火焰喷涂超高分子聚乙烯涂层工艺及性能研究
赵晓东，任先京，沈婕
摘 要：以结晶度为衡量指标，通过正交试验确定了火焰喷涂超高分子聚乙烯（UHME- PE）的较优工艺参数，采用氮气侧吹冷却技术使涂层的结晶度降低了 13.93%，涂层结合强度提高了 16.42%；对 UHME- PE 涂层耐磨粒冲蚀机理进行了初步探讨。
关键词：火焰喷涂UHME- PE 涂层；结晶度；耐磨性
火焰喷塑技术作为一种表面强化、防护及改性的实用技术，已广泛应用于各行各业，其原理是利用火焰将高分子粉末加热熔融，并喷射到工件表面形成涂层[1- 2]。利用火焰喷塑技术，可提高金属、陶瓷等固体表面的附着力，使塑料涂层厚度均匀可控，充分改善物体表面性能，如力学性能、耐化学药品性能、自润滑性能及耐磨性能；火焰喷塑涂层广泛应用于国民经济各个领域，尤其是在耐磨运输、设备衬里、机械零件等方面的应用具有独特优势[3]。聚乙烯(PE)是目前国内应用最广的火焰喷塑材料，价格较低，但涂层与基体表面的结合力差，耐老化能力差；超高分子聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene：UHMW- PE） 是一种综合性能优异的热塑性工程塑料，它的分子结构与普通聚乙烯（PE）完全相同，但相对分子量可达（1～2）X106。随着相对分子量的增大，UHMW- PE 表现出普通 PE所不具有的优异性能，其耐磨性、耐冲击性、抗拉强度、抗黏连性和自润滑性都堪称各种塑料之首，UHMW- PE具有抗结垢性、抗冻、抗应力开裂；而且UHMW- PE卫生无毒，美国食品及药物行政管理局（FDA）和美国农业部（USDA）均授予它可用于接触食品和药物[4]。但采用火焰喷涂超高分子聚乙烯（UHMW- PE）制备涂层时，其大分子键易断裂，致使 涂 层 的 耐 磨性等机械强度受到削弱[5 ]。
UHMW- PE 分子键力受温度等喷涂工艺参数影响较大，而且，UHMW- PE 分子链与结晶度有密切联系，高分子聚合物的结晶度影响到制品的刚度、拉伸强度、硬度、耐热性、抗溶性、气密性和耐化学腐蚀性等性能。本文以结晶度为衡量指标，通过正交试验确定了火焰喷涂超高分子聚乙烯（UHMW- PE）涂层的较优工艺参数，测试了涂层的结合强度，对涂层的耐磨粒冲蚀机理进行了初步探讨。
1试验材料和方法
1.1 试验主要原料
基体材料为双相钢，尺寸为60mmX70mmX1.5mm。基体材料在喷涂前进行除油、除锈和喷砂处理，以待喷涂。UHMW- PE 粉末生产单位为国药化学试剂公司，其具体性能检测结果见表 1。
1.2 试验方法
喷涂方法为普通火焰喷涂，喷枪型号为CP- 100。喷枪通过软管连接氧气、乙炔和压缩空气。本文以结晶度为测试目标，采用正交试验对火焰喷涂主要工艺参数进行优化研究，影响因素和水平设计见表 2。其它工艺参数为：喷涂角度为 90（°）；送粉量，80g/min；喷枪移动速率1m/min；保护气压力 0.2～0.6MPa。
1.3 检测方法
采用型号为WDW- 100A 的万能试验机测试涂层的结合强度 ，依据的标准为 HB7751—2004；由于UHMW- PE的抗冲击性能极好，因此，实验中参考 GB/T1043—1993，结合实际工况，采用砂粒冲蚀的测试方法，砂粒的粒度范围为 74～187.5μm，冲蚀压力为5～8MPa，磨粒冲蚀角度 30（°），冲蚀时间 150s。UHMW- PE 涂层的结晶度按照 ISO3146 进行测试。
2结果与讨论
2.1 火焰喷涂 UHMW-PE 涂层工艺参数优化
表 3 为火焰喷涂 UHMW- PE 涂层工艺参数正交试验结果。研究表明，乙炔压力为 0.4 MPa，氧气为0.6 MPa，喷涂距离为 220mm，预热温度为 100℃时，涂层的结晶度最佳。根据极差分析，火焰喷涂工艺参数对结晶度影响的主次因素为：喷涂距离 C，乙炔压力B，预热温度 D，氧气压力 A。经验证，采用较优工艺参数进行喷涂，结晶度达到了 68.26 %，其表面质量见图 1a，由图可以看出，涂层外观光滑、平整，无裂纹，这得益于该材料的流平性好，利于通过火焰喷涂工艺制备塑料涂层，但涂层颜色稍暗，而且经过一定的火焰喷涂时间后，粉末的上粉率明显下降，表现为涂层厚度不再增加，涂层表面伴有燃烧，甚至是焦化现象。
图 1b 为采用上述较优参数进行火焰喷涂UHMW- PE涂层，同时采用氮气侧吹冷却技术制备的 UHMW- PE 涂层外观质量。从图中可以看出该涂层外观光滑、平整，涂层颜色较白；结晶度度达到了58.75%，与未采用氮气侧吹冷却技术制备的UHMW- PE涂层相比，结晶度降低了 13.93%。
2.2 涂层的结合强度
涂层的结合强度是衡量涂层质量的重要指标之一。表 4 为 UHMW- PE 涂层与不锈钢基体的结合强度。从表中可以看出，采用氮气侧吹冷却技术制备的 UHMW- PE 涂层比没有采用冷却技术涂层的结合强度增大，提高了约 16.42%，这主要是因为超高分子聚乙烯（UHMW- PE）的分子链结构比较单一，受温度影响较大，在高温时分子键易断裂，而在温度较低时分子运动程度减小，分子链之间的缠结点较多，分子间链破坏时需要的能量就越高，分子间价键力较大，涂层的结合强度较高。
2.3 UHMW-PE 涂层的耐磨粒冲蚀性能
表 5 为 UHMW- PE 涂层的磨损率随时间的变化关系。从表中可以看出，磨损初期磨损率较快，磨损后期磨涂层的失重变得缓慢。
这是由于所用磨料的硬度远大于 UHMW- PE 的硬度，磨料颗粒在压力作用下与 UHMW- PE 涂层冲蚀，涂层大面积脱落，伴有大量磨屑留下，涂层失重较快；随着时间的延长，涂层表面磨损比较粗糙，UHMWPE因为本身具有较高的韧性，不易发生剪切变形和滑移，黏着磨削迹象变得不明显，特别是在反复磨擦过程中造成热软化，所以涂层能够经受很大的磨损应力，此时磨涂层的失重也变得缓慢。
3结论
本文以结晶度为衡量指标，通过正交试验确定了火焰喷涂 UHMW- PE 涂层的较优工艺参数为：乙炔压力 0.4 MPa，氧气 0.6 MPa，喷涂距离220mm，预热温度 100℃，采用较优工艺参制备UHMW- PE 涂层的结晶度达到了 68.26 %，通过氮气侧吹冷却技术使涂层的结晶度降低了 13.93%，涂层结合强度提高了 16.42%；对 UHMW- PE 涂层的耐磨粒冲蚀研究发现，磨损初期UHMW- PE 涂层出现较多磨屑脱落，涂层失重较快，磨损后期UHMW- PE 分子的热软化占主导地位，涂层的失重也变得缓慢。
图略
参考文献略
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