CN110183959A - 一种耐磨抗冲长碳链尼龙复合粉末涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明属高分子材料领域，公开了一种耐磨抗冲长碳链尼龙复合粉末涂料，其由如下组分经高速混合得到：长碳链尼龙粉末800‑1000份环氧树脂粉末100‑500份双氰胺4‑20份纳米二氧化钛50‑100份碳化硅粉末50‑100份。本发明制备的耐磨抗冲长碳链尼龙复合粉末的耐磨性和抗冲击性能优异，与金属的粘结性能较好，可利用现有火焰喷涂或热涂覆工艺进行机械部件的涂装，材料来源广泛，可以用于水轮机叶片防护、金属机械部件耐磨抗冲保护等领域。
Description
技术领域
本发明属高分子材料领域，涉及一种长碳链尼龙复合粉末涂料，特别涉及一种具有良好金属粘接性的耐磨抗冲长碳链尼龙复合粉末。
背景技术
我国的水力资源非常丰富，位居世界第一，但也是一个多泥沙河流的国家。泥沙来自水土流失，我国黄河、长江等七大流域和新疆等地的内陆河流都有不同程度的水土流失，其中黄河流域是世界上水土流失最严重的地区，其水土流失面积达43万km2。世界大河流中年输沙量超过1亿吨的有12条，我国黄河年输沙量16亿吨居首位，平均含沙量37.5kg/m3，黄河、长江的总输沙量占世界12条大河总输沙量的34％，全国年平均输沙量超过1000万t的河流有115条。加之我国大部分地区为季风气候，每年河流净流量大的时候，也就是水力资源丰富的季节，河流挟带泥沙的含量也随之大增，这些都导致各水电站水轮机受泥沙磨蚀严重，极大的影响了机组的效率和使用寿命。我国已建的32座大型水电站中，有22座遭受磨蚀破坏，水轮机被泥沙磨蚀的约132台，损失发电能力计1200万kW以上。尤其是黄河干流上几座水电站和西南地区的水利水电工程。
水轮机磨蚀破坏后水能效率、容积效率及机械效率大幅度降低，造成机组率下降，年发电量锐减。青铜峡水电站根据运行历史记录，机组初期运行5年，效率降低16％，即平均每年降低3.2％，单台机组5年中损失发电量2016万kWh。水轮机磨蚀破坏使水轮机导叶严重磨蚀，导致导叶在关闭时漏水量大增，造成停机时转速下降缓慢，甚至到40～43％后就不再下降。此时又不敢落下进口闸门，否则，因导叶漏水严重，钢管冲不满水，闸门不能平压，落下的闸门就难以提起，此时水电机组灵活开停机的优点就难以发挥。因此，如何提高水轮机叶片的耐磨蚀性能是水电业需要解决的关键技术难题。
在水轮机运行过程中，其破坏形式主要气蚀磨损和泥沙磨损，而水轮机叶片磨蚀就是在这两种磨损的综合作用下而发生的叶片破坏现象。其破坏机理一般为气泡破裂的冲击与泥沙颗粒的磨蚀。因此需要同时对叶片的抗冲击和耐磨损两种性能同时进行改善。
迄今为止，我国在水轮机的表面防护方面采取的最经济、最有效的方法是利用表面处理技术在水轮机表面覆一层高耐磨高耐蚀涂层，可以对水轮机叶片进行有效保护，从而延长水轮机的运行寿命，提高水电站的经济效益。抗磨蚀金属陶瓷涂层存在成本高、涂层韧性差、涂层孔隙率高、加工条件苛刻等问题。以聚合物材料为主的非金属涂层具有原料来源广泛、成本低、施工难度低等诸多优点，成为目前水轮机磨蚀防护的热点方向。比较常用的聚合物材料主要有环氧树脂、聚氨酯以及尼龙。尼龙涂层与一般塑料涂层相比，具有耐磨、强韧、轻量、耐热、耐寒、无毒的优点。但对于一般的短链尼龙(尼龙6和尼龙66)，其最大的缺点就是吸水率较高(如尼龙6饱和吸水率达到10％以上)，吸水后尺寸发生变化，吸水率每增加1％，尺寸就要增加0.2～0.3％，易造成涂层与基体剥离，同时产品的抗拉强度、弹性模量都有所降低。同时，由于碳链较短，产品本身的柔韧性不高，耐冲击性、耐磨损性不强。
为了满足众多应用领域对耐水性、耐冲击性、耐磨性、耐大气老化性能的要求，开发了长碳链尼龙品种。通常，将尼龙大分子中两个酰胺键之间的平均碳原子数超过10的尼龙叫做长碳链尼龙。尼龙的吸水性主要与酰胺基有关，酰胺基是亲水基团，在平均分子量相同或接近的情况下，长碳链尼龙所含酰胺基的比例低于短碳链尼龙，因此长碳链尼龙的吸水率明显低于短碳链尼龙。例如尼龙6在水中的饱和吸水率高达10.8％，而尼龙1212则只有1.2％左右。长碳链尼龙的耐溶剂性、抗冲击性、耐磨性、耐低温性要明显高于短链尼龙。如尼龙1212制成的水轮发电机导叶套在连续运行两年半后，磨损厚度仅为0.00083毫米，远低于普通的铜制叶套。
尼龙粉末涂料属于热塑性粉末涂料家族中的一个重要成员，涂膜除具有优良的机械性能、耐化学药品性外，耐磨性、润滑性能也好，传热系数小。除在水轮机叶片防护上可以使用外，也可用于轴承、齿轮、消声部件和车辆方向盘的涂装。涂膜具有电绝缘性能好，耐磨性好，摩擦系数低等优点。因此，开发长碳链尼龙粉末涂料，对于水轮机叶片防护、耐磨机械部件的制造，具有较高的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优良耐磨抗冲性的长碳链尼龙复合粉末涂料，将其用于水轮机叶片防护、机械部件耐磨涂装等领域。
为实现本发明目的，所述耐磨抗冲长碳链尼龙复合粉末涂料由下述重量份数的原料混配而成：
其制备方法是将长碳链尼龙粉末与环氧树脂粉末、双氰胺、纳米二氧化钛、碳化硅粉末放入高速搅拌机中混合均匀。
所述长碳链尼龙粉末是由癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺、十三碳二元胺中的一种或几种，与癸二酸、十一碳二元酸、十二碳二元酸、十三碳二元酸中的一种或几种，经聚合得到,数均分子量为1.5万～5万。优选：长碳链尼龙1212粉末，长碳链尼龙1012粉末，长碳链尼龙1111粉末，长碳链尼龙1313粉末。
所述长碳链尼龙粉末粒径为：10～300μm。
所述环氧树脂种类为热固型环氧树脂，环氧值0.2～0.6，粒径为20-100μm。
所述纳米二氧化钛粒径优选：10～100nm。
所述碳化硅粉末粒径优选：20～300μm。
在制备本发明涂料中，涂层强度的影响因素如下：
对于涂层而言，材料的选择是最为关键的部分，通常，材料抵抗沙粒微切削、空化冲击波和微射流等冲击作用的能力主要依赖其硬度；材料吸收冲击能量的能力与韧性密切相关。但是，硬度过高的材料，易造成材料开裂剥落。弹性好的材料能将冲击而来的沙粒或水流弹开。添加环氧树脂、纳米二氧化钛和碳化硅是为了提高尼龙涂层与金属基体的结合强度，双氰胺是作为环氧树脂的固化剂使用，添加量为4％；添加纳米二氧化钛和碳化硅还可以提高涂层的硬度进而提高尼龙涂层的耐磨抗冲性能。通过在1000份尼龙1212粉末中添加其他组分，分别考察了环氧树脂、纳米二氧化钛、碳化硅的添加量对涂层结合强度和耐磨性能的影响，结果见图1～3。
从图1～3中可以看出，环氧树脂、纳米二氧化钛和碳化硅的加入显著提高了涂层与金属间的结合强度；尼龙复合涂层的摩损量均处于很低的水平上，这充分体现了长碳链尼龙材料优良的耐磨性能。
本发明耐磨抗冲长碳链尼龙复合粉末涂料与现有材料相比，具有如下优点：
(1)本发明粉末涂料的耐磨性和抗冲击性能优异，可以用于水轮机叶片防护、金属机械部件耐磨抗冲保护等领域；
(2)本发明粉末涂料与金属的粘结性能优异，适用于多种复杂工作环境；
(3)本发明通过混配制成粉末涂料，涂覆工艺简单，可利用现有火焰喷涂或热涂覆工艺进行机械部件的涂装，材料来源广泛，价格较金属或陶瓷涂层有明显的价格优势。
附图说明
图1为环氧树脂添加量对涂层结合强度和耐磨性能的影响；
图2为纳米二氧化钛添加量对涂层结合强度和耐磨性能的影响；
图3为碳化硅添加量对尼龙涂层结合强度和耐磨性能的影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不仅限于此。
实施例1
将1kg长碳链尼龙1212粉末(端基滴定法测试其分子量为2.6万)，100g环氧树脂粉末，4g双氰胺，50g纳米二氧化钛，100g碳化硅粉末放入高混机中，100r/min混合半小时，将复合材料粉末取出后，经火焰喷涂于316L钢块表面，通过GB/T 3960-2016方法测试其在2小时后的磨损量。用复合材料粉末将316L钢片热熔粘结后，通过拉伸实验测试其结合强度，结果见表1。
实施例2
将1kg长碳链尼龙1012粉末(端基滴定法测定其分子量为2.1万)，500g环氧树脂粉末，20g双氰胺，100g纳米二氧化钛，50g碳化硅粉末放入高混机中，100r/min混合半小时，将复合材料粉末取出后，经火焰喷涂于316L钢块表面，通过GB/T 3960-2016方法测试其在2小时后的磨损量。用复合材料粉末将316L钢片热熔粘结后，通过拉伸实验测试其结合强度，结果见表1。
实施例3
将1kg长碳链尼龙1111粉末(端基滴定法测定其分子量为4.2万)，200g环氧树脂粉末，8g双氰胺，70g纳米二氧化钛，80g碳化硅粉末放入高混机中，100r/min混合半小时，将复合材料粉末取出后，经火焰喷涂于316L钢块表面，通过GB/T 3960-2016方法测试其在2小时后的磨损量。用复合材料粉末将316L钢片热熔粘结后，通过拉伸实验测试其结合强度，结果见表1。
实施例4
将1kg长碳链尼龙1313粉末(端基滴定法测定其分子量为4.8万)，100g环氧树脂粉末，4g双氰胺，50g纳米二氧化钛，100g碳化硅粉末放入高混机中，100r/min混合半小时，将复合材料粉末取出后，经火焰喷涂于316L钢块表面，通过GB/T 3960-2016方法测试其在2小时后的磨损量。用复合材料粉末将316L钢片热熔粘结后，通过拉伸实验测试其结合强度，结果见表1。
表1实施例中的结合强度和磨损量测试结果
| 结合强度(MPa) | 磨损量(g)) | |
| 实施例1 | 30 | 0.11 |
| 实施例2 | 29 | 0.15 |
| 实施例3 | 32 | 0.13 |
| 实施例4 | 29 | 0.11 |
。
Claims (3)
1.一种长碳链尼龙复合粉末涂料，其特征在于，其由下述重量份数的原料混配而成：
所述长碳链尼龙粉末由癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺、十三碳二元胺中的一种或几种，与癸二酸、十一碳二元酸、十二碳二元酸、十三碳二元酸中的一种或几种，经聚合得到，数均分子量为1.5万～5万；
所述环氧树脂种类为热固型环氧树脂，环氧值0.2～0.6。
2.如权利要求1所述的长碳链尼龙复合粉末涂料，其特征在于，所述长碳链尼龙粉末粒径为：10～300μm，所述环氧树脂粒径为20-100μm，所述纳米二氧化钛粒径为：10～100nm，所述碳化硅粉末粒径为：20～300μm。
3.如权利要求1或2所述的长碳链尼龙复合粉末涂料，其特征在于，所述长碳链尼龙粉末选长碳链尼龙1212粉末，长碳链尼龙1012粉末，长碳链尼龙1111粉末，长碳链尼龙1313粉末。
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