CN104893451B

CN104893451B - 一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料及其制备方法

Info

Publication number: CN104893451B
Application number: CN201510316428.1A
Authority: CN
Inventors: 朱志平; 代陈林; 银朝晖; 柳森
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: CN104893451A

Abstract

本发明公开了一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料及其制备方法，按重量百分含量计，该涂料由以下组分组成：四氟氯乙烯‑乙烯基醚聚合物35%~70%、固化剂5.5%~12%、硅烷偶联剂和氟硅烷偶联剂2%~10%、碳化硅15%~30%、纳米复合颗粒1~10%、助剂0.03%~3%、甲基异丁基酮和乙酸丁酯20%~40%、催干剂0.001%~1%；所述纳米复合颗粒为三氧化二铬、氧化锆和气相二氧化硅的混合物；所述助剂为流平剂、消泡剂、分散剂和防沉剂。本发明采用特定的涂料配方，制备的涂层表面平整光滑，附着力达到0级，涂膜硬度达到9H，耐水性达到3000h，耐盐雾性能达到2500h，耐磨性是20碳钢的5倍。

Description

一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于涂料工业，具体地说，本发明涉及一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料。

背景技术

水泵作为一种常见的动力机械，广泛的应用于电力、水立等领域，其运行的稳定性和工作寿命很大程度上取决于其叶片是否可靠。叶轮长时间承受高速气流和液滴的冲击，在汽蚀和疲劳的共同作用下，到一定程度后整个叶轮报废，需及时进行更换。在水泵抗汽蚀磨损表面保护技术中主要有两种：采用金属表面保护和涂层保护。

金属表面保护层使用最多的是焊条堆焊和线材喷涂。利用不锈钢焊条的堆焊法可保证焊层与基体有很高的结合强度，但堆焊法冲淡率大，焊层厚而不匀且加工余量大，对工作基体材料的可焊性要求高。经堆焊法处理的水泵叶片表面，一般在堆焊处未发生汽蚀破坏前，在堆焊点周围又迅速发生新的汽蚀破坏，直至堆焊层底部。线材喷涂所形成的不锈钢雾状颗粒涂层以机械结合为主，不太适用于水泵冲击载荷和抗汽蚀的修复。对于一些大型的水泵工件，如大口径(直径3m以上)轴流泵叶轮室，可以在表面镶嵌一层不锈钢板来增加抗磨蚀能力。但这种方法需将工件送至大型水泵厂专门加工、车削、镶嵌、焊接，费用贵，周期长，非一般泵站所能实施。合金粉末喷涂是在线材喷涂基础上发展起来的。与堆焊法相比，成型美观平整，厚度易于控制，冲淡率小，方法简便，热源易得．加工不受气候、场地的限制。但由于喷涂层是由高速喷射到基体表面、半熔融状态的合金粉末微粒一层一层地有规则地叠加形成的，属于层状结构，其物理特性具有方向性；而且在喷涂过程中，由于每颗粉末微粒均出现凝结、收缩、变形等现象致使在涂层中产生一种内应力，因此，合金粉末喷涂一般只用于汽蚀和磨蚀不太严重的中小型水泵的表面保护。

我国非金属涂层的研究起始于20世纪60、70年代，那时就开始将环氧树脂及其复合物应用于水泵进行抗磨蚀保护。在20世纪80年代又相继开发了复合龙涂层、聚氨酯类涂层、仿陶瓷涂层以及橡胶涂层等非金属涂层。另外有一些用速钛胶、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃等材料制成的非金属涂层，但由于其加工工艺复杂等原因这些涂层使用较少。20世纪90年代，在工业领域还引进了美国DEV—CON修复剂、ARC复合涂料、人造橡胶等高分子聚合物材料。这些非金属涂层材料在泵站恶劣的使用环境下，往往因涂层与金属基体结合能力差以及材料本身硬度不够，很难达到预期的抗汽蚀、磨蚀效果。目前应用最多的是环氧树脂耐磨材料。但未改性的环氧树脂由于交联密度大等原因，其同化物存在脆性大、内应力较大、易开裂、冲击强度低等不足，在一定程度上限制了环氧树脂在工程上的应用。

环氧树脂增韧的经典方法有：通过加入弹性体改性；用具有柔软分子结构的材料改性环氧树脂；合成环氧固化剂等，这些方法在提高环氧树脂韧性的同时．往往会降低固化物的机械模量和耐热性。近来被重点研究的环氧增韧改性技术包括：互穿网络(IPN)结构增韧技术、热敏液晶聚合物(TI，CP)结构增韧技术、无机纳米粒子或高分子弹性纳米粒子改性技术等。

由于无机纳米粒子改性的环氧树脂能有效地将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性结合在一起，因此无机纳米粒子改性环氧树脂的研究日益成为众多研究者关注的焦点。无机纳米粒子增韧改性的环氧树脂技术将会在特种浸渍树脂、塑封树脂、灌封浇注树脂、云母纤维复合材料、电工塑料等绝缘材料产品的研究开发中得到积极的应用。无机纳米粒子增韧的一个关键问题是纳米粒子易团聚，影响其在环氧树脂中的均匀分散。因此，无机纳米粒子的表面改性也是环氧树脂增韧改性研究的重要内容之一。

无机纳米粒子对树脂的增强增韧作用可归结为3个方面：①无机纳米粒子在变形中产生应力集中，引发粒子周围的树脂基体屈服，从而吸收大量变形功，阻碍和钝化银纹在树脂中的扩展，起到防止破坏性开裂的作用；②刚性无机纳米粒子在拉应力作用下的仲长变形很小，导致基体和无机粒子的界面部分脱粘而产生空穴，进而使裂纹钝化，阻碍裂纹扩展成破坏性裂缝而产生增韧作用；③无机纳米粒子表面存在大量的不饱和残键及活性基团，表面活性高，能够与高分子链发生物理或化学交联，而且经有机改性的无机纳米粒子的化学交联作用更为显著，因此导致材料在冲击作用下产生更多微裂纹，吸收更多冲击能。

含氟树脂是目前一种非常热门树脂，因其特有的结构特性，稳定性比所有其他的树脂性能都要好。含氟聚合物与众不同的性质与氟原子的特性密切相关。氟原子位于元素周期表的第VII主族，原子序号为9，核外电子分布ls²2s²2p⁵，氟原子核外电子全部分布在第一、第二层原子轨道上，离原子核比较近，原子核内的9个正电荷牢固地将核外电子吸引在其周围，这就决定了氟原子的原子半径比较小，吸引电子能力强，即电负性大。氟原子与碳原子组成共价键时，由碳原子提供的共享电子也进入第二轨道上，所以C-F键的键长（0.142nm）比C-Cl键长（0.177nm）和一般的C-C键的键长（0.154nm）短很多。C-F键能较大，电负性大，这一特性就决定了含氟高聚合物的化学稳定性高。聚合物中所含氟原子越多，C-F键长越短，键能越大。CH₃F的C-F键长为0.142nm键能为389.3KJ/mol，而CF₄的C-F的键长，键能为543.6KJ/mol。后者比前者的键能大许多，由其组成的含氟高聚物化学稳定性则更高些。含氟高聚物中氟原子的增加，相应的C-C键的键长也随之缩短。全氟烯烃分子中的C-C键的键长0.147nm，比在一般烃分子中的C-C键的键长0.154nm。因此，含氟聚合物分子中的化学键不容易发生断裂，宏观上则表现为其耐腐蚀性、耐化学性及热稳定性。同时氟原子还具有屏蔽效应。一般聚烯烃分子的碳键呈锯齿状，氢原子分布在四条直线上。如果将氢原子换成氟原子，由于氟原子的电负性大，氟原子带有较多负电荷，相邻氟原子之间相斥，使含氟烷烃中的氟原子不在四条线上，使分子键中的C-C键角112º变为107º，而沿着碳键作螺线形分布，中间的一条碳链四周被一系列带负电氟原子包围。由于是对称分布，整个分子是非极性的，又由于氟的极化率小，所以F-C高聚物高度绝缘，在化学上突出地表现在它的高度热稳定性和化学惰性。这种F-C长链上的F的相斥作用，和螺旋状的F-C键，使F-C长链非常容易滑动，表现为耐磨性非常好。

FEVE氟碳树脂涂料与其他树脂涂料相比，具有以下特点。

（1）FEVE氟碳涂料有优异的耐化学药品性能。在常温下，FEVE氟碳树脂涂料耐10%的硫酸、10%的氢氧化钠、10%盐酸的性能皆优于灰铝粉石墨醉酸面漆和丙烯酸聚氨酯面漆。醇酸树脂漆耐酸性较好，但极不耐碱；丙烯酸聚氨酷树脂漆耐碱性稍好，但又不耐酸；只有FEVE氟碳涂料既有良好的耐碱性又有优良的耐酸性。FEVE氟碳涂料与丙烯酸聚氨酯涂料耐SO₂气体的腐蚀性想当，但是耐NO和HCl气体要优于丙烯酸聚氨酯树脂涂料。

（2）FEVE氟碳涂料有良好的抗污性和防粘性。涂膜具有憎水僧油性，可以防止污染物在表面附着，摩擦系数小。

（3）FEVE氟碳涂料还具有优异的综合性能。涂膜柔和和典雅，手感滑爽；涂膜附着力强，对钢材、不锈钢、铝材、无机建材、木材和塑料表面都有很好的附着力；对温度的适应性好；涂膜在0~160℃的范围内皆可以正常使用，能抵御严寒酷暑、干湿交替的环境；阻燃防霉，涂膜不易燃烧，极限氧指数高达95%，阻燃温度高达300℃；涂膜不易被霉菌污染；涂膜硬度和柔韧性均衡，硬度高有良好的力学性能不易划伤，同时柔韧性也相当好；涂膜树脂中的长链分子容易滑动，不会发生断裂，涂膜耐磨性好、抗冲击性能强。交联固化形成的网络状结构，使涂膜的耐水性优异。

FEVE氟碳涂料在耐候性、耐腐蚀性、耐化学药品性、抗粘污性和高装饰方面，具有其它涂料无法比拟的综合优点，因此具有广泛的用途。

针对环氧树脂耐磨性、柔韧性、抗冲击性能比氟碳树脂差的问题，本发明使用能够常温固化的FEVE（四氟乙烯-乙烯基醚聚合物）作为成膜物质，使用碳化硅改性氟碳涂料的耐磨性能，使氟碳涂料具有优异的抗汽蚀耐磨涂料，适宜于水泵上叶轮的保护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有耐磨涂料的技术的陷，提供一种用于水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料及其制备方法，其特征在于：所述涂料为有底漆涂料，按重量百分含量计，该面漆涂料包括以下组分：

四氟乙烯-乙烯基醚聚合物 35~70%

固化剂 5.5~12%

硅烷偶联剂和氟硅烷偶联剂 2~10%

碳化硅 15~30%

纳米复合颗粒 1~10%

助剂 0.03~3%

甲基异丁基酮和乙酸丁酯 20~40%

催干剂 0.001~1%。

其中，所述纳米复合颗粒为纳米三氧化二铬、纳米氧化锆和气相二氧化硅的混合物；所述助剂为流平剂、消泡剂、分散剂和防沉剂；所述催干剂为二月桂酸二丁基锡。

所述四氟乙烯-乙烯基醚聚合物，其四氟乙烯共聚物含量为35~70%之间，固含量≥60%，羟基含量（固体）为55~65mgKOH/g树脂。该四氟乙烯聚合物为四氟乙烯与乙烯基醚的聚合物，科学研究表明四氟乙烯-乙烯基醚的聚合物比四氟乙烯-乙烯基酯聚合物的交替交联度越好，而乙烯基醚基团比乙烯基酯基团更稳定，四氟乙烯-乙烯基醚的聚合物性能更优。所述的偶联剂为硅烷偶联剂A-1140和氟硅烷偶联剂TSL-8233或G502的混合物，偶联剂的加入可以提高涂料的交联密度和附着力，A-1140中的酰氧基由于推电子的诱导效应使硅烷偶联剂中的Si-O的键能增加，稳定性增强，活性近似于氟碳树脂，但是A-1140在涂料中含量越高，涂层发黄越严重。加入氟硅烷偶联剂以减少硅烷偶联剂A-1140的含量。氟硅烷偶联剂不会引起氟碳涂料的变色现象。

优选地，按重量百分含量计，所述涂料还包括15%~30%的碳化硅，碳化硅硬度大，介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，高温下抗氧化，广泛应用于工业材料中，是耐磨涂料中优异的耐磨添加剂，其加入到涂料中，能很大程度上改善涂料的耐磨性能。

优选地，所述涂料还包括1%~10%的纳米复合颗粒，所述纳米复合颗粒为纳米三氧化二铬、纳米氧化锆和气相二氧化硅的的混合物；气相二氧化硅对提高涂料的耐磨性能具有很大的帮助，且气相二氧化硅是一种性能优良的防沉剂，减少了防沉助剂的加入量；纳米二氧化二铬和纳米氧化锆可以填充碳化硅的空隙，有研究表明，当纳米二氧化二铬和纳米氧化锆混合使用时，涂料的硬度更大；二氧化二铬、纳米氧化锆和气相二氧化硅三种纳米物质的重量比例为4:1:8~2:1:8之间。

优选地，所述甲基异丁基酮和乙酸丁酯的质量比为1:5~1:8。

优选地，所述固化剂为HDI三聚体(六亚甲基二异氰酸酯)，NCO含量为19.5±0.3%。HDI三聚体保光性好，硬度高，且分子间不会形成氢键，黏度低，有利于降低溶剂的用量，易于制得高固体份涂料。

优选地，所述流平剂为BYK-310，所述消泡剂为BYK-A530，所述分散剂为BYK-163，所述防沉剂为BYK-431。

本发明还提供了制备上述水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料方法，包括以下两种步骤：

步骤一

(1) 向固化剂中加入部分溶剂，搅拌均匀，得到固化剂体系；

(2) 将碳化硅、纳米复合颗粒、防沉剂、分散剂、偶联剂、剩余溶剂混合，搅拌均匀，超声波粉碎0.5~1h，或研磨0.5~2h，或超声波分散0.5~1h；

(3) 再加入四氟乙烯-乙烯基醚聚合物、消泡剂超声波粉碎0.5~1h，或研磨0.5~2h，或超声波分散0.5~1h；

(4) 再加入流平剂和催干剂，混合均匀，得到涂料体系；

(5) 将步骤(1)的固化剂体系与步骤(4)的涂料体系混合均匀，即得。

步骤二

(1) 向固化剂中加入部分溶剂，搅拌均匀，得到固化剂体系；

(2) 将四氟乙烯-乙烯基醚聚合物、防沉剂、分散剂、偶联剂、剩余溶剂混合，搅拌分散均匀；

(3) 加入纳米复合颗粒、消泡剂，超声波粉碎0.5~1h，或研磨0.5~2h，或超声波分散0.5~1h；

(4) 加入碳化硅、流平剂和催干剂，超声波粉碎0.5~1h，或研磨0.5~2h，或超声波分散0.5~1h，得到涂料体系；

本发明还提供了水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料，所述涂料包括面漆和底漆，所述面漆为上述水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料，所述底漆按重量百分含量计，由以下组分组成：

环氧树脂 25%~50%

固化剂 15%~40%

丙酮 15%~30%

偶联剂 0.1%~1%

有机膨润土 2%~15%。

优选地，所述环氧树脂为E-44，环氧当量为210-240g/eq；所述固化剂由T31改性改性脂肪胺和聚酰胺组成，所述改性胺T31和聚酰胺的质量比为2~3:1；所述偶联剂为KH550；所述膨润土为BK-886。

与现有技术相比，本发明的水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料具有以下的性能。

1、本发明采用特定的涂料配方，通过碳化硅和纳米颗粒想共同作用，涂膜的耐磨性能达到国标要求。

2、本发明的涂料涂膜流平性好，表面光滑；耐化学品性能好，具备重防腐性能。

3、本发明的有底漆涂料，其底漆的附着力好，底漆与面漆之间的附着力强；涂膜的硬度高。

具体实施方式

下面通过实施例进一步详细描述本发明的实施方案，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1 水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料(有底漆)

面漆

四氟乙烯-乙烯基醚聚合物 80kg

HDI三聚体(固化剂) 12kg

氟硅偶联剂： 5kg

硅烷偶联剂 2kg

碳化硅 35kg

气相二氧化硅 5.33kg

纳米三氧化二铬 2kg

纳米氧化锆 0.67kg

流平剂BYK-310(助剂) 0.2kg

消泡剂BYK-A530 (助剂) 0.2kg

分散剂BYK-163 (助剂) 0.2kg

防沉剂BYK-431（助剂） 0.2kg

乙酸丁酯:MIBK=6:1(溶剂) 65kg

二月桂酸二丁基锡(催化剂) 0.1kg

底漆

E-44(环氧树脂) 100kg

改性胺：聚酰胺=2:5(固化剂) 70kg

KH550(偶联剂) 1kg

BK-886(膨润土) 20kg

丙酮 60kg

实施例1的涂料的制备方法为：

(1)将KH550加入E-44中，搅拌均匀；

(2)将BK-886与丙酮混匀，加入步骤（1）的体系中，搅拌均匀，然后再加入聚酰胺，改性胺，混匀，涂装；

(3) 向固化剂中加入部分溶剂，搅拌均匀，得到固化剂体系；

(4) 将碳化硅、纳米复合颗粒、防沉剂、分散剂、偶联剂、剩余溶剂混合，搅拌均匀，研磨1.5h，；

(5) 再加入四氟乙烯-乙烯基醚聚合物、消泡剂研磨1.5h；

(6) 再加入流平剂和催干剂，混合均匀，得到涂料体系；

(7) 将步骤(3)的固化剂体系与步骤(6)的涂料体系混合均匀，喷涂在步骤（2）的底漆上。

制备的涂层表面平整光滑，附着力、涂膜硬度、耐水性、耐盐雾性、耐磨性均好。

实施例2 水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料(有底漆)

面漆：

四氟乙烯-乙烯基醚聚合物 200kg

HDI三聚体(固化剂) 35kg

氟硅偶联剂： 25kg

硅烷偶联剂 10kg

碳化硅 110

气相二氧化硅 16.67kg

纳米三氧化二铬 5.21kg

纳米氧化锆 2.10kg

流平剂BYK-310(助剂) 0.6kg

消泡剂BYK-A530 (助剂) 0.6kg

分散剂BYK-163 (助剂) 0.6kg

防沉剂BYK-431（助剂） 0.6kg

乙酸丁酯:MIBK=6:1(溶剂) 180kg

二月桂酸二丁基锡(催化剂) 0.5kg

底漆：

E-44(环氧树脂) 250kg

改性胺：聚酰胺=2:5(固化剂) 100kg

KH550(偶联剂) 2kg

BK-886(膨润土) 40kg

丙酮 150kg。

实施例2的涂料的制备方法为：

(1)将KH550加入E-44中，搅拌均匀；

(3) 向固化剂中加入部分溶剂，搅拌均匀，得到固化剂体系；

(4) 将四氟乙烯-乙烯基醚聚合物、防沉剂、分散剂、偶联剂、剩余溶剂混合，搅拌分散均匀；

(5) 加入纳米复合颗粒、消泡剂，超声波粉碎1h；

(6) 加入碳化硅、流平剂和催干剂，超声波粉碎1h；

以上是针对本发明的可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

本发明公开了一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料及其制备方法，按重量百分含量计，该涂料由以下组分组成：四氟氯乙烯-乙烯基醚聚合物35%~70%、固化剂5.5%~12%、硅烷偶联剂和氟硅烷偶联剂2%~10%、碳化硅15%~30%、纳米复合颗粒1~10%、助剂0.03%~3%、甲基异丁基酮和乙酸丁酯20%~40%、催干剂0.001%~1%；所述纳米复合颗粒为三氧化二铬、氧化锆和气相二氧化硅的混合物；所述助剂为流平剂、消泡剂、分散剂和防沉剂。本发明采用特定的涂料配方，制备的涂层表面平整光滑，附着力达到0级，涂膜硬度达到9H，耐水性达到3000h，耐盐雾性能达到2500h，耐磨性是20碳钢的5倍。

Claims

1.一种水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料，其特征在于：所述涂料为有底漆涂料，该耐磨涂料包括以下组分，按重量百分含量计，各组分的百分含量之和为100％：

所述助剂为流平剂、消泡剂、分散剂和防沉剂；按重量百分含量计，所述纳米复合颗粒为纳米三氧化二铬、纳米氧化锆和气相二氧化硅的的混合物，其重量比例为4:1：8～2:1:8之间；所述甲基异丁基酮和乙酸丁酯的质量比为1:5～1:8。

2.根据权利要求1所述的水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料，其特征在于，所述流平剂为BYK-310，所述消泡剂为BYK-A530，所述分散剂为BYK-163，所述防沉剂为BYK-431。

3.一种制备权利要求1所述的水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，制备固化剂体系，即向固化剂中加入部分溶剂，搅拌均匀；第二步制备涂料体系，即将碳化硅、纳米复合颗粒、防沉剂、分散剂、偶联剂、剩余溶剂混合，搅拌均匀，超声波粉碎0.5～1h，或研磨0.5～2h，或超声波分散0.5～1h，然后加入四氟乙烯-乙烯基醚聚合物、消泡剂超声波粉碎0.5～1h，或研磨0.5～2h，或超声波分散0.5～1h，最后再加入流平剂和催干剂，混合均匀；第三步，将第一步制备好的固化剂体系和第二步制备好的涂料体系混合均匀，即得。

4.一种制备权利要求1所述的水泵叶轮抗汽蚀耐磨涂料的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步制备固化剂体系，即向固化剂中加入部分溶剂，搅拌均匀；第二步制备涂料体系，即将四氟乙烯-乙烯基醚聚合物、防沉剂、分散剂、偶联剂、剩余溶剂混合，搅拌分散均匀，之后加入纳米复合颗粒、消泡剂，超声波粉碎0.5～1h，或研磨0.5～2h，或超声波分散0.5～1h，再加入碳化硅、流平剂和催干剂，超声波粉碎0.5～1h，或研磨0.5～2h，或超声波分散0.5～1h，得到涂料体系；第三步将第一步制备好的固化剂体系和第二步制备好的涂料体系混合均匀，即得。