基于氧化铝复合涂层材料的研究

张 析，王进龙，王 军

（西北矿冶研究院 精细化工研究所，甘肃 白银 730900）

腐蚀和磨损是工业生产普遍存在的一种材料耗损现象。腐蚀和磨损不仅造成了巨大的经济损失,而且严重的影响了工业生产的连续性，甚至因设备腐蚀、磨损穿孔后物料外泻对安全环境造成了极大的危害和污染[1]。针对这种情况，对材料进行抗蚀、减磨的研究刻不容缓[2]。

针对此种情况，国内外科技工作者的研究主要集中在新材料的开发、抗蚀抗磨剂[3]的探索及涂层[4,5]方面的改进等三个方面。

国内外虽然已有各类性能不同的涂层材料得到广泛应用，但都有一定的局限性，市场对兼有防腐、耐磨、力学性能优良、耐温性高的材料有着迫切需求。

本文采用互穿网络技术[6]，利用金属铝材料在催化剂作用下合成的氧化铝复合材料进行增韧改性[7]，制备的氧化铝复合涂层材料具有粘结强度高、耐蚀耐磨性优良、耐温性好等性能特点。

1 实验部分

1.1 金属铝材料合成实验

合成原理及工艺。将称量好的TDI加入三口瓶中，搅拌升温，当温度升至40℃～50℃时，按一定速度分批加入称量好的金属铝、和催化剂，在50℃保温搅拌30min，升温至70℃保温2h，90℃～95℃保温1h，加入助剂，继续保温30min，取样测NCO值，当NCO达到规定值(3.5±0.5%)后降温至40℃，过滤、包装备用。然后将称量好的经脱水处理后的氧化铝加入三口烧瓶中，搅拌升温至50℃，加入催化剂，60℃反应30min，90℃～95℃保温3h，110℃保温1h，加入助剂，保温30min后测游离二异氰酸酯含量，达到规定值(＜0.5%)后降温至50℃过滤、包装备用。

氧化铝复合物的合成工艺如图1所示。

1.2 固化剂选择实验

通过对脂肪族多元胺和芳香族多元胺二十多个品种固化剂进行筛选试验，重点对芳香胺D、芳香胺E、曼尼斯多元胺、T-28四个品种固化剂进行了试验对比，其中T-28复配型固化剂是芳香族胺和曼尼斯加成胺的复配物，常温下为淡黄色液体，粘度低，使用方便。四种固化剂试验结果见表1。

试验结果表明，由于芳香胺含有苯环，其机械性能明显高于脂肪族胺，金属涂层的刚性也随之提高。其中金属铝复配型固化剂固化物涂层的抗拉强度和抗剪强度较高，其固化物的耐蚀性也较好，吸水率较低。

而金属铝材料复配型固化剂不仅粘度小、毒性低，便于施工，同时固化条件可由加热固化变为常温固化。因此，选用金属铝材料复配型固化剂比较理想。

2 结果与讨论

2.1 金属铝用量对聚合物性能的影响

金属铝材料用量对聚合物性能的影响见图2。

图1 金属氧化铝复合物合成工艺

表1 四种固化剂固化物性能试验结果

图2 不同金属铝添加量对聚合物性能的影响

由图2可知，随着金属铝用量的增大，聚合物的拉伸强度呈下降趋势，而冲击强度则在试验考察范围内随用量增大而提高。

从材料破坏主要形式内聚破坏和附着破坏分析，多数涂层材料破坏主要集中在附着破坏方面，而冲击强度是衡量涂层材料附着力的因素之一；从经济上分析，纯铝材料价格偏贵。综合考虑，金属铝用量为8～10%为宜。

2.2 金属铝复合材料与铝材料质量比对聚合物性能的影响

金属铝复合材料与铝材料质量比对聚合物性能的影响见图3。

由图3可以看出，随着金属铝复合材料添加量逐渐增大，聚合物的拉伸强度与剪切强度逐渐增大后变小。这是因为在加入少量的金属铝复合材料时，其本身含有的双键增加了端异氰酸酯预聚体的交联度，从而提高了聚合物的拉伸强度与剪切强度。

但当金属铝复合材料用量过大时，由于铝元素的分子链不规整的结构阻碍了大分子链的自由运动，使其不能紧密排列，导致聚合物的拉伸强度与剪切强度反而下降。因此，当金属铝复合材料与铝材料质量比为1:8.5时，聚合物的力学性能最佳。

由图3可以看出,随着金属铝材料用量增加，聚合物的力学性能逐渐提高，用量为10%时改性效果最好。

3 结语

通过对工业设备及备件在运行过程中磨损破坏和腐蚀破坏形式分析，利用自制的金属铝为原材料，用芳香胺和改性多元胺复配型T-28为固化剂，采用经偶联处理的纳米级金属铝材料和微米金属铝对聚合物增强改性，制备的聚合物基复合涂层材料经过性能测试和应用结果可得出如下结论。

以金属铝基质，通过氧化铝材料在催化剂作用下合成的氧化铝复合涂层材料进行增韧改性，制备的氧化铝复合材料与金属铝相比，抗拉强度提高76%，抗剪强度提高56.3%，耐磨性提高90%，耐温性提高30℃；明显地改善了涂层的机械性能和抗蚀抗磨性能，制备的复合材料其涂层抗拉强度大于60MPa，抗压强度大于90MPa，抗剪强度大于30MPa，磨耗值小于0.007g，耐多种介质腐蚀，耐液相温度大于100℃，气相温度大于150℃。

经过不同工况条件下的工业应用试验表明，该材料具有优异的耐蚀、耐磨、耐温等性能。可用于湿法冶金、石油化工、污水处理、电力、制药等行业设备及备件的保护维修，具有广泛的用途。