CN106189687B - 一种减摩耐磨涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减摩耐磨涂层，解决了现有多孔材料作为涂层填料使用不理想的问题；具体是对多孔材料分别进行表面氧化、羟基化，内外油酸接枝及外表面破环氧化、羟基化的改性处理后，使得多孔材料粒子外表面含有羟基亲水基团，而多孔粒子内部仍是亲油的油酸基团，确保润滑油加入到改性多孔材料内部孔道中，而其外表面的羟基亲水基团保证将改性含油多孔材料均匀分散到涂层的乳液中。涂层摩擦，多孔材料内部的润滑油开始释放，起到原位减摩的作用，大大降低磨损率，延长了涂层的使用寿命。

Description

一种减摩耐磨涂层
技术领域
本发明涉及一种用于管道、防腐地坪及高级路面等的耐磨涂层材料。
背景技术
随着我国现代化建设的进行，为满足工业生产和人们日常生活的需要，需要铺设大量的金属管道、防腐地坪以及高级路面。金属管道、防腐地坪以及路面会受到长久的高强度的摩擦，传统商业上通常将微米级无机颗粒填充到树脂中起到耐磨作用，但是添加了微米粒子的涂层一般摩擦系数偏高，从而增加摩擦阻力，从节能与环保角度看，如果涂层摩阻大意味着能耗高、能源浪费。而涂层的耐磨性能差，则寿命短，因此提高涂层的减摩耐磨性能非常重要。
现有的涂层减摩耐磨方式之一是将具有耐磨减摩性能的填料如石墨、陶瓷等加入到树脂中，在树脂与填料的协同作用下，达到减摩耐磨的效果，但是这种方式的减摩耐磨效果非常有限。方式之二是表面涂抹润滑油，通过减小摩擦面的摩擦力来起到减摩作用，但是涂抹润滑油的方式不适合露天环境，经过风吹日晒的气候性作用，润滑油会加速老化，并且污染了与之接触的摩擦面，对于管道、地坪和道路根本无法使用。
对于沸石、分子筛、活性炭、碳纤维、粉煤灰、煤矸石等都是目前工业上大量应用的多孔材料，这些多孔材料价格适宜，来源广，物理化学性质稳定。这些多孔材料在涂层制备时，通常是作为填料简单的混入到涂料中，然而，这些多孔材料比表面积高，所以与树脂的相容性不好，树脂在流动过程中会填充到粒子内部，消耗了大量树脂。另外，粒子分散到溶剂中后，溶剂会灌输到粒子中，在涂层干燥固化过程中，溶剂难以从粒子中挥发完全，残留的溶剂不仅会影响涂层的性能，更有可能在受到高温时引起涂层鼓泡，影响涂层寿命。所以上述多孔材料作为涂层的填料使用是不理想的，更谈不上对涂层起到减摩耐磨的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种减摩耐磨涂层，该涂层中加入了粉煤灰、煤矸石等多孔材料，这些多孔材料的使用不但不会降低涂层的质量、影响涂层的寿命，相反的是，涂层的减摩耐磨性能得到了明显提高，同时涂层的原料成本得到了一定程度的降低。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种减摩耐磨涂层，具体由下述混合液涂覆而成，所述混合液按照重量份数计算，其组成是：
树脂55-90份，
改性含油多孔材料10-30份，
固化剂5-20份，
溶剂40-100份，
所述改性含油多孔材料，按照重量份数计算，由下述组分制备而成，具体制备方法是：
（1）多孔材料表面氧化、羟基化：将过筛250目以上的10-30份多孔材料放入10份盐酸与1-5份双氧水的混合溶液中，搅拌均匀后烘干；
（2）多孔材料粒子内外油酸接枝：将烘干的多孔材料放入装有20-40份乙醇与20-40份油酸的回流釜中，于60-120℃反应8-12个小时，过滤后用乙醇洗涤后烘干；
（3）外表面破环氧化、羟基化：将1-5份双氧水、1-5份磷酸和5-15甲酸混合，然后将油酸接枝的多孔材料倒入上述混合液中，60-90℃搅拌2小时，过滤后将滤饼投入5-15份甲酸中，60-80℃搅拌2小时，过滤烘干；
（4）多孔材料内部充油：将1-20份润滑油倒入经步骤（3）处理后的多孔材料中，均匀搅拌后将混合物放入80-120℃真空干燥箱中加热处理2-4小时，获得改性含油多孔材料；
上述多孔材料可以是活性炭，分子筛，碳纳米管，粉煤灰、煤矸石、介孔氧化钛晶须中的一种或多种的混合。
所述树脂包括环氧树脂、聚氨酯树脂、聚脲树脂中的一种或多种的混合。
所述固化剂为脂肪族多胺。
所述润滑油为矿物油，植物油以及离子液体中的一种或多种的混合。
所述有机溶剂为水，乙醇，乙酸乙酯，二甲基甲酰胺，二甲苯中的一种或多种的混合。
减摩耐磨涂层的制备方法及使用方法：
（1）制备方法：
将改性多孔材料加入溶剂中，超声分散；然后将环氧树脂与固化剂加入上述溶液后均匀搅拌，减摩耐磨涂层用混合液便制备完成；
（2）使用方法：
将混合液采用气泵喷涂或高压喷涂的方法均匀喷涂在基材表面，常温固化或80-200℃加热固化2-12小时后获得减摩耐磨涂层。
本发明减摩耐磨涂层发明效果的原理说明：
（1）多孔材料表面氧化、羟基化：是利用盐酸与双氧水在多孔材料表面获得羟基；
（2）多孔材料粒子内外油酸接枝：是使多孔材料粒子内外表面存在的羟基与油酸的羧基进行接枝反应，经过这样的处理，油酸被接枝到多孔粒子内外表面；
（3）外表面破环氧化、羟基化：因为油酸上的双键可以被氧化破键形成羟基，所以在用双氧水，磷酸和甲酸破环氧化、羟基化时，由于接枝油酸后的多孔粒子具有疏水的特性，所以通过搅拌将多孔材料粒子的外表面与反应液充分接触，使得多孔粒子外部首先进行羟基化反应，而多孔粒子内部并没有进行羟基化反应，通过控制反应时间，获得的多孔粒子外表面含有羟基亲水基团，而多孔粒子内部仍是亲油的油酸基团；
（4）多孔材料内部充油：既然多孔材料粒子经过改性处理后，其外表面含有羟基亲水基团，内部含有亲油的油酸基团，所以多孔材料内部孔道能够储存润滑油；这种含油的多孔材料粒子表面的羟基亲水基团保证其能够均匀的分散在水或溶剂等分散体系中，这样就解决了多孔材料不易分散的问题及润滑油等油性物质不能与水均匀混合共存的问题。
传统的利用表活剂将油与水进行乳化分散的方式，表活剂直接参与到油水乳化分散液中，油的液滴直径大，分散程度低，所以涂层的耐磨性能降低，若是油性溶剂，简单的将润滑油分散到溶剂中，润滑油会在涂层中形成分隔层，不能均匀的分散到涂层中。本专利创新性的将润滑油加入到改性后的多孔材料中，然后将改性含油多孔材料再均匀分散到涂层乳液中，有效避免了上述单独加入润滑油引起涂层机械性能下降的弊端。并且改性含油多孔材料的存在可确保涂层具有减摩耐磨的性能，从而解决现有涂层耐磨性能差以及寿命短、成本高的问题。
发明效果：
1、改性含油多孔材料能够分散到水性溶剂中，成功的实现了非表活剂形式的油水体系稳定共存；
2、改性含油多孔材料携带的润滑油能均匀的分散在涂层各个部位，细小的多孔材料粒子在涂层内形成一个个微笑的润滑单元，所以改性含油多孔材料粒子在作为润滑单元的同时，还能起到传统无机填料的作用，增加涂层的耐磨性能。当摩擦导致摩擦单元暴露于摩擦面上的时候，多孔材料内部的润滑油开始释放，起到原位减摩的作用，这样不仅能降低摩擦面的摩擦系数，保持低的摩擦面温度，还能大大降低磨损率，节能降耗、延长了涂层的使用寿命；
3、涂层制备工艺简单，原料价格低廉、来源广泛。
具体实施方式
下面给出实施例，以对本发明做进一步的详细说明，需要指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，根据上述发明内容对本发明所做的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1：
一：涂层制备：
（1）金属表面预处理：
采用400目的砂纸对金属表面进行快速打磨处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干，留作备用。
（2）改性含油多孔材料制备：
①将5份过筛250目以上的分子筛与5份过筛250目以上的煤矸石放入装有10份盐酸与5份双氧水的混合溶液中，搅拌5小时后过滤烘干；
②将烘干粉末放入装有40份乙醇与20份油酸的回流釜中，80℃反应12个小时，过滤并用乙醇洗涤后烘干；
③将1份双氧水，1份磷酸和5份甲酸混合，将步骤②油酸改性分子筛与煤矸石的混合物倒入上述混合溶液中，60℃搅拌2小时，过滤后将滤饼投入5份甲酸中，60℃搅拌2小时，过滤烘干；
④将1份润滑油倒入上述粉末中，均匀搅拌后放入80℃真空干燥箱中真空加热处理2小时，获得内部含油多孔材料。
（3）涂层制备：将上述改性含油多孔材料与90份环氧树脂E44、20份乙二胺固化剂共同倒入40份二甲基甲酰胺中，搅拌10min后进行喷涂，将已喷涂的涂层在室温下静置24h固化。
二、 涂层的性能测定：
（1）耐磨性能：
①用1000目砂纸对实施例1的涂层进行摩擦实验，在测试压力为10 N（即单位压力为0.5 MPa）的室温条件下进行，经过15000的摩擦实验后，涂层没有露出基底的迹象。
②采用MPX-200型盘销式摩擦磨损试验机双环接触形式考察涂层的摩擦学性能。试验条件：载荷100N，200N，滑动速率2.5m/s。测得样品的摩擦系数为0.33，每小时质量损失0.0005g，与纯环氧涂层（摩擦系数0.65，每小时质量损失0.03g），以及添加相同不含油多孔材料的涂层（摩擦系数0.7，每小时质量损失0.012g）相比，减磨耐磨性能均显著提高。
（2）耐高压性能：
将实施例1涂层置于水溶液中，在150℃、8 MPa水热条件下处理12小时，试验后的涂层表面没有气泡产生，粘附力仍不低于2级标准（GB/T 9286）。此测试表明该涂层具有较好的耐高压性能、水热稳定性好。与纯环氧涂层以及添加相同不含油多孔材料涂层相比，耐高压性能并未降低。
实施例2：
一、涂层制备
（1）金属表面预处理：
采用400目的砂纸对金属表面进行快速打磨处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干。
（2）改性含油多孔材料制备：
①将过筛250目以上的活性炭与粉煤灰各10份放入装有10份盐酸与5份双氧水的混合溶液中，搅拌4小时后过滤烘干；
②将烘干粉末放入装有20份乙醇与40份油酸的回流釜中，60℃反应8个小时，过滤并用乙醇洗涤后烘干备用；
③将5份双氧水，5份磷酸和15份甲酸混合，将烘干的油酸改性粉煤灰与活性炭的混合物倒入上述混合溶液中，60℃搅拌2小时，过滤后将滤饼投入15份甲酸中，60℃搅拌2小时，过滤烘干；
④将20份润滑油倒入上述粉末中，均匀搅拌后放入90℃真空干燥箱中加热处理4小时，得改性含油多孔材料。
（3）涂层的制备：将上述改性含油多孔材料与55份水性环氧树脂、5份酚醛固化剂共同倒入30份水与10份乙醇混合溶剂中，搅拌10min后进行喷涂，加热200℃，2小时固化。
二、涂层性能测定
（1）耐磨性能：
①用1000目砂纸对实施例2涂层进行摩擦实验，在测试压力为10 N（即单位压力为0.5 MPa）的室温条件下进行，经过15000的摩擦实验后，涂层没有露出基底的迹象。
②采用MPX-200型盘销式摩擦磨损试验机双环接触形式考察涂层的摩擦学性能。试验条件：载荷100N，200N，滑动速率2.5m/s。测得样品的摩擦系数为0.36，每小时质量损失0.00045g，与纯环氧样品（摩擦系数0.64，每小时质量损失0.032g），以及添加相同不含油粒子涂层（摩擦系数0.72，每小时质量损失0.015g）相比，减磨耐磨性能均显著提高。
（2）耐高压性能：
将制备的涂层置于水溶液中，在180℃、10 MPa水热条件下处理12小时，试验后的涂层表面没有气泡产生，粘附力仍不低于2级标准（GB/T 9286）。此测试表面该涂层具有较好的耐高压性能、水热稳定性好。与纯环氧涂层以及添加相同不含油多孔材料涂层相比，耐高压性能并未降低。
实施例3：
一、涂层制备
（1）金属表面预处理：
采用400目的砂纸对金属表面进行快速打磨处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；
（2）改性含油多孔材料制备：
①将15份过筛250目以上的活性炭与15份分子筛放入装有10份盐酸与1份双氧水的混合溶液中，搅拌6小时后过滤烘干；
②将烘干粉末放入装有30份乙醇与30份油酸的回流釜中，80℃反应10个小时，过滤并用乙醇洗涤后烘干备用；
③将1份双氧水，5份磷酸和15份甲酸混合，将上述油酸改性的活性炭与分子筛的混合物倒入上述混合液中，60℃搅拌2小时，过滤后将滤饼投入15份甲酸溶液中，60℃搅拌2小时后，过滤烘干；
④将10份润滑油倒入上述粉末中，均匀搅拌后放入100℃真空干燥箱中加热处理3小时，得改性含油多孔材料。
（3）涂层的制备：将上述改性含油多孔材料与20份聚氨酯树脂、70份环氧树脂E51、15份乙二胺固化剂倒入40份二甲苯中，搅拌10min后进行喷涂。加热至80℃，12h固化。
二、耐磨性能测定
（1）用1000目砂纸对实施例3涂层进行摩擦实验，在测试压力为10 N（即单位压力为0.5 MPa）的室温条件下进行，经过15000的摩擦实验后，涂层没有露出基底的迹象。
（2）采用MPX-200型盘销式摩擦磨损试验机双环接触形式考察涂层的摩擦学性能。试验条件：载荷100N，200N，滑动速率2.5m/s。测得样品的摩擦系数为0.32，每小时质量损失0.00038g，与纯环氧样品（摩擦系数0.62，每小时质量损失0.025g），以及添加相同不含油粒子涂层（摩擦系数0.71，每小时质量损失0.011g）相比，减磨耐磨性能均显著提高。
实施例4：
一、涂层的制备
（1）金属表面预处理：
采用400目的砂纸对金属表面进行快速打磨处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干，留作备用。
改性含油多孔材料的制备：
①将5份过筛250目以上的活性炭、10份碳纤维、10份介孔氧化钛晶须放入装有10份盐酸与3份双氧水的混合溶液中，搅拌7小时后过滤烘干；
②将烘干粉末放入装有30份乙醇与30份油酸的回流釜中，80℃反应11个小时，过滤并用乙醇洗涤后烘干备用；
③将3份双氧水，5份磷酸和15份甲酸混合，将上述油酸改性的活性炭、碳纤维与介孔氧化钛晶须的混合物倒入上述混合溶液中，60℃搅拌2小时，过滤后将滤饼投入10份甲酸溶液中，60℃搅拌2小时，过滤烘干；
④将20份润滑油倒入上述粉末中，均匀搅拌后放入120℃真空干燥箱中加热处理3小时，得改性含油多孔材料。
（3）涂层的制备：将上述改性含油多孔材料与70份环氧树脂E51、5份乙二胺固化剂倒入30份乙酸乙酯中，搅拌10min后进行喷涂，加热至80℃，12h固化。
二、涂层性能测定：
（1）耐磨性能：
①用1000目砂纸对制备的实施例4涂层进行摩擦实验，在测试压力为10 N（即单位压力为0.5 MPa）的室温条件下进行，经过15000的摩擦实验后，涂层没有露出基底的迹象。
②采用MPX-200型盘销式摩擦磨损试验机双环接触形式考察涂层的摩擦学性能。试验条件：载荷100N，200N，滑动速率2.5m/s。测得样品的摩擦系数为0.35，每小时质量损失0.00045g，与纯环氧样品（摩擦系数0.71，每小时质量损失0.03g），以及添加相同不含油粒子涂层（摩擦系数0.79，每小时质量损失0.014g）相比，减磨耐磨性能均显著提高。
（2）耐高压性能：
将制备的涂层置于水溶液中，在150℃、8 MPa水热条件下处理12小时，试验后的涂层表面没有气泡产生，粘附力仍不低于2级标准（GB/T 9286）。此测试表明该涂层具有较好的耐高压性能、水热稳定性好。与纯环氧涂层以及添加相同不含油多孔材料涂层相比，耐高压性能并未降低。

Claims (6)

1.一种减摩耐磨涂层，具体由下述混合液涂覆而成，所述混合液按照重量份数计算，其组成是：
树脂55-90份，
改性含油多孔材料10-30份，
固化剂5-20份，
溶剂40-100份，
其特征在于：
所述改性含油多孔材料，按照重量份数计算，由下述组分制备而成，具体制备方法是：
（1）多孔材料表面氧化、羟基化：将过筛250目以上的10-30份多孔材料放入10份盐酸与1-5份双氧水的混合溶液中，搅拌均匀后烘干；
（2）多孔材料粒子内外油酸接枝：将烘干的多孔材料放入装有20-40份乙醇与20-40份油酸的回流釜中，于60-120℃反应8-12个小时，过滤后用乙醇洗涤后烘干；
（3）外表面破环氧化、羟基化：将1-5份双氧水、1-5份磷酸和5-15甲酸混合，然后将油酸接枝的多孔材料倒入上述混合液中，60-90℃搅拌2小时，过滤后将滤饼投入5-15份甲酸中，60-80℃搅拌2小时，过滤烘干；
（4）多孔材料内部充油：将1-20份润滑油倒入经步骤（3）处理后的多孔材料中，均匀搅拌后将混合物放入80-120℃真空干燥箱中加热处理2-4小时，获得改性含油多孔材料。
2.根据权利要求1所述的减摩耐磨涂层，其特征在于：所述多孔材料是活性炭，分子筛，碳纳米管，粉煤灰、煤矸石、介孔氧化钛晶须中的一种或多种的混合。
3.根据权利要求1所述的减摩耐磨涂层，其特征在于：所述树脂包括环氧树脂、聚氨酯树脂、聚脲树脂中的一种或多种的混合。
4.根据权利要求1所述的减摩耐磨涂层，其特征在于：所述固化剂为脂肪族多胺。
5.根据权利要求1所述的减摩耐磨涂层，其特征在于：所述润滑油为矿物油，植物油以及离子液体中的一种或多种的混合。
6.根据权利要求1所述的减摩耐磨涂层，其特征在于：所述溶剂为水，乙醇，乙酸乙酯，二甲基甲酰胺，二甲苯中的一种或多种的混合。
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