CN113999593A - 一种涡旋破碎装置叶轮用涂层及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请提出了一种涡旋破碎装置叶轮用涂层及其制备方法，包括基层、中间层和表层，按重量份数计，所述基层包括：短玻纤5‑10份、环氧树脂30‑70份、偶联剂0.1‑1份、固化剂1‑5份；所述中间层包括橡胶20‑60份、纳米氧化钛4‑7份、固化剂1‑5份、偶联剂0.1‑1份；所述表层包括：氧化铝短纤维5‑10份、聚乙烯醇缩丁醛树脂30‑80份、固化剂1‑5份、偶联剂0.1‑1份。本申请用三层涂层，每层涂层的成分以及含量配比之间形成很好的协同配合作用，使最终得到的涂层赋予叶轮的耐磨性、抗冲击性能等优良性能，有效提高叶轮的使用寿命。

Description

一种涡旋破碎装置叶轮用涂层及其制备工艺
技术领域
本申请属于涡旋破碎装置制造领域，具体一种涡旋破碎装置叶轮用涂层及其制备工艺。
背景技术
涡旋破碎装置是利用气流形成涡旋力，使得物料在涡旋气流的带动下完成破碎工作，类似专利文件CN204247349U中所述的气流涡旋磨粉机，在涡旋破碎装置中叶轮是必不可少的部件，但是叶轮也是易磨损部件，需要经常更换和维护，为了延长叶轮的使用寿命，现有技术中通过在叶轮表面涂敷涂层以提高叶轮的耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性等性能。
由于涡旋破碎机要加工些硬度较大的物料，比如石墨、水泥、煤炭、玻璃等，目前现有的用于涂敷于金属基材的涂层涂敷于涡旋破碎机叶轮上，赋予叶轮的耐磨性、抗冲击性等性能的有效性、持久性是非常有限的，主要原因是由于涂层的成分选用不合适，使得涂层在高硬度物料的冲击下很容易会被磨损。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，包括基层、中间层和表层，按重量份数计，所述基层包括：短玻纤5-10份、环氧树脂30-70份、偶联剂0.1-1份、固化剂1-5份；所述中间层包括橡胶20-60份、纳米氧化钛4-7份、固化剂1-5份、偶联剂0.1-1份；所述表层包括：氧化铝短纤维5-10份、聚乙烯醇缩丁醛树脂30-80份、固化剂1-5份、偶联剂0.1-1份。
优选地，所述基层包括：短玻纤5-7份、环氧树脂40-60份、偶联剂0.1-0.5份、固化剂2-4份；所述中间层包括橡胶20-40份、纳米氧化钛4-6份、固化剂2-4份、偶联剂0.3-0.5份；所述表层包括：氧化铝短纤维6-9份、聚乙烯醇缩丁醛树脂35-60份、固化剂2-5份、偶联剂0.1-0.5份。
优选地，所述短玻纤的平均长度为：0.1-0.3mm，单丝直径为5-20um；所述氧化铝短纤维的平均长度为：0.1-0.5mm，单丝直径为3-10um；所述纳米氧化钛的平均粒径为40-100nm。
优选地，所述短玻纤的平均长度为：0.2mm，单丝直径为15um；所述氧化铝短纤维的平均长度为：0.3mm，单丝直径为8um；所述纳米氧化钛的平均粒径为50nm。
优选地，所述基层厚度为20-50um；所述中间层厚度为5-20um；所述表层厚度为20-50um。
优选地，所述基层厚度为30um；所述中间层厚度为10um；所述表层厚度为30um。
优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂，优选硅烷偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种或多种。
优选地，硅烷偶联剂包括KH-550。
优选地，所述固化剂为胺类固化剂，所述胺类固化剂包括乙二胺、己二胺、N,N-二甲基苯胺、六次甲基四胺中的一种或多种。
优选地，所述氧化铝短纤维中氧化铝含量为95wt％，二氧化硅含量为5wt％。
优选地，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、脂肪族环氧树脂中的一种或多种。
优选地，所述聚乙烯醇缩丁醛树脂中的缩丁醛含量为45～50wt％；
优选地，所述橡胶包括氯化橡胶、天然橡胶、二甲基硅橡胶、甲基乙烯硅橡胶的一种或多种。
本申请中还公开了一种涡旋破碎装置叶轮用涂层的制备工艺，包括：
S1：短玻纤表面进行预处理，所述预处理方法为：将短玻纤分散于含碳源物质的水溶液中，再加入表面活性剂搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在惰性气体的保护下进行；
S2：氧化铝短纤维表面预处理，预处理方法为：将氧化铝短纤维放入含氢氟酸的溶液中浸泡，浸泡后的氧化铝短纤维分散于含碳源物质的水溶液中，再加入表面活性剂搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在惰性气体的保护下进行；
S3：将S1中预处理后的短玻纤与环氧树脂、偶联剂、固化剂进行搅拌均匀后涂敷于洁净的涡旋破碎装置叶轮表面；
S4：将橡胶、纳米氧化钛、固化剂、偶联剂混合均匀后，涂敷于已经固化的基层涂层上；
S5：将S2中预处理后的氧化铝短纤维、聚乙烯醇缩丁醛树脂、固化剂和偶联剂混合均匀后，涂敷于已经固化的中间层涂层上。
优选地，S1及S2中高温煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为200-400min。
优选地，含碳源物质为淀粉、甘油、葡萄糖中的一种或多种，所述含碳源物质的加入量为短玻纤或氧化铝短纤维的20-60wt％；所述惰性气体为氮气；所述表面活性剂为羟甲基纤维素钠、十二烷基硫酸钠、N-月桂酰肌氨酸钠、石蜡、羟乙基纤维素的一种或多种，所述表面活性剂的加入量为短玻纤或氧化铝短纤维的5-10wt％。
优选地，所述S2中含氢氟酸的溶液中，氢氟酸含量为1-5％；浸泡时间为10-40s。
优选地，所述S2中含氢氟酸的溶液中，氢氟酸含量为3％；浸泡时间为20s。
本申请能够带来如下有益效果：
1.本申请用三层涂层，每层涂层的成分以及含量配比之间形成很好的协同配合作用，使最终得到的涂层赋予叶轮的耐磨性、抗冲击性能等优良性能，有效提高叶轮的使用寿命。
2.本申请基层涂层在基层涂层中使用短玻纤作为主要功能成分、环氧树脂作为与短玻纤配合的成膜剂，除了赋予叶轮较好的耐磨性、抗冲击性之外，还可提高涂料与叶轮表面的附着性，且提高与之结合的涂层材料的结合力。
3.本申请中间层氧化钛作为功能成分，橡胶起成膜且连接基层与表层的连接成分，中间层的主要作用是有效的将基层与表层紧密连接使其可以产生协同作用，充分发挥作用。
4.本申请表层氧化铝短纤维作为功能成分，聚乙烯醇缩丁醛树脂作为氧化铝短纤维配合的成膜剂，表层的主要作用是提高叶轮的耐磨性、抗冲击性等性能，有效提高叶轮得到使用寿命；
5.本申请基层中使用短玻纤、表层中使用氧化铝短纤维，相比使用纳米氧化硅以及纳米氧化铝，纤维在涂层内部相互缠绕形成三维网状结构，对叶轮形成的是面防护而不是点防护，防护效果更突出；
6.本申请中偶联剂的作用是为了更好的使无机材料与有机材料更紧密的形成整体；
7.由于短玻纤以及氧化铝短纤维为无机材料，与环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂等有机成分之间的相容性差，本申请对短玻纤进行表面预处理，处理后的短玻纤表面包覆碳层，有效提高其在环氧树脂中的分散性，使最终得到的涂层表面更平整且降低涂层表面孔洞的形成进而提高涂层的性能；
8.利用氢氟酸对氧化铝短纤维表面得二氧化硅成分进行刻蚀，使得氧化铝纤维表面形成孔洞结构，有效得提高氧化铝短纤维得比表面积，再进行表面碳包裹，进一步提高氧化铝短纤维在聚乙烯醇缩丁醛树脂中的分散性。
具体实施方式
实施例1：一种涡旋破碎装置叶轮用涂层的制备工艺，包括：
S1：短玻纤(平均长度为0.1mm，单丝直径为20um)表面进行预处理，所述预处理方法为：将短玻纤分散于淀粉的水溶液中，所述淀粉的加入量为短玻纤20wt％，再加入表面活性剂羟甲基纤维素钠(羟甲基纤维素钠的加入量为短玻纤5wt％)搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧(温度为800℃，煅烧时间为400min)得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在氮气的保护下进行；
S2：氧化铝短纤维(平均长度为0.1mm，单丝直径为10um，氧化铝含量为95wt％，二氧化硅含量为5wt％)表面预处理，预处理方法为：将氧化铝短纤维放入氢氟酸含量为1％的水溶液中浸泡40s，浸泡后的氧化铝短纤维分散于甘油的水溶液中(甘油加入量为氧化铝短纤维的60wt％)，再加入表面活性剂十二烷基硫酸钠(十二烷基硫酸钠加入量为氧化铝短纤维的10wt％)搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧(温度为900℃，煅烧时间为200min)得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在氮气的保护下进行；
S3：将S1中预处理后的短玻纤5份与双酚A环氧树脂30份、偶联剂KH-5500.1份、固化剂乙二胺1份进行搅拌均匀后涂敷于洁净的涡旋破碎装置叶轮表面，涂敷厚度为20um；
S4：将氯化橡胶20份、纳米氧化钛7份(平均粒径为40nm)、固化剂己二胺5份、偶联剂KH-560 1份混合均匀后，涂敷于已经固化的基层涂层上，涂敷厚度为5um；
S5：将S2中预处理后的氧化铝短纤维5份、聚乙烯醇缩丁醛树脂(聚乙烯醇缩丁醛树脂中的缩丁醛含量为45wt％)30份、固化剂N,N-二甲基苯胺1份和偶联剂KH-570 1份混合均匀后，涂敷于已经固化的中间层涂层上，涂敷厚度为20um。
实施例2：一种涡旋破碎装置叶轮用涂层的制备工艺，包括：
S1：短玻纤(平均长度为0.3mm，单丝直径为5um)表面进行预处理，所述预处理方法为：将短玻纤分散于葡萄糖的水溶液中，所述葡萄糖的加入量为短玻纤60wt％，再加入表面活性剂N-月桂酰肌氨酸钠(N-月桂酰肌氨酸钠的加入量为短玻纤10wt％)搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧(温度为900℃，煅烧时间为200min)得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在氮气的保护下进行；
S2：氧化铝短纤维(平均长度为0.5mm，单丝直径为3um，氧化铝含量为95wt％，二氧化硅含量为5wt％)表面预处理，预处理方法为：将氧化铝短纤维放入氢氟酸含量为5％的水溶液中浸泡10s，浸泡后的氧化铝短纤维分散于淀粉、甘油的混合水溶液中(淀粉加入量为氧化铝短纤维的30wt％、甘油加入量为氧化铝短纤维的30wt％)，再加入表面活性剂N-月桂酰肌氨酸钠(N-月桂酰肌氨酸钠加入量为氧化铝短纤维的7wt％)搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧(温度为800℃，煅烧时间为300min)得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在氮气的保护下进行；
S3：将S1中预处理后的短玻纤10份与双酚F环氧树脂70份、偶联剂KH-560 1份、固化剂六次甲基四胺5份进行搅拌均匀后涂敷于洁净的涡旋破碎装置叶轮表面，涂敷厚度为50um；
S4：将天然橡胶60份、纳米氧化钛4份(平均粒径为100nm)、固化剂乙二胺1份、偶联剂KH-550 0.1份混合均匀后，涂敷于已经固化的基层涂层上，涂敷厚度为20um；
S5：将S2中预处理后的氧化铝短纤维10份、聚乙烯醇缩丁醛树脂(聚乙烯醇缩丁醛树脂中的缩丁醛含量为50wt％)80份、固化剂乙二胺2份、己二胺3份和偶联剂KH-550 0.1份混合均匀后，涂敷于已经固化的中间层涂层上，涂敷厚度为50um。
实施例3：一种涡旋破碎装置叶轮用涂层的制备工艺，包括：
S1：短玻纤(平均长度为0.2mm，单丝直径为15um)表面进行预处理，所述预处理方法为：将短玻纤分散于淀粉、甘油的混合水溶液中，淀粉的加入量为短玻纤的10wt％、甘油的加入量为短玻纤的20wt％，再加入表面活性剂石蜡、羟乙基纤维素(石蜡的加入量为短玻纤2wt％、羟乙基纤维素的加入量为短玻纤5wt％)搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧(温度为900℃，煅烧时间为300min)得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在氮气的保护下进行；
S2：氧化铝短纤维(平均长度为0.3mm，单丝直径为8um，氧化铝含量为95wt％，二氧化硅含量为5wt％)表面预处理，预处理方法为：将氧化铝短纤维放入氢氟酸含量为3％的水溶液中浸泡20s，浸泡后的氧化铝短纤维分散于甘油、葡萄糖的混合水溶液中(葡萄糖加入量为氧化铝短纤维的10wt％、甘油加入量为氧化铝短纤维的20wt％)，再加入表面活性剂羟甲基纤维素钠、十二烷基硫酸钠(羟甲基纤维素钠加入量为氧化铝短纤维的2wt％、十二烷基硫酸钠加入量为氧化铝短纤维的4wt％)搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧(温度为800℃，煅烧时间为300min)得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在氮气的保护下进行；
S3：将S1中预处理后的短玻纤8份与脂肪族环氧树脂50份、偶联剂KH-5600.3份、KH-560 0.3份、固化剂六次甲基四胺3份进行搅拌均匀后涂敷于洁净的涡旋破碎装置叶轮表面，涂敷厚度为30um；
S4：将二甲基硅橡胶50份、纳米氧化钛5份(平均粒径为50nm)、固化剂乙二胺3份、偶联剂KH-570 0.5份混合均匀后，涂敷于已经固化的基层涂层上，涂敷厚度为10um；
S5：将S2中预处理后的氧化铝短纤维8份、聚乙烯醇缩丁醛树脂(聚乙烯醇缩丁醛树脂中的缩丁醛含量为50wt％)50份、固化剂乙二胺3份和偶联剂KH-550 0.5份混合均匀后，涂敷于已经固化的中间层涂层上，涂敷厚度为30um。
实施例4
与实施例3的区别仅在于：缺少S1和S2的步骤，没有对短玻纤表面以及氧化铝短纤维表面进行预处理。
实施例5
与实施例3的区别仅在于：缺少对氧化铝短纤维表面用氢氟酸溶液浸泡的过程，直接对氧化铝短纤维进行类似S1步骤的表面包覆碳的预处理步骤。
对比例1
对比例1与实施例4的区别仅在于：将基层中的短玻纤换成纳米二氧化硅颗粒。
对比例2
对比例2与实施例4的区别仅在于：将表层中的氧化铝短纤维换成纳米氧化铝颗粒。
对比例3
对比例3与实施例3的区别仅在于：将基层中的环氧树脂换成聚氨酯或丙烯酸酯树脂。
对比例4
对比例4与实施例3的区别仅在于：将中间层中的橡胶换成环氧树脂、聚氨酯树脂或丙烯酸酯树脂。
对比例5
对比例5与实施例3的区别仅在于：将表层中的聚乙烯醇缩丁醛树脂换成环氧树脂、聚氨酯树脂或丙烯酸酯树脂。
表征
(1)附着力性能
按照《胶粘剂的抗剥离性的标准试验方法》(ASTM D1876-2000T)，对实施例及对比例的涂层附着力性能进行检测。试板尺寸为100mm×100mm×3mm，按照实施例及对比例的方法在金属基材上涂敷基层、中间层和表层。用刀具在试样表面划2条平行的划痕，宽度在10mm～15mm。在平行划痕的一端，先用刀划1条垂直的划痕，再用凿子凿起，使此端与基质脱粘。当脱粘长度达到10mm时，用夹具固定此自由端。夹具与测力计相连，并成90°拉伸。当涂层不能从基质表面剥离而只能断裂时，得到附着力。
(2)硬度
按照《橡胶特性-邵氏硬度计测硬度的标准试验方法》(ASTM D2240)，对实施例及对比例中的涂层硬度进行测试，硬度高表示涂层在硬度较高的粉尘工况中具有更优异的耐冲蚀性能，保证涂层的完整性。
(3)耐冲击性实验
冲击性指的是当试样受到外力冲击时，对其表现的抵抗能力。涂层的耐冲击性能又称冲击强度，指的是涂覆在基材上的漆膜在受到高速率的重力作用时发生快速变形但却不开裂，也不从金属基材上脱落的能力，它表现了待测涂层的韧性和对基材的附着力。
本次耐冲击性能测定采用漆膜冲击器，通过控制重锤的质量为1kg，改变重锤下降的高度，测量涂层受到冲击时发生最大变形的高度。涂层耐冲击性能的具体大小用重锤下降的高度与质量的之间的乘积来表示，单位为kg·cm。
(4)耐磨性
测定标准为GB/T 1768—2005/7784-2.1997。涂层的耐磨性能指的是涂层表面在受到外界作用力的摩擦时，对其进行抵抗的能力。
(5)外观
观察涂层表面是否平整以及是否由孔洞。
表1涂层性能测试结果
Figure BDA0003315145900000091
Figure BDA0003315145900000101
从上表1中的实验结果可知：
(1)本申请得到的涂层与金属基材附着力较好，可以牢固的附着于风机表面；本申请得到的涂层硬度较高，表明涂层具有优异的耐冲蚀性，涂层能更好的保持完整性；本申请得到的涂层抗冲击性能优异，使得涂层更加适合涡旋破碎装置叶轮用；本申请得到的耐磨性优异，外观凭证且无孔洞，可以有效延长风机的使用寿命。
(2)从实施例4与实施例3的数据对比可知，短玻纤、氧化铝短纤维表面进行碳化处理，得到的涂层比没有处理的涂层性能更加优异；
(3)从实施例5与实施例3的数据对比可知，利用氢氟酸溶液对氧化铝短纤维表面进行刻蚀后再进行碳化处理，使得到的涂层性能更优异。
(4)从对比例1、对比例2与实施例4相比可知，将纤维换成同成分的纳米颗粒，得到的涂层性能有所降低；
(5)从对比例3、对比例4以及对比例5的数据可知，将每一层中的成膜成分替换后，得到的涂层性能有所降低。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，其特征在于，包括基层、中间层和表层，按重量份数计，所述基层包括：短玻纤5-10份、环氧树脂30-70份、偶联剂0.1-1份、固化剂1-5份；所述中间层包括橡胶20-60份、纳米氧化钛4-7份、固化剂1-5份、偶联剂0.1-1份；所述表层包括：氧化铝短纤维5-10份、聚乙烯醇缩丁醛树脂30-80份、固化剂1-5份、偶联剂0.1-1份。
2.根据权利要求1所述的一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，其特征在于：所述短玻纤的平均长度为：0.1-0.3mm，单丝直径为5-20um；
所述氧化铝短纤维的平均长度为：0.1-0.5mm，单丝直径为3-10um；
所述纳米氧化钛的平均粒径为40-100nm。
3.根据权利要求1所述的一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，其特征在于：所述基层厚度为20-50um；所述中间层厚度为5-20um；所述表层厚度为20-50um。
4.根据权利要求1所述的一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂，优选硅烷偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种或多种；
所述固化剂为胺类固化剂，所述胺类固化剂包括乙二胺、己二胺、N,N-二甲基苯胺、六次甲基四胺中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，其特征在于：所述氧化铝短纤维中氧化铝含量为95wt％，二氧化硅含量为5wt％。
6.根据权利要求1所述的一种涡旋破碎装置叶轮用涂层，其特征在于：
所述环氧树脂为双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、脂肪族环氧树脂中的一种或多种；
所述聚乙烯醇缩丁醛树脂中的缩丁醛含量为45～50wt％；
所述橡胶包括氯化橡胶、天然橡胶、二甲基硅橡胶、甲基乙烯硅橡胶的一种或多种。
7.一种涡旋破碎装置叶轮用涂层的制备工艺，其特征在于，包括：
S1：短玻纤表面进行预处理，所述预处理方法为：将短玻纤分散于含碳源物质的水溶液中，再加入表面活性剂搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在惰性气体的保护下进行；
S2：氧化铝短纤维表面预处理，预处理方法为：将氧化铝短纤维放入含氢氟酸的溶液中浸泡，浸泡后的氧化铝短纤维分散于含碳源物质的水溶液中，再加入表面活性剂搅拌均匀后进行烘干，烘干后再进行高温煅烧得到碳包覆的短玻纤，所述高温煅烧过程在惰性气体的保护下进行；
S3：将S1中预处理后的短玻纤与环氧树脂、偶联剂、固化剂进行搅拌均匀后涂敷于洁净的涡旋破碎装置叶轮表面；
S4：将橡胶、纳米氧化钛、固化剂、偶联剂混合均匀后，涂敷于已经固化的基层涂层上；
S5：将S2中预处理后的氧化铝短纤维、聚乙烯醇缩丁醛树脂、固化剂和偶联剂混合均匀后，涂敷于已经固化的中间层涂层上。
8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于：S1及S2中高温煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为200-400min。
9.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于：含碳源物质为淀粉、甘油、葡萄糖中的一种或多种，所述含碳源物质的加入量为短玻纤或氧化铝短纤维的20-60wt％；
所述惰性气体为氮气；
所述表面活性剂为羟甲基纤维素钠、十二烷基硫酸钠、N-月桂酰肌氨酸钠、石蜡、羟乙基纤维素的一种或多种，所述表面活性剂的加入量为短玻纤或氧化铝短纤维的5-10wt％。
10.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于：按重量百分比计，所述S2中含氢氟酸的溶液中，氢氟酸含量为1-5％；浸泡时间为10-40s。
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