CN107955495B - 一种高分子陶瓷耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分子陶瓷耐磨涂层及其制备方法，以本身不具耐磨性的双酚A型中温环氧结构胶作为耐磨涂层的基体粘结材料，配合高硬度高耐磨的SiC陶瓷颗粒、高模量比的碳纤维、聚氨酯、偶联剂等助剂，利用组合粒径的SiC陶瓷颗粒提高结构胶基体的耐冲蚀磨损性能，并充分考虑SiC颗粒与结构胶基体的分散与结合、涂层与Q235钢基体的结合，最终形成一种结构型非金属复合材料耐磨涂层。该涂层的制备和涂覆工艺较为简单，容易操作，涂层制备成本较低，具有很高的实用价值和经济价值。

Description

一种高分子陶瓷耐磨涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种高分子陶瓷耐磨涂层及其制备方法。

背景技术

为了提高材料的表面耐磨性，通常采用在材料外部涂覆耐磨涂层的方法。相比于对材料本身进行耐磨性能的改善，涂覆涂层的方法工作量小，只需对耐磨涂料进行研发与改善，不需要对各种材料的耐磨性进行逐一研究，且耐磨涂层可以涂覆于各种不同材料表面，所以更加经济。

当前用于制备耐磨涂层的方法主要有两种，一种是热喷涂技术另一种是化学法涂层。热喷涂技术是表面工程领域内赋予零件材料表面特殊功能的高效技术之一，该技术通过分析零件材料表面失效形式，研究具有相应功能的涂层材料和制备工艺，使用喷涂设备进行喷涂的工艺过程，最终得到预期的涂层功能。热喷涂耐磨涂层实施工艺相对比较繁琐且需要专门的喷涂设备，形成的涂层厚度都较薄，材料利用率低，生产效率较低。而化学涂层操作工艺更加简单，此外化学粘接涂层还可以隔绝空气、水分和其它杂质，通过改性还能起到耐冲蚀磨损的作用，可明显延长粉料输送管和叶轮等过流部件的使用寿命，减少经济损失。

随着环氧树脂胶粘剂技术的不断发展，环氧树脂的用途也越来越广泛。由于环氧树脂高分子聚合物良好的化学与物理特性，近年来其被开发用作高分子聚合物耐磨涂层。环氧树脂及其固化物的力学性能高，分子结构致密具有很强的内聚力，粘接性能优异，固化体系中存在环氧基和羟基等极性基团，因此其固化物有极强的粘接特性；稳定性好，不含碱和盐等杂质，可耐一定的酸和碱的腐蚀；收缩率小，成型性好。虽然环氧树脂具有以上种种优点，但是其本身是液态半透明或透明状热塑性线性高分子，加入固化剂完全固化后硬而脆，极易破碎和剥离，不能直接作为耐冲蚀磨损涂层的基体材料，必须对其加以改性。

发明内容

本发明的目的在于克服环氧树脂用作耐磨涂层存在的上述问题，提供一种高分子陶瓷耐磨涂层及其制备方法。以本身不具有耐磨性的双酚A型中温环氧结构胶作为耐磨涂层的基体粘结材料，配合高硬度高耐磨的SiC陶瓷颗粒、高模量比的碳纤维、KH-560型硅烷偶联剂、聚氨酯等助剂，利用组合粒径的SiC陶瓷颗粒提高结构胶基体的耐冲蚀磨损性能，并充分考虑SiC颗粒与结构胶基体的分散与结合、涂层与Q235钢基体的结合，最终形成一种结构型非金属复合材料耐磨涂层。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高分子陶瓷耐磨涂层，其原料以质量分数计包括：双酚A型中温环氧结构胶7.5％-18％，二乙烯三胺3％-6％，硅烷偶联剂0.1％-0.6％，碳纤维3％-8％，余量为SiC颗粒。

进一步的，所述高分子陶瓷耐磨涂层的原料还包括1％-3％的聚氨酯。

进一步的，所述SiC颗粒包括小号、中号、大号三种粒径，其中小号为170-500目，中号为60-170目，大号为40-60目，三者混合时的质量比依次为0.7-1:1.5-2:2.5-7.5。

上述高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：(a)将甲组分中温环氧结构胶和乙组分胺类固化剂按照一定比例混合均匀，得到混合胶；(b)向步骤(a)所得混合胶中加入偶联剂、碳纤维颗粒和分级SiC颗粒并搅拌均匀，得到混合物；(c)将步骤(b)所得混合物涂敷在基体表面，压实后固化。

进一步的，步骤(a)中所述甲组分具体为SW-6中温环氧结构胶，其主要成分双酚A型环氧树脂的含量为95％，所述乙组分具体为二乙烯三胺，甲组分与乙组分混合时的质量比为2.5-3:1。

进一步的，步骤(b)中所述偶联剂为KH-560硅烷偶联剂，其加入量相当于原料总质量的0.1％-0.6％。

进一步的，步骤(b)中所述碳纤维颗粒的平均粒径为800目，其加入量相当于原料总质量的3-8％。

进一步的，步骤(b)中所述分级SiC颗粒包括小号、中号、大号三种粒径，其中小号为170-500目，中号为60-170目，大号为40-60目，三者混合时的比例依次为0.7-1:1.5-2:2.5-7.5。

进一步的，步骤(b)中还添加有增韧剂聚氨酯，其加入量相当于原料总质量的1％-3％。

进一步的，步骤(b)搅拌均匀所得混合物涂覆前还需要进行真空除泡处理，步骤(c)所述基体为钢基体，涂覆前还需要对其进行喷砂除锈、丙酮清洗以及烘干处理，固化条件为常温固化七天或50℃下固化两小时或80℃下固化1小时。

采用分级SiC颗粒的原理：SiC陶瓷填料颗粒的实际形貌为不规则的多角形颗粒，在计算填料堆砌密度时将颗粒简化为刚性球的单一粒径，经简化模型计算，它以最密集的排列方式对一定空间的填充率约为74％。当加入小颗粒后，可理想的认为它与包覆在其表面的胶体膜所构成的刚性球体均匀的填充在大球体之间的空隙中。这样，既不影响胶体对填料的粘接强度，又可以提高体系内耐磨颗粒的含量，即相当于增加了体系内任意平面上硬质相的面积，从而提高了复合材料的耐磨性能。实验也验证了上述结论：单一粒径填料的耐磨性较差，复合分级粒径填料的耐磨性较好。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)利用具有高硬度和高耐磨性的组合粒径SiC陶瓷颗粒作为耐磨硬质相，并以填料的形式添加到本身不具有耐磨性的双酚A型中温环氧结构胶基体中，固化后形成交联的体型网状结构，耐磨颗粒嵌于其中使之成为能承受外界冲蚀磨损的一个整体，最终成为一种非连续性的非金属复合耐磨材料。

(2)向中温环氧结构胶基体中添加的KH-560型硅烷偶联剂起到了“分子桥”的作用，增加了有机胶黏剂和无机SiC填料之间的粘结强度，使得填料颗粒承受冲蚀磨损时不易脱落，从而提高了涂层的耐磨性；聚氨酯和碳纤维的加入提高了涂层的韧性，改善了胶黏剂固化后的脆性。

(3)涂层制备和涂覆工艺较为简单，容易操作，涂层制备成本较低；

(4)将物理粘附和化学粘附合理结合，使得涂层材料牢固的粘附在被保护的钢制基材上，特别适用于低应力条件下的冲蚀磨损防护，可在被涂覆材料表面形成良好的保护涂层；

(5)涂层的耐冲蚀性能相比Q235钢板基体有很大提高，相对耐冲蚀磨损性能提高4～5倍，可广泛应用于粉料输送管道弯头的耐冲蚀磨损及各种叶轮的耐冲蚀磨损及表面修复，以及不易进行热加工处理的耐磨损处理，具有很高的实用价值和经济价值。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。

为了改善中温环氧结构胶固化后的硬脆性、易剥离和不耐冲蚀磨损等缺陷，本发明通过对中温结构胶(主要成分为双酚A型环氧树脂)进行改性，从而提高基体的耐磨性。以中温环氧结构胶为粘结剂，作为耐磨涂层的基体粘结材料，考虑到其固化后的基体本身属高分子聚合物不具有耐磨性，因此向其中依次添加高硬度和高耐磨性的不同粒径SiC陶瓷颗粒、高模量比的碳纤维、偶联剂、聚氨酯等助剂，利用SiC陶瓷颗粒提高中温结构胶的耐冲蚀磨损性能，并且充分考虑了SiC颗粒与结构胶基体的分散与结合、涂层与Q235钢基体的结合，最终形成一种结构型非金属复合材料耐磨涂层。

本发明所用原料皆为普通市售。

实施例1

甲组分：SW-6中温结构胶(主要成分双酚A型环氧树脂，含量95％，下同)，乙组分：二乙烯三胺(DETA)，其他原料包括分级SiC颗粒、碳纤维、KH-560型硅烷偶联剂。其中分级SiC颗粒的粒径分别为60目、170目、500目，三者混合时的质量比为75％、15％、10％。碳纤维的粒径为800目。

一种高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法：首先按照甲乙组分质量比3:1的比例配制混合胶液，分别秤取6g、7g、8g、9g备用。接着向混合胶中加入0.12g偶联剂、30g填料(28.2gSiC颗粒和1.8g碳纤维混合物)并搅拌均匀。将混合好的液体结构胶盛装在容器内，置于真空泵中抽真空排除气泡，得到胶体混合物备用。为了保证涂层材料可以较好的与Q235钢基体粘结结合，必须对钢基体表面进行必要的处理。利用喷砂机将钢基体表面的锈迹除掉，再用丙酮对喷砂过的钢基体进行清洗以去除灰尘和其它有机物杂质，最后将其置于恒温干燥箱内烘干。将准备好的胶体混合物均匀涂覆在经过处理的Q235钢基体表面，涂覆完成后用工具将涂层表面按压平整并施力压实(有利于增加涂层的填充密度和减少气孔)，最后在常温下固化2-3天。

为充分了解本实施例制得的钢基涂层的性能，对其进行了冲蚀磨损实验并以不涂覆任何涂料的Q235钢基体作为对照，实验条件如下：采用固体颗粒吹砂冲蚀磨损，系统供气压力0.40Mpa，送砂量25g/min，冲蚀角度为30°。结果表明，本实施例中各样品相对于未涂覆本耐磨涂层的Q235钢基体(对照例)的耐冲蚀磨损提高2～3倍。

实施例2

甲组分：SW-6中温环氧结构胶，乙组分：二乙烯三胺，其他原料包括分级SiC颗粒、碳纤维、KH-560型硅烷偶联剂、聚氨酯。其中分级SiC颗粒的粒径分别为40目、60目、170目，三者混合时的质量比为50％、33％、17％。碳纤维的粒径为800目。

一种高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法：首先按照甲乙组分质量比3:1的比例配制混合胶液，分别秤取6g、7g、8g、9g备用。接着向混合胶中加入0.18g偶联剂、30g填料(27.6gSiC颗粒和2.4g碳纤维混合物)并搅拌均匀，再加入0.8g聚氨酯并混合均匀。将所得混合胶置于真空泵中抽真空，排除气泡。将排除气泡的混合胶涂覆于已按实施例1要求处理的钢基表面，压平后在室温固化2-3天。

同样条件下的冲蚀磨损实验测试结果表明，本实施例中最佳样品耐冲蚀磨损性能相对于未涂覆本耐磨涂层的Q235钢基体(对照例)的耐冲蚀磨损提高4～5倍。

实施例3

按照实施例1的配方和方法制备高分子陶瓷耐磨涂层材料，不同之处在于仅使用单一粒径的碳化硅颗粒，目数分别为4000目、800目和500目，碳化硅颗粒的总量保持不变。同样条件下冲蚀磨损实验测试结果表明，本实施例中500目样品耐冲蚀磨损性能相对于未涂覆耐磨涂层Q235钢基体(对照例)的1.5倍，其中4000目和800目样品的耐冲蚀磨损性能均低于对照例。

综合上述实施例可知：采用混合级配填料并采用聚氨酯、KH-560硅烷偶联剂对环氧结构胶基体进行改性，所得耐磨涂层的耐磨性优于单一粒径填料和对照例，提高十分明显。

Claims (9)

1.一种高分子陶瓷耐磨涂层，其特征在于，所述高分子陶瓷耐磨涂层的原料以质量分数计包括：双酚A型中温环氧结构胶7.5％-18％，二乙烯三胺3％-6％，硅烷偶联剂0.1％-0.6％，碳纤维3％-8％，余量为SiC颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种高分子陶瓷耐磨涂层，其特征在于：所述高分子陶瓷耐磨涂层的原料还包括1％-3％的聚氨酯。

3.根据权利要求1所述的一种高分子陶瓷耐磨涂层，其特征在于：所述SiC颗粒包括小号、中号、大号三种粒径，其中小号为170-500目，中号为60-170目，大号为40-60目，三者混合时的质量比依次为0.7-1:1.5-2:2.5-7.5。

4.权利要求1所述的高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将甲组分中温环氧结构胶和乙组分胺类固化剂按照一定比例混合均匀，得到混合胶；(b)向步骤(a)所得混合胶中加入偶联剂、碳纤维颗粒和分级SiC颗粒并搅拌均匀，得到混合物；(c)将步骤(b)所得混合物涂敷在基体表面，压实后固化；步骤(b)中所述偶联剂为KH-560硅烷偶联剂，其加入量相当于原料总质量的0.1％-0.6％。

5.根据权利要求4所述的高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(a)中所述甲组分具体为SW-6中温环氧结构胶，其主要成分双酚A型环氧树脂的含量为95％，所述乙组分具体为二乙烯三胺，甲组分与乙组分混合时的质量比为2.5-3:1。

6.根据权利要求4所述的高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述碳纤维颗粒的平均粒径为800目，其加入量相当于原料总质量的3-8％。

7.根据权利要求4所述的高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述分级SiC颗粒包括小号、中号、大号三种粒径，其中小号为170-500目，中号为60-170目，大号为40-60目，三者混合时的比例依次为0.7-1:1.5-2:2.5-7.5。

8.根据权利要求4所述的高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(b)中还添加有增韧剂聚氨酯，其加入量相当于原料总质量的1％-3％。

9.根据权利要求4所述的高分子陶瓷耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(b)搅拌均匀所得混合物涂覆前还需要进行真空除泡处理，步骤(c)所述基体为钢基体，涂覆前还需要对其进行喷砂除锈、丙酮清洗以及烘干处理，固化条件为常温固化七天或50℃下固化两小时或80℃下固化1小时。