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摘要：以有機(jī)硅改性聚酯樹(shù)脂作為耐磨樹(shù)脂，該樹(shù)脂的羥值、有機(jī)硅的含量、分子結(jié)構(gòu)對(duì)涂膜的性能及涂料的貯存穩(wěn)定性等有重大影響。以耐磨樹(shù)脂為基料，選用碳化硅等作為耐磨填料，選用二硫化鉬等作為潤(rùn)滑填料，從而制備了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能和良好防腐蝕性能的耐磨涂料。
關(guān)鍵詞：有機(jī)硅改性聚酯樹(shù)脂；耐磨填料；潤(rùn)滑填料；防腐蝕性能。
0 引言
隨著科技進(jìn)步，各種機(jī)械設(shè)施及其零部件的工作環(huán)境變得日益嚴(yán)厲，它們不僅工作在各種復(fù)雜的環(huán)境中，同時(shí)像人造衛(wèi)星、高速列車、宇宙飛船、發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)的葉輪、艦船的螺旋槳、船舶的甲板以及水輪發(fā)電機(jī)的葉片、路標(biāo)漆、建筑物的地板等，都經(jīng)常受到氣流、砂石和水流的沖蝕、撞擊、摩擦等力的作用。在該環(huán)境下使用一段時(shí)間后，基材表面會(huì)出現(xiàn)一定程度的破壞或磨損，從而影響設(shè)備的使用安全和使用壽命。通過(guò)在機(jī)械設(shè)備表面涂裝耐磨涂料，是一種具有很大應(yīng)用前景和發(fā)展前途的表面強(qiáng)化技術(shù)。材料表面在經(jīng)過(guò)耐磨涂料涂裝后，不僅可以防止零部件等的磨損、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)還可以對(duì)基體材料起到防腐蝕保護(hù)作用。由于該技術(shù)具有簡(jiǎn)易、快速、費(fèi)用低、適合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)等特點(diǎn)，從而成為提高機(jī)械設(shè)備耐磨性能的主要手段之一。
我們根據(jù)市場(chǎng)需求，自主設(shè)計(jì)并研發(fā)了新一代耐磨涂料。本文研制的耐磨涂料具有優(yōu)異的耐磨性能和良好的防腐蝕性能。工業(yè)設(shè)備在經(jīng)過(guò)該涂料的涂裝后，可以在很大程度上提高金屬接觸面的耐磨性能，對(duì)機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)提升了設(shè)備的防腐蝕性能，提升了機(jī)械設(shè)備的安全性，延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的實(shí)際使用壽命。
1 試驗(yàn)部分
1.1主要原材料
1，6-己二醇、三羥乙基異氰脲酸酯、環(huán)己烷二甲酸酐、三羥甲基丙烷、1，4-環(huán)己烷二甲醇、有機(jī)硅樹(shù)脂、 N-3390、SiC、石墨、二硫化鉬、助劑、催化劑、紫外線吸收劑、溶劑，以上均為工業(yè)原材料。
1.2 耐磨樹(shù)脂的研制
我們首先用自主合成的高羥值聚酯樹(shù)脂作為主體樹(shù)脂，它與異氰酸酯樹(shù)脂反應(yīng)生成聚氨酯，副產(chǎn)物較少，因此體積收縮率小，固化后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也較少，并且在涂膜中提供耐磨以及韌性的作用。為了涂膜具有更好的硬度和耐磨性，我們選用高交聯(lián)的有機(jī)硅樹(shù)脂來(lái)共聚改性聚酯樹(shù)脂。由于聚酯樹(shù)脂耐熱溫度是155 ℃，而有機(jī)硅樹(shù)脂耐熱溫度為300 ℃，有機(jī)硅樹(shù)脂共聚改性聚酯樹(shù)脂的耐熱溫度為200 ～ 250 ℃，因此加入有機(jī)硅樹(shù)脂，還可以提高涂膜的耐熱性能，同時(shí)還可以提高涂膜耐水性能，耐候性能以及與基材的附著力。該樹(shù)脂體系在耐磨涂料中提供了極好的耐磨性能以及其他綜合性能。
合成聚酯樹(shù)脂時(shí)采用了脂肪族和環(huán)酯族的酸和醇，可以使涂膜獲得較好的耐候性。樹(shù)脂中引入了三羥乙基異氰脲酸酯，提高了涂膜的耐磨性和硬度。采用的這些耐水解穩(wěn)定性良好的單體制備的聚酯樹(shù)脂固體樹(shù)脂羥值為（250±10） mgKOH/g，該樹(shù)脂與HDI三聚體固化后能夠獲得耐水性良好的涂膜，為使這種高交聯(lián)密度的涂膜具有很好的抗沖擊性能和柔韌性，在合成樹(shù)脂時(shí)采用了線型結(jié)構(gòu)1，6-己二醇，并且通過(guò)分步合成工藝，使每個(gè)聚酯樹(shù)脂分子中都含有1，6-己二醇單元結(jié)構(gòu)，涂料固化后保證了涂膜的韌性。
1.3 耐磨填料以及潤(rùn)滑填料的選擇
耐磨填料提供硬性和耐熱性的作用，因?yàn)槟湍ネ繉优c設(shè)備表面接觸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)因摩擦而使接觸點(diǎn)處溫度升高。高溫會(huì)影響分子間的范德華力，導(dǎo)致分子間內(nèi)聚能下降，表面材料抗剪切強(qiáng)度下降，加劇涂層的磨損，因此我們選用高硬度、高強(qiáng)度、耐熱性的填料SiC，氧化鋁來(lái)作為耐磨填料。而潤(rùn)滑填料主要選擇二硫化鉬、石墨。二硫化鉬分子是六角形層狀結(jié)構(gòu)，其分子排列是中間為鉬原子， 外層為硫原子。微觀上，由于 S原子在分子層之間的結(jié)合能力較弱，從而形成了分子層間極易移動(dòng)的潤(rùn)滑條件，這使得二硫化鉬在涂膜中起到優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，從而使兩個(gè)接觸面滿足良好的潤(rùn)滑要求，起到減小磨損與摩擦的效果。
1.4 耐磨涂料的制備
首先是研制耐磨樹(shù)脂，本文選用有機(jī)硅改性高羥值聚酯樹(shù)脂和反應(yīng)速度較快的異氰酸樹(shù)脂HDI三聚體N-3390為該涂料的成膜樹(shù)脂，該成膜樹(shù)脂硬度與柔韌兼具，在耐磨涂料中起到關(guān)鍵性作用。另外選擇適合的耐磨填料以及潤(rùn)滑填料在耐磨涂料中極其重要，本文選擇SiC等作為耐磨填料提供抗磨損的作用，選用二硫化鉬、石墨、等做為潤(rùn)滑填料達(dá)到減少摩擦的效果。最后我們選擇適合的助劑和溶劑，助劑使得涂層表面光滑平整，顏色均一，耐磨性能更突顯，溶劑能夠使樹(shù)脂、填料以及助劑極好的溶解和潤(rùn)濕。
2 結(jié)果與討論
2.1 有機(jī)硅改性聚酯樹(shù)脂研究
用有機(jī)硅改性聚酯樹(shù)脂，不僅可以提高涂膜的硬度，還可以改善涂膜在基材上的附著力，同時(shí)也提高了涂膜的耐熱性能以及耐介質(zhì)性能。聚酯樹(shù)脂用有機(jī)硅樹(shù)脂改性后還提高了耐水性，因?yàn)楦男院蟮木埘?shù)脂表面自由能隨著有機(jī)硅含量的增多而減少，少量有機(jī)硅就能夠很大程度地減小聚酯樹(shù)脂的表面自由能，而降低表面自由能有利用于涂膜的耐水性能的改善。表1為在聚酯多元醇中有機(jī)硅樹(shù)脂的不同加量對(duì)耐磨性能以及其他性能的影響。
表1 有機(jī)硅樹(shù)脂的不同加量對(duì)性能的影響
通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到當(dāng)聚酯多元醇與有機(jī)硅樹(shù)脂按照2∶1共聚，耐磨性能優(yōu)異，耐磨數(shù)據(jù)為0.9 mg，機(jī)械性能良好。
2.2 耐磨和潤(rùn)滑填料的加量以及填料復(fù)配對(duì)耐磨性能的影響
由于傳統(tǒng)耐磨涂料沒(méi)有考慮到耐磨過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱，本文中通過(guò)添加一些耐磨耐熱填料SiC，既可以提高涂膜的耐熱性能也同時(shí)對(duì)耐磨性能有很大的改善。表2為一些耐磨和潤(rùn)滑填料加量對(duì)耐磨性能的影響，表3為耐磨和潤(rùn)滑填料進(jìn)行復(fù)配對(duì)耐磨性能的影響。
表2 不同填料在不同顏基比下對(duì)耐磨以及其他性能的影響
通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以選擇碳化硅在顏基比為0.5∶1.0，二硫化鉬在顏基比為0.4∶1.0時(shí)耐磨性能優(yōu)異，表干速度和機(jī)械性能良好。
表3 耐磨和潤(rùn)滑填料進(jìn)行復(fù)配對(duì)耐磨性能的影響
通過(guò)上面關(guān)于耐磨與潤(rùn)滑填料的復(fù)配的試驗(yàn)我們最終選擇碳化硅，二硫化鉬填料比為5∶2且顏基比為0.7∶1.0時(shí)耐磨、表干和機(jī)械性能綜合最優(yōu)。其中碳化硅起到耐磨作用，而二硫化鉬在涂膜中起到潤(rùn)滑的作用。
2.3 耐磨涂料的防腐蝕性能
耐磨涂料具有優(yōu)良的耐濕熱、耐鹽霧和耐老化性能。涂有耐磨涂料的樣板在濕熱箱里放置30 d涂膜表面不起泡，在中性鹽霧箱里放置7天涂膜表面不起泡，涂層無(wú)變化，樣板耐紫外老化30 d涂膜無(wú)粉化、保光率≥90%、△E≤3。說(shuō)明該涂層不僅具有優(yōu)異的耐磨性能同時(shí)具有良好的防腐蝕性能，可以完全延長(zhǎng)基材以及機(jī)械設(shè)備的使用壽命。
2.4 涂料助劑的選擇以及對(duì)涂層質(zhì)量的影響
涂料的樹(shù)脂、溶劑、顏填料體系確定后，為提高涂層的性能，在涂料中選用了適宜的助劑，分散劑用于顏料的分散，并且可以降低涂料的粘度；BYK-066N，BYK-054為消泡劑，可以在涂料噴涂施工時(shí)快速脫泡和破泡； BYK-410作為防沉劑和防流掛助劑，這種改性脲類型的助劑使涂料施工時(shí)可以厚涂，并且不影響涂膜的光澤；加入適當(dāng)?shù)亩鹿鹚岫』a使該涂料達(dá)到所需的干性和適用期；BYK-378作為流平劑，這種流平劑可明顯增進(jìn)涂膜的表面滑爽，提高涂層的耐沾污性能和耐磨性。為保證面漆具有更好的耐候性，制漆時(shí)加入了紫外線吸收劑。
3 結(jié)語(yǔ)
1）通過(guò)采用1，6-己二醇、三羥乙基異氰脲酸酯、環(huán)己烷二甲酸酐、1，4-環(huán)己烷二甲醇合成高羥值韌性聚酯樹(shù)脂，然后對(duì)聚酯樹(shù)脂用有機(jī)硅樹(shù)脂改性。該成膜樹(shù)脂柔韌與硬度兼具，具有極好的耐磨性能，在耐磨涂料中起到關(guān)鍵性作用。
2）選擇適合的耐磨填料以及潤(rùn)滑填料，其中耐磨填料選用SiC，可以提高涂膜的抗磨損的作用，選用二硫化鉬，石墨等潤(rùn)滑填料起到減少摩擦的作用。其中當(dāng)耐磨與潤(rùn)滑填料的復(fù)配比例是碳化硅：二硫化鉬填料比為5∶2且顏基比為0.7∶1.0時(shí)耐磨、表干和機(jī)械性能綜合最優(yōu)。
3）本文中研制的耐磨涂料既有優(yōu)異的耐磨性能，又有良好的防腐蝕性能和機(jī)械性能，因此涂裝耐磨涂料可以提高了機(jī)械設(shè)備的安全可靠性，延長(zhǎng)了設(shè)備的實(shí)際使用壽命。
