摘 要：为了改善有机涂层的耐磨性， 以超细 Al2O3陶瓷颗粒增强环氧树脂， 提高有机涂层的力学性能和物理性能。 利用静电粉末喷涂环氧粉末、 环氧/Al2O3、 环氧粉末制备环氧/Al2O3梯度涂层， 利用打分法、 冲蚀试验研究了制备涂层的结合强度、 耐磨性等性能。 研究表明： 基体经表面处理后， 三层梯度涂层的结合力最强； 当添加 30%Al2O3陶瓷颗粒， 涂层固化温度为 220 ℃、 时间为 20 min 时， 涂层的耐磨性、 硬度为最佳， 涂层硬度可达到 43 HV， 用 16～18 目的金刚砂冲刷 90 s 后， 涂层的磨损率仅为 0.45%。
关键词： 静电喷涂； 环氧/Al2O3涂层； 耐磨性
0 前 言
有机高聚物涂层具有良好的化学稳定性和防腐蚀性能， 但涂层耐磨性比较差。 例如当有机涂层用于油气输送管道时， 油气中掺杂的固体颗粒对油气输送管道会造成严重的磨损腐蚀， 并导致高聚物涂层提前破裂。 为了改善单一聚合物涂层性能， 近年来， 相继出现有机/无机复合材料［1-2］， 这种材料具有无机材料和有机材料的特点。 最常用的方法是制备无机/有机复合涂层， 这种复合涂层不仅具有［3-4］有机聚合物材料的高韧性、 高弹性和耐化学稳定性高、 防腐蚀性能好、 与金属的粘着性高等特点， 还具有无机陶瓷材料的高强度、 高刚性， 克服单一的有机材料耐磨性差和单一无机材料韧性差的缺点。
通过梯度设计法， 采用多层喷涂制备高聚物/Al2O3防腐耐磨的功能涂层， 并对涂层的性能进行研究， 为多层复合涂层在石油管道中的应用提供参考。
1 试 验
试验基体材料为 Q235 钢， 规格为 48 mm×40 mm×5 mm 钢板。 喷涂粉末材料为市售的环氧树脂粉末和粒径为 5～10 μm 的 Al2O3粉末。
1.1 环氧/Al2O3粉末制备
采用机械混合方法将环氧树脂粉末和粒径为5～10 μm 的 Al2O3粉末机械搅拌混合， 混合物中环氧/Al2O3的质量分数分别为 10%，20%，30%和 40%。对基体表面采用喷砂处理方法除锈和粗化，喷砂的压强选用 0.6 MPa， 砂粒为 14～18 目的金刚砂， 使整个表面暴露出新的金属表面为止。
1.2 涂层的制备
对喷砂除锈粗化后的试样， 放入烘箱中预热到 70 ℃， 采用 NewKCl-CU801 型静电喷涂设备喷涂环氧树脂粉末 0.5 mm 左右。 然后将喷涂后的试样放入烘箱 140 ℃半固化 10 min 后， 进行第二层环氧树脂/Al2O3粉末耐磨层喷涂， 再在 140℃固化10 min 后， 进行第三层环氧树脂粉末表面喷涂， 最后将试样放入 220 ℃固化箱中固化 20～30 min， 使表面充分流平并使过渡层、 混合粉末耐磨层及表面涂层彻底固化成为一体。
喷涂工艺参数： 压缩空气为 0.5～0.7 MPa；
静电喷涂电压为 50～60 kV； 喷枪口与工件距离100～150 mm［5］。 喷涂工艺流程如图 1 所示。
1.3 涂层检测
利用 YX-6050A 型喷砂机对涂层进行抗冲蚀磨损性能测试， 选用粒径为 14～18 目的金刚砂。冲蚀磨损试样时选用压力为 0.4 MPa， 距离 10～15 mm， 时间 10～90 s， 冲蚀角 90°。 用电子天平测试在冲蚀一定时间后的质量损失。
采用维氏硬度计对环氧基涂层及聚合物/Al2O3涂层的硬度进行检测， 采用划痕法对涂层进行结合强度的测定， 划痕试验是将涂层用刀片划为 1 cm2的小方格。 然后用刀片撬涂层， 观察涂层剥落状况。 结合强度的评定采用打方法， 打分方法见表 1。
2 结果与讨论
2.1 结合强度测试结果及讨论
几种不同环氧粉末静电喷涂涂层的结合强度测试结果见表 2。
从表 2 可见， 三层梯度涂层和纯环氧涂层的结合强度相当。 在环氧粉末涂层表面再喷涂环氧/Al2O3涂层， 结合强度低于纯环氧涂层和三层的梯度涂层， 这可能是由于已固化的涂层再进行喷涂， 再次固化降低了涂层与基体表面分子之间结合力所引起。 另外， 涂层的厚度增大， 也增大了涂层与基体之间的应力， 因此使环氧涂层表面再次加工环氧/Al2O3涂层后， 涂层的结合强度下降。 环氧粉末/Al2O3混合粉末单独制备涂层的结合强度与表面未喷砂处理的纯环氧涂层的结合强度相近， 这可能是由于 Al2O3陶瓷粉末加入， 降低了环氧粉末固化的粘结强度； 另外， 30%Al2O3陶瓷粉末加入， 使胶接面上胶的含量降低， 也降低了涂层的粘结强度， 试验中还发现， 环氧/Al2O3涂层的整体强度低， 用刀片剥离时容易产生碎片。 完整的梯度涂层结合强度好， 用刀片剥离时不产生碎片。 这是由于三层涂层的底层为纯环氧树脂， 不降低涂层与基体的粘结强度， 底层固化仅是在 140 ℃固化， 底层并未完全固化， 只是涂层变硬， 利于再次喷涂加工环氧/Al2O3涂层；再次加工喷涂的环氧/Al2O3涂层固化温度仍选140 ℃， 简化了加工工艺和固化设备； 喷涂表面层可以使涂层表面光滑， 起到减磨作用。 三层最后一次在 220 ℃条件下固化， 可使三层固化为一个整体， 克服了由于多次固化降低层之间结合力的问题， 从而不降低涂层与基体的结合强度。 图 2 为无表面层的环氧/30%Al2O3涂层的表面形貌， 由图 2 可见， 表面明显为凹凸不平。图 3 为梯度涂层的表面形貌， 由图3 可见， 表面比较光滑平整。
2.2 Al2O3含量对涂层性能的影响
为了确定最佳的 Al2O3含量， 测试了不同Al2O3含量环氧涂层的硬度和冲蚀强度。 图 4 为不同含量 Al2O3环氧涂层的硬度测试结果， 由图4 可见， 在 Al2O3含量小于 30%时， 随着 Al2O3含量的增大， 涂层的硬度增大。 当 Al2O3含量为30%时， 涂层硬度达到 43 HV， 比纯环氧涂层硬度 36 HV 高出 19%； 当 Al2O3含量大于 30%时，环氧涂层的硬度反而降低。 这可能是在 Al2O3较低时， 较少的 Al2O3就可对环氧树脂起到增强的作用； Al2O3含量过大时， 环氧树脂之间的胶粘性降低， 涂层容易开裂， 使涂层硬度降低。
利用冲刷的方法对涂层进行了冲刷磨损试验，试验结果如图 5 所示。 由图 5 可见， Al2O3含量小于 30%时， 随着 Al2O3含量的增大， 涂层的耐冲刷磨损性能直线上升， 即磨损量直线下降。 在Al2O3含量为 30%时达到最低值， 冲刷 90 s 涂层的磨损率仅为 0.45%， 比纯环氧涂层磨损率为 0.9%高出一倍。 当 Al2O3含量大于 30%时， 涂层的磨损率反而增大， 这可能是由于 Al2O3含量过大，环氧树脂的胶粘能降低， 使涂层容易破碎所引起。
Al2O3提高了涂层的硬度和耐磨性的原因是硬质填料在摩擦过程中具有负荷支撑作用［6］。 当耐磨涂层被坚硬磨粒撞击而形成磨蚀时， 增强颗粒不是通过阻碍位错运动使涂层强化， 而是借助于自身硬度限制颗粒临近聚合物分子的运动，约束高分子的变形来达到提高涂层的硬度和断裂韧性［7］。 这样， 复合涂层高硬度抵抗或限制了磨粒的犁槽能力， 而高断裂韧性限制了磨粒撞击所产生裂纹的延伸。 另外 Al2O3陶瓷颗粒减少了环氧树脂固化时产生的应力， 降低了气孔率和软质第二相［8］。
2.3 固化时间对耐磨性的影响
不同固化时间对梯度环氧粉末/Al2O3涂层冲蚀磨损性能影响的试验结果如图 6 所示。 由图 6可见， 随着固化时间延长， 耐磨性增大， 即磨损量降低， 当固化 20 min 以后， 涂层的磨损量基本不变， 说明在 220 ℃的条件下， 固化 20 min，环氧树脂已完全固化。
3 结 论
采用超细 Al2O3陶瓷颗粒增韧环氧树脂， 制备环氧树脂/Al2O3梯度耐磨防腐涂层。 结果表明，采用环氧—环氧/Al2O3—环氧三层结构涂层， 可使涂层的结合强度表面平整性与单层的环氧涂层相同， 添加 Al2O3陶瓷颗粒的含量 30%为最佳， 在220 ℃， 固化 20 min， 涂层的硬度由 36 HV 提高到43 HV， 涂层的冲刷磨损率由 0.91%下降 到0.45%。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
