CN107365515A - 一种无机涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无机涂层及其制备方法，所述涂层采用聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维、微溶的金属氧化物/氢氧化物和可溶的碱性无机盐为原料，在金属基材上喷涂得到。本发明所提供的无机涂层，能够提高涂层的耐腐性，降低热膨胀系数，并能保持高摩擦系数的特点，同时降低其磨损率，从而延长其使用寿命。

Description

一种无机涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种无机涂层及其制备方法。
背景技术
体积磨损率涂层作为表面改性的一种手段，能够赋予基体材料优异的体积磨损率性能，延长其使用寿命。因此，体积磨损率涂层的研究一直受到人们的广泛关注。体积磨损率涂层材料通常要求具有最小化或降低水渗透和/或例如钢和铁的金属腐蚀的疏水性能，但是，某些特定应用场合需要高体积磨损率性涂层材料，因此对于提高涂层的体积磨损率性已成为目前研究的热点之一。
金属钼(Mo)具有抗腐蚀、耐粘着磨损、高导热率、低膨胀系数以及优异的抗热冲击性能等特点，常被用于改善减速器同步环、内燃机活塞环的摩擦学性能。目前，制备钼涂层的工艺有爆炸喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂等。爆炸喷涂技术工艺较复杂，此方法制备钼涂层仅见实验室报道。工业应用较多的是氧-乙炔火焰丝材喷涂方法，该方法设备简单，但所制备的钼涂层孔隙率较大，涂层内部结合较差，导致其体积磨损率性能降低、使用寿命偏短。Mo属于金属材料，易于进行机械加工，但同时其硬度较低(1500MPa-1600MPa)，导致其体积磨损率损性能降低，使用寿命较短。在钼涂层中添加陶瓷组分，有利于改善其体积磨损率性能。
等离子喷涂涂层具有孔隙率低、结合强度高、喷涂原料为粉体、喷涂材料范围广等特点。目前已有研究采用等离子喷涂方法制备了用于汽车同步器的等离子喷涂钼合金涂层，并研究了添加合金元素对其体积磨损率性能的影响。
因此，如何研发一种具有低磨损率，并具有较低的热膨胀系数的无机涂层是目前的重点。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明通过调整无机涂层中的各组分，改善了涂层的各性能，使其具有低磨损率，并具有较低的热膨胀系数。
为达此目的，本发明采用了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种无机涂层，所述涂层含有聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维、微溶的金属氧化物/氢氧化物和可溶的碱性无机盐；所述微溶的金属氧化物/氢氧化物为氧化镁、氢氧化镁、氧化钙或氢氧化钙中的至少一种；所述可溶的碱性无机盐为磷酸盐或硅酸盐的碱金属或碱土金属盐中的一种或多种。
本发明通过在含有可溶的碱性无机盐的涂层的基础上，再加入聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维和微溶的金属氧化物/氢氧化物，其中可溶的碱性无机盐和聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维以及微溶的金属氧化物/氢氧化物三者之间能够发挥协同增效作用，其涂层具有低磨损率，并降低了热膨胀系数。
优选地，本发明所述涂层中，聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的质量分数为 60-80％，例如可以是60％、65％、68％、70％、72％、75％、80％；微溶的金属氧化物/氢氧化物的质量分数为5-10％，例如可以是5％、6％、7％、8％、9％、 10％；所述可溶的碱性无机盐的质量分数为10-35％，例如可以是10％、12％、 15％、22％、25％、28％、30％、32％、35％。
本发明中，所述涂层厚度为200-1000μm，例如可以是200μm、400μm、 600μm、800μm、1000μm，优选为300-600μm。
第二方面，本发明还提供了第一方面所述的无机涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维；
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维与微溶的金属氧化物 /氢氧化物和可溶的碱性无机盐均匀混合后，作为原料；
(3)采用等离子喷涂方法，将原料喷涂在基材上，得到所述涂层。
本发明中，所述金属基材包括不锈钢。
本发明中，所述聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维采用以下方法制得：使用浓硫酸和浓硝酸的混合溶液将多壁碳纳米管进行功能化处理后，与聚丙烯腈共混，采用湿法成形方法制备得到。
具体地，所述聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维采用以下方法制得：
(1)碳纳米管的功能化处理：原料所用多壁碳纳米管的直径为40-60nm，长度为0.5-500μm，纯度大于95％；称取一定量的多壁碳纳米管放入反应器中，剧烈搅拌下加入98％的浓硫酸和70％的浓硝酸的混合液，放入恒温油浴中回流 1-3h取出，用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于 40-50℃干燥。
(2)聚丙烯腈/碳纳米管纺丝原液的制备：
将经过功能化处理或未经过功能化处理的碳纳米管与聚丙烯腈浸入DMF 溶剂中，使之充分溶胀，然后升温，搅拌，使聚丙烯腈溶解，保持总固含量为 10-20％，得到碳纳米管含量的共混溶液，再将该溶液用超声波辐照10-30min，使碳纳米管在超声波的作用下均匀分散，最后经减压过滤、真空脱泡，制得共混纺丝原液。
(3)聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的制备
在常规小试湿法成形设备上，将共混纺丝溶液经过过滤、计量后，通过喷丝孔挤入由溶剂DMF和水组成的凝固浴，其中DMF溶剂的含量为50％，拉丝倍数为7倍，然后经水洗、上油，干燥热定型及卷绕工序，制成聚丙烯腈/碳纳米纤维。
目前，碳纳米管纤维和/或聚丙烯腈都是用于提高共混体系的导电性能，然而，本发明通过将聚丙烯腈/碳纳米管纤维加入无机涂料中，通过与可溶的碱性无机盐和微溶的金属氧化物/氢氧化物发挥协同增效作用，其涂层却具有了优异的耐腐性，并降低了热膨胀系数。
本发明中，所述等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子气体Ar：30-50slpm；等离子体气体H2:5-20slpm，优选8-18slpm；粉末载气Ar：1.5-5slpm；喷涂距离：80-350mm，优选80-250mm；喷涂功率：30-58KW；送粉速率：6-30r/分钟；喷涂压力：100-800mbar。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明将聚丙烯腈/碳纳米管纤维加入无机涂料中，通过与可溶的碱性无机盐和微溶的金属氧化物/氢氧化物发挥协同增效作用，其涂层却具有低磨损率，并降低了热膨胀系数。
(2)本发明通过调整无机涂层中的各组分，改善了涂层的各性能，使其具有较优异的性能。
具体实施方式
以下实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例中，聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的质量分数为65％；氧化镁的质量分数为5％；磷酸盐的质量分数为30％。
涂层的具体制备方法如下：
(1)制备聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维：
(a)碳纳米管的功能化处理：原料所用多壁碳纳米管的直径为45nm，长度为100μm，纯度大于95％；称取一定量的多壁碳纳米管放入反应器中，剧烈搅拌下加入98％的浓硫酸和70％的浓硝酸的混合液，放入恒温油浴中回流1h 取出，用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥。
(b)聚丙烯腈/碳纳米管纺丝原液的制备：
将经过功能化处理或未经过功能化处理的碳纳米管与聚丙烯腈浸入DMF 溶剂中，使之充分溶胀，然后升温，搅拌，使聚丙烯腈溶解，保持总固含量为 20％，得到碳纳米管含量的共混溶液，再将该溶液用超声波辐照30min，使碳纳米管在超声波的作用下均匀分散，最后经减压过滤、真空脱泡，制得共混纺丝原液。
(c)聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的制备
在常规小试湿法成形设备上，将共混纺丝溶液经过过滤、计量后，通过喷丝孔挤入由溶剂DMF和水组成的凝固浴，其中DMF溶剂的含量为50％，拉丝倍数为7倍，然后经水洗、上油，干燥热定型及卷绕工序，制成聚丙烯腈/碳纳米纤维。
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维与氧化镁和磷酸盐均匀混合后，作为原料，备用。
(3)对不锈钢基材进行预处理：将经喷砂(喷砂压强约为0.2MPa)处理后的不锈钢圆片基材(Ф60mm×8mm)置于无水乙醇溶液中超声5分钟，烘干备用；采用等离子体喷涂技术，设备为Sulzer Metro公司(瑞士)的A-2000等离子体喷涂系统，该系统主要由F4-MB型喷枪以及ABB公司(美国)生产的S3型机械手组成，送粉器为Twin-10型双送粉系统。在处理后的不锈钢圆片基材上制备涂层，采用的等离子体喷涂工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为32slpm；等离子体气体H2流量为16slpm；粉末载气Ar流量为5slpm；喷涂距离为140mm；送料速率为25r/min；喷涂功率为32kW。
实施例2
本实施例中，聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的质量分数为75％；氢氧化钙的质量分数为8％；硅酸盐的质量分数为17％。
涂层的具体制备方法如下：
(1)制备聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维：
(a)碳纳米管的功能化处理：原料所用多壁碳纳米管的直径为40nm，长度为20μm，纯度大于95％；称取一定量的多壁碳纳米管放入反应器中，剧烈搅拌下加入98％的浓硫酸和70％的浓硝酸的混合液，放入恒温油浴中回流1h取出，用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥。
(b)聚丙烯腈/碳纳米管纺丝原液的制备：
将经过功能化处理或未经过功能化处理的碳纳米管与聚丙烯腈浸入DMF 溶剂中，使之充分溶胀，然后升温，搅拌，使聚丙烯腈溶解，保持总固含量为20％，得到碳纳米管含量的共混溶液，再将该溶液用超声波辐照30min，使碳纳米管在超声波的作用下均匀分散，最后经减压过滤、真空脱泡，制得共混纺丝原液。
(c)聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的制备
在常规小试湿法成形设备上，将共混纺丝溶液经过过滤、计量后，通过喷丝孔挤入由溶剂DMF和水组成的凝固浴，其中DMF溶剂的含量为50％，拉丝倍数为7倍，然后经水洗、上油，干燥热定型及卷绕工序，制成聚丙烯腈/碳纳米纤维。
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维与氢氧化钙和硅酸盐均匀混合后，作为原料，备用。
(3)对不锈钢基材进行预处理：将经喷砂(喷砂压强约为0.2MPa)处理后的不锈钢圆片基材(Ф60mm×8mm)置于无水乙醇溶液中超声5分钟，烘干备用；采用等离子体喷涂技术，设备为Sulzer Metro公司(瑞士)的A-2000等离子体喷涂系统，该系统主要由F4-MB型喷枪以及ABB公司(美国)生产的S3型机械手组成，送粉器为Twin-10型双送粉系统。在处理后的不锈钢圆片基材上制备涂层，采用的等离子体喷涂工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为32slpm；等离子体气体H2流量为16slpm；粉末载气Ar流量为5slpm；喷涂距离为140mm；送料速率为25r/min；喷涂功率为32kW。
对比例1
与实施例1相比，除仅采用氧化镁外，其它与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，除仅采用硅酸盐外，其它与实施例1相同。
对比例3
与实施例1相比，除仅采用聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维外，其它与实施例 1相同。
通过将实施例1-2和对比例1-3分别在低载荷20N情况下得到体积磨损率(W)如表1所示，并对其分别进行了热膨胀尺寸变化率和断裂伸长率的测定。
表1
通过上述结果可以看出，本发明通过调整无机涂层的组成，通过采用聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维和微溶的金属氧化物/氢氧化物以及可溶的碱性无机盐为原料，相比单独采用各组分构成的涂层，除了降低其体积磨损率以外，其还具有较低的热膨胀系数。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种无机涂层，其特征在于，所述涂层含有聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维、微溶的金属氧化物/氢氧化物和可溶的碱性无机盐；所述微溶的金属氧化物/氢氧化物为氧化镁、氢氧化镁、氧化钙或氢氧化钙中的至少一种；所述可溶的碱性无机盐为磷酸盐或硅酸盐的碱金属或碱土金属盐中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的无机涂层，其特征在于，所述涂层中，聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维的质量分数为60-80％，微溶的金属氧化物/氢氧化物的质量分数为5-10％，可溶的碱性无机盐的质量分数为10-35％。
3.根据权利要求1或2所述的无机涂层，其特征在于，所述涂层厚度为200-1000μm，优选为300-600μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无机涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维；
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维与微溶的金属氧化物/氢氧化物和可溶的碱性无机盐均匀混合后，作为原料；
(3)采用等离子喷涂方法，将原料喷涂在基材上，得到所述涂层。
5.根据权利要求4所述的方法，所述聚丙烯腈/碳纳米管导电纤维采用以下方法制得：使用浓硫酸和浓硝酸的混合溶液将多壁碳纳米管进行功能化处理后，与聚丙烯腈共混，采用湿法成形方法制备得到。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子气体Ar：30-50slpm；等离子体气体H2:5-20slpm，优选8-18slpm；粉末载气Ar：1.5-5slpm；喷涂距离：80-350mm，优选80-250mm；喷涂功率：30-58KW；送粉速率：6-30r/分钟；喷涂压力：100-800mbar。
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