，从而较好解决界面相容性问题，从而完成了本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属耐磨修补复合涂层材料，其界面相容性好，对金属具有良好的粘接作用，固化后的涂层具有优异的耐磨性。
本发明的另一目的是提供一种金属耐磨修补复合涂层材料的制备方法。
为解决以上技术问题，实现前述的技术效果，本发明采用如下的技术方案：
一种金属耐磨修补复合涂层材料，包含由硅烷偶联剂、环氧树脂、二异戊基萘、碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而成的主剂；和由硅烷偶联剂、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而成的固化剂。
其中，所述的主剂中环氧树脂为双酚A型环氧树脂。更优选地，所述的双酚A型环氧树脂的环氧当量为175-200g/eq。
在一个优选的实施方案中，所述主剂按照重量比组成为：双酚A型环氧树脂10～20份，二异戊基萘1～10份，碳化硅颗粒50～60份，三氧化二铝粉体20～30份，硅烷偶联剂0.1～0.3份，气相白炭黑1～3份。
在一个优选的实施方案中，所述固化剂按照重量比组成为：三乙烯四胺20～30份，N-氨乙基哌嗪10～20份，三氧化二铝粉体40～60份，硅烷偶联剂1～3份，气相白炭黑2～4份。
其中，所述的碳化硅颗粒的粒径小于1.5mm。
其中，所述的三氧化二铝粉体粒度为325～500目。
其中，所述的气相白炭黑粒径小于200nm。
其中，所述的硅烷偶联剂为含环氧基的硅烷偶联剂或含氨基的硅烷偶联剂中的一种。进一步地，所述主剂中优选含环氧基的硅烷偶联剂，而所述固化剂优选含氨基的硅烷偶联剂。
其中，所述金属耐磨修补复合涂层材料固化后对不锈钢的粘接的剪切强度大于10MPa，密度为2.19～2.30g/cm3。
一种前述的金属耐磨修补复合涂层材料的制备方法，包括1)将硅烷偶联剂加入环氧树脂中和二异戊基萘制成均匀的溶液，依次将耐磨碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑加入到溶液中，然后搅拌混合，混合10-30分钟后制得主剂的步骤；2)将硅烷偶联剂加入三乙烯四胺和N-氨乙基哌嗪中制成均匀的溶液，然后将三氧化二铝粉体和气相白炭黑依次加入其中，然后高速分散混合，混合10～20分钟制得固化剂的步骤；3)使用时将主剂组份和固化剂组份按一定重量比混合均匀，固化后即为耐磨涂层。
其中，使用时将主剂组份和固化剂组份混合均匀重量比为5～15∶1。
有益效果
本发明的金属耐磨修补复合涂层材料制备条件简单，可以在任何满足所述条件的具有良好分散和混合效果的装置中进行。
本发明采用碳化硅颗粒和三氧化二铝粉体作为耐磨材料，以环氧树脂为树脂基体，选用与环氧固化剂具有反应活性的偶联剂，这种偶联剂的一端通过偶联作用接枝于无机粉体表面，起到改善无机粉体在基体中的分散性作用；而偶联剂另一端则在树脂固化过程中参与反应，通过化学键与环氧树脂基体形成界面作用，从而较好解决界面相容性问题，从而提高复合涂层的力学性能，如剪切强度、抗冲韧性等。
本发明采用碳化硅颗粒和三氧化二铝粉体作为耐磨材料，对金属具有良好的粘接作用，固化后的涂层具有优异的耐磨性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
将硅烷偶联剂加入环氧树脂和二异戊基萘中制成均匀的溶液，依次将耐磨碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑加入到溶液中，然后搅拌混合，比如用双行星搅拌器进行混合但不限于此，混合10-30分钟后制得主剂；将硅烷偶联剂加入三乙烯四胺和N-氨乙基哌嗪中制成均匀的溶液，然后将三氧化二铝粉体和气相白炭黑依次加入其中，然后高速分散混合，比如用高速分散机进行分散混合但不限于此，混合10-20分钟制得固化剂。使用时，将主剂组份和固化剂组份按5～15∶1重量比混合均匀，固化后即为耐磨涂层。
本发明的金属耐磨修补复合涂层材料，按照ASTM D1002或GB/T7124-1986的所述方法测定涂层粘接不绣钢拉伸剪切强度；用浆液浓度60％(固体含量约1.3kg/L)的粒径100～200目的砂粒浆液，喷射角度90°；喷砂水流平均速度18m/s，喷射试样片，在一段时间后，测量试样片被磨损的深度，根据被磨损深度表征涂层的耐磨性能。
实施例1
在容量为2L的双行星搅拌釜中，投入200.00g双酚A型环氧树脂和二异戊基萘28.64g，搅拌混合均匀后加入3.30g硅烷偶联剂，继续搅拌形成均匀的溶液，然后依次将788.60g耐磨碳化硅颗粒、259.92g三氧化二铝粉体和29.00g气相白炭黑加入到溶液中，然后用双行星搅拌器进行混合，混合10-30分钟后制得主剂；在高速分散釜中，将20.16g三乙烯四胺和24.26g N-氨乙基哌嗪中搅拌制成均匀的混合溶液，然后将3.30g硅烷偶联剂加入并继续搅拌得到均匀的溶液，然后将79.40g三氧化二铝粉体和3.82g气相白炭黑依次加入其中，高速分散进行分散混合10～20分钟制得固化剂。使用时，将树脂组份和固化剂组份按一定重量比10∶1混合均匀，固化后即为耐磨涂层，涂层密度为2.28g/cm3。
按照ASTM D1002或GB/T7124-1986的所述方法测定涂层粘接不绣钢拉伸剪切强度，剪切强度11.5MPa；用浆液浓度60％(固体含量约1.3kg/L)的粒径100～200目的砂粒浆液，喷射角度90°；喷砂水流平均速度18m/s，喷射试样片，喷射5小时，测量试样片被磨损的深度0.15mm。作为对比，采用同样方法测试3mm的304不锈钢板的耐磨性，喷射2小时，不锈钢板被磨穿。
实施例2
在容量为2L的双行星搅拌釜中，投入200.00g双酚A型环氧树脂和二异戊基萘57.28g，搅拌混合均匀后加入2.48g硅烷偶联剂，继续搅拌形成均匀的溶液，然后依次将700.00g耐磨碳化硅颗粒、285.91g三氧化二铝粉体和29.00g气相白炭黑加入到溶液中，然后用双行星搅拌器进行混合，混合10～30分钟后制得主剂；在高速分散釜中，将24.16g三乙烯四胺和20.26g N-氨乙基哌嗪中搅拌制成均匀的混合溶液，然后将2.48g硅烷偶联剂加入并继续搅拌得到均匀的溶液，然后将60.00g三氧化二铝粉体和3.82g气相白炭黑依次加入其中，高速分散进行分散混合10～20分钟制得固化剂。使用时，将树脂组份和固化剂组份按一定重量比11.5∶1混合均匀，固化后即为耐磨涂层，涂层密度为2.26g/cm3。
按照ASTM D1002或GB/T7124-1986的所述方法测定涂层粘接不绣钢拉伸剪切强度，剪切强度11.9MPa；用浆液浓度60％(固体含量约1.3kg/L)的粒径100～200目的砂粒浆液，喷射角度90°；喷砂水流平均速度18m/s，喷射试样片，喷射5小时，测量试样片被磨损的深度0.17mm。作为对比，采用同样方法测试304不锈钢板的耐磨性，喷射2小时，3mm不锈钢板被磨穿。
实施例3
在容量为2L的双行星搅拌釜中，投入200.00g双酚A型环氧树脂和二异戊基萘30.80g，搅拌混合均匀后加入3.50g硅烷偶联剂，继续搅拌形成均匀的溶液，然后依次将600.00g耐磨碳化硅颗粒、355.00g三氧化二铝粉体和20.00g气相白炭黑加入到溶液中，然后用双行星搅拌器进行混合，混合10～30分钟后制得主剂；在高速分散釜中，将34.16g三乙烯四胺和10.26g N-氨乙基哌嗪中搅拌制成均匀的混合溶液，然后将3.30g硅烷偶联剂加入并继续搅拌得到均匀的溶液，然后将79.40g三氧化二铝粉体和3.82g气相白炭黑依次加入其中，高速分散进行分散混合10～20分钟制得固化剂。使用时，将树脂组份和固化剂组份按一定重量比9.22∶1混合均匀，固化后即为耐磨涂层，涂层密度为2.23g/cm3。
按照ASTM D1002或GB/T7124-1986的所述方法测定涂层粘接不绣钢拉伸剪切强度，剪切强度12.1MPa；用浆液浓度60％(固体含量约1.3kg/L)的粒径100～200目的砂粒浆液，喷射角度90°；喷砂水流平均速度18m/s，喷射试样片，喷射5小时，测量试样片被磨损的深度0.18mm。作为对比，采用同样方法测试304不锈钢板的耐磨性，喷射2小时，3mm不锈钢板被磨穿。
实施例4
在容量为2L的双行星搅拌釜中，投入200.00g双酚A型环氧树脂和二异戊基萘40.90g，搅拌混合均匀后加入2.00g硅烷偶联剂，继续搅拌形成均匀的溶液，然后依次将650.00g耐磨碳化硅颗粒、240.00g三氧化二铝粉体和29.00g气相白炭黑加入到溶液中，然后用双行星搅拌器进行混合，混合10～30分钟后制得主剂；在高速分散釜中，将30.00g三乙烯四胺和14.42g N-氨乙基哌嗪中搅拌制成均匀的混合溶液，然后将2.00g硅烷偶联剂加入并继续搅拌得到均匀的溶液，然后将60.00g三氧化二铝粉体和3.82g气相白炭黑依次加入其中，高速分散进行分散混合10～20分钟制得固化剂。使用时，将树脂组份和固化剂组份按一定重量比10.53∶1混合均匀，固化后即为耐磨涂层，涂层密度为2.19g/cm3。
按照ASTM D1002或GB/T7124-1986的所述方法测定涂层粘接不绣钢拉伸剪切强度，剪切强度12.5MPa；用浆液浓度60％(固体含量约1.3kg/L)的粒径100～200目的砂粒浆液，喷射角度90°；喷砂水流平均速度18m/s，喷射试样片，喷射5小时，测量试样片被磨损的深度0.20mm。作为对比，采用同样方法测试304不锈钢板的耐磨性，喷射2小时，3mm不锈钢板被磨穿。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.金属耐磨修补复合涂层材料，包含由硅烷偶联剂、环氧树脂、二异戊基萘、碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而制成的主剂；和由硅烷偶联剂、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而制成的固化剂。
2.如权利要求1所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述主剂中的环氧树脂为双酚A型环氧树脂；所述双酚A型环氧树脂的环氧当量为175-200g/eq。
3.如权利要求2所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述主剂按照重量比组成为：双酚A型环氧树脂10～20份，二异戊基萘1～10份，碳化硅颗粒50～60份，三氧化二铝粉体20～30份，硅烷偶联剂0.1～0.3份，气相自炭黑1～3份。
4.如权利要求1所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述固化剂按照重量比组成为：三乙烯四胺20～30份，N-氨乙基哌嗪10～20份，三氧化二铝粉体40～60份，硅烷偶联剂1～3份，气相白炭黑2～4份。
5.如权利要求1或3所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述的碳化硅颗粒的粒径小于1.5mm，所述的气相白炭黑粒径小于200nm。
6.如权利要求1或3或4所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述的三氧化二铝粉体粒度范围为325～500目。
7.如权利要求1或3或4所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述的硅烷偶联剂为含环氧基的硅烷偶联剂或含氨基的硅烷偶联剂中的一种。
8.如权利要求7所述的金属耐磨修补复合涂层材料，其特征在于所述主剂中优选含环氧基的硅烷偶联剂，而所述固化剂优选含氨基的硅烷偶联剂。
9.如权利要求1或3或4所述的金属耐磨修补复合涂层材料的制备方法，包括1)将硅烷偶联剂加入环氧树脂和二异戊基萘中制成均匀的溶液，依次将耐磨碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑加入到溶液中，然后搅拌混合，混合10-30分钟后制得主剂的步骤；2)将硅烷偶联剂加入三乙烯四胺和N-氨乙基哌嗪中制成均匀的溶液，然后将三氧化二铝粉体和气相白炭黑依次加入其中，然后高速分散混合，混合10～20分钟制得固化剂的步骤；3)使用时将主剂组份和固化剂组份按一定重量比混合均匀，固化后即为耐磨涂层。
10.如权利要求9所述的金属耐磨修补复合涂层材料的制备方法，其特征在于使用时将主剂组份和固化剂组份混合均匀为5～15∶1。
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