有機硅改性聚酯樹脂的耐磨涂料研制

更新日期:2019-03-13
現代涂料與涂裝

有機硅改性聚酯樹脂的耐磨涂料研制

張全偉,張劍飛,李斌,王進忠,馬艷青

(中昊北方涂料工業研究設計院有限公司,蘭州 730020)

摘要:以有機硅改性聚酯樹脂作為耐磨樹脂,該樹脂的羥值、有機硅的含量、分子結構對涂膜的性能及涂料的貯存穩定性等有重大影響。以耐磨樹脂為基料,選用碳化硅等作為耐磨填料,選用二硫化鉬等作為潤滑填料,從而制備了一種具有優異機械性能和良好防腐蝕性能的耐磨涂料。

關鍵詞:有機硅改性聚酯樹脂;耐磨填料;潤滑填料;防腐蝕性能。

0  引言

隨著科技進步,各種機械設施及其零部件的工作環境變得日益嚴厲,它們不僅工作在各種復雜的環境中,同時像人造衛星、高速列車、宇宙飛船、發動機和汽輪機的葉輪、艦船的螺旋槳、船舶的甲板以及水輪發電機的葉片、路標、建筑物的地板等,都經常受到氣流、砂石和水流的沖蝕、撞擊、摩擦等力的作用。在該環境下使用一段時間后,基材表面會出現一定程度的破壞或磨損,從而影響設備的使用安全和使用壽命。通過在機械設備表面涂裝耐磨涂料,是一種具有很大應用前景和發展前途的表面強化技術。材料表面在經過耐磨涂料涂裝后,不僅可以防止零部件等的磨損、延長設備的使用壽命,同時還可以對基體材料起到防腐蝕保護作用。由于該技術具有簡易、快速、費用低、適合現場作業等特點,從而成為提高機械設備耐磨性能的主要手段之一。

我們根據市場需求,自主設計并研發了新一代耐磨涂料。本文研制的耐磨涂料具有優異的耐磨性能和良好的防腐蝕性能。工業設備在經過該涂料的涂裝后,可以在很大程度上提高金屬接觸面的耐磨性能,對機械設備的關鍵部位進行保護的同時提升了設備的防腐蝕性能,提升了機械設備的安全性,延長了機械設備的實際使用壽命。

1 試驗部分

1.1主要原材料

16-己二醇、三羥乙基異氰脲酸酯、環己烷二甲酸酐、三羥甲基丙烷、14-環己烷二甲醇、有機硅樹脂、 N-3390SiC、石墨、二硫化鉬、助劑、催化劑、紫外線吸收劑、溶劑,以上均為工業原材料。

1.2  耐磨樹脂的研制

我們首先用自主合成的高羥值聚酯樹脂作為主體樹脂,它與異氰酸酯樹脂反應生成聚氨酯,副產物較少,因此體積收縮率小,固化后產生的內應力也較少,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,我們選用高交聯的有機硅樹脂來共聚改性聚酯樹脂。由于聚酯樹脂耐熱溫度是155 ℃,而有機硅樹脂耐熱溫度為300 ℃,有機硅樹脂共聚改性聚酯樹脂的耐熱溫度為200  250 ℃,因此加入有機硅樹脂,還可以提高涂膜的耐熱性能,同時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。

 合成聚酯樹脂時采用了脂肪族和環酯族的酸和醇,可以使涂膜獲得較好的耐候性。樹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定性良好的單體制備的聚酯樹脂固體樹脂羥值為(250±10) mgKOH/g,該樹脂與HDI三聚體固化后能夠獲得耐水性良好的涂膜,為使這種高交聯密度的涂膜具有很好的抗沖擊性能和柔韌性,在合成樹脂時采用了線型結構1,6-己二醇,并且通過分步合成工藝,使每個聚酯樹脂分子中都含有1,6-己二醇單元結構,涂料固化后保證了涂膜的韌性。

1.3 耐磨填料以及潤滑填料的選擇

耐磨填料提供硬性和耐熱性的作用,因為耐磨涂層與設備表面接觸產生相對運動時因摩擦而使接觸點處溫度升高。高溫會影響分子間的范德華力,導致分子間內聚能下降,表面材料抗剪切強度下降,加劇涂層的磨損,因此我們選用高硬度、高強度、耐熱性的填料SiC,氧化鋁來作為耐磨填料。而潤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構,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合能力較弱,從而形成了分子層間極易移動的潤滑條件,這使得二硫化鉬在涂膜中起到優良的潤滑性能,從而使兩個接觸面滿足良好的潤滑要求,起到減小磨損與摩擦的效果。

1.4 耐磨涂料的制備

首先是研制耐磨樹脂,本文選用有機硅改性高羥值聚酯樹脂和反應速度較快的異氰酸樹脂HDI三聚體N-3390為該涂料的成膜樹脂,該成膜樹脂硬度與柔韌兼具,在耐磨涂料中起到關鍵性作用。另外選擇適合的耐磨填料以及潤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、等做為潤滑填料達到減少摩擦的效果。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,溶劑能夠使樹脂、填料以及助劑極好的溶解和潤濕。

2 結果與討論

2.1 有機硅改性聚酯樹脂研究

用有機硅改性聚酯樹脂,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,同時也提高了涂膜的耐熱性能以及耐介質性能。聚酯樹脂用有機硅樹脂改性后還提高了耐水性,因為改性后的聚酯樹脂表面自由能隨著有機硅含量的增多而減少,少量有機硅就能夠很大程度地減小聚酯樹脂的表面自由能,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硅樹脂的不同加量對耐磨性能以及其他性能的影響。

1    有機硅樹脂的不同加量對性能的影響

樹脂

比例

耐磨性

機械性能

聚酯


1.5

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

聚酯∶有機硅樹脂

3∶1

1.1

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

聚酯∶有機硅樹脂

2∶1

0.9

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

聚酯∶有機硅樹脂

1∶1

2.5

50 cm正沖過反沖不過,柔韌性1 mm,附著力2級

通過上述試驗數據可以看到當聚酯多元醇與有機硅樹脂按照21共聚,耐磨性能優異,耐磨數據為0.9 mg,機械性能良好。

2.2 耐磨和潤滑填料的加量以及填料復配對耐磨性能的影響

由于傳統耐磨涂料沒有考慮到耐磨過程會產生熱,本文中通過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對耐磨性能有很大的改善。表2為一些耐磨和潤滑填料加量對耐磨性能的影響,表3為耐磨和潤滑填料進行復配對耐磨性能的影響。

2   不同填料在不同顏基比下對耐磨以及其他性能的影響

填料

顏基比

耐磨性

機械性能

碳化硅

 

1.0∶1.0

0.8

50 cm正沖過反沖不過,柔韌性2 mm,附著力2級

0.5∶1.0

0.4

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

0.3∶1.0

0.3

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

二硫化鉬

1.5∶1.0

15.9

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力2級

0.8∶1.0

9.4

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

0.4∶1.0

4.3

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

 通過上述試驗數據可以選擇碳化硅在顏基比為0.51.0,二硫化鉬在顏基比為0.41.0時耐磨性能優異,表干速度和機械性能良好。

3    耐磨和潤滑填料進行復配對耐磨性能的影響

填料

填料比

顏基比

耐磨性

機械性能

碳化硅∶二硫化鉬

1.0∶0.4

1.4∶1.0

8.8

50 cm正沖過反沖不過,柔韌性1 mm,附著力2級

5∶2

0.7∶1.0

1.6

50 cm正反沖過,柔韌性1 mm,附著力1級

    通過上面關于耐磨與潤滑填料的復配的試驗我們最終選擇碳化硅,二硫化鉬填料比為52且顏基比為0.71.0時耐磨、表干和機械性能綜合最優。其中碳化硅起到耐磨作用,而二硫化鉬在涂膜中起到潤滑的作用。

2.3 耐磨涂料的防腐蝕性能

耐磨涂料具有優良的耐濕熱、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,涂層無變化,樣板耐紫外老化30 d涂膜無粉化、保光率≥90%、△E≤3。說明該涂層不僅具有優異的耐磨性能同時具有良好的防腐蝕性能,可以完全延長基材以及機械設備的使用壽命。

2.4 涂料助劑的選擇以及對涂層質量的影響

涂料的樹脂、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可以厚涂,并且不影響涂膜的光澤;加入適當的二月桂酸二丁基錫使該涂料達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,制漆時加入了紫外線吸收劑。

結語

1)通過采用16-己二醇、三羥乙基異氰脲酸酯、環己烷二甲酸酐、14-環己烷二甲醇合成高羥值韌性聚酯樹脂,然后對聚酯樹脂用有機硅樹脂改性。該成膜樹脂柔韌與硬度兼具,具有極好的耐磨性能,在耐磨涂料中起到關鍵性作用。

2)選擇適合的耐磨填料以及潤滑填料,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,石墨等潤滑填料起到減少摩擦的作用。其中當耐磨與潤滑填料的復配比例是碳化硅:二硫化鉬填料比為52且顏基比為0.71.0時耐磨、表干和機械性能綜合最優。

3)本文中研制的耐磨涂料既有優異的耐磨性能,又有良好的防腐蝕性能和機械性能,因此涂裝耐磨涂料可以提高了機械設備的安全可靠性,延長了設備的實際使用壽命。

(詳見《現代涂料與涂裝》2019-2期)

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