新型耐磨耐蚀涂料制造研究

苏述航，张爱黎，赵军强，卢文杰，袁志华

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，沈阳 110159；2.河南北方红阳机电有限公司，河南 南阳，473000； 3.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159)

随着现代科学技术的发展，人造卫星、宇宙飞船、高速列车等承载工具的制造越来越先进，其外层涂料同时也需要进行相应的改进。同时，汽轮机和发动机的叶轮、舰船的螺旋桨、水轮发电机的叶片以及船舶的甲板、建筑物的地板、路标漆等，都会受到高速气流、砂石和水流的冲刷、机械力的作用，材料的磨损相当严重。为延长使用寿命，材料表面需要涂覆耐磨涂料，在耐磨的同时，还需要有一定的耐蚀性能，以此来减少外界对材料的腐蚀，因此，耐磨耐蚀涂料的研究具有广阔的发展前景。熊联明等[1]用酚醛改性和聚酯改性等方法对有机硅耐磨涂料进行了研究，获得了耐磨性较好的耐磨涂料，制得的材料可以广泛用于生活领域。巩强[2]以纳米Al2O3为填料，用硬脂酸对其表面进行改性，与羟基丙烯酸树脂复合，制备得到了具有高耐磨性和高透明性的纳米涂料。林展聪等[3]以聚氨酯改性环氧树脂为基体，通过添加耐磨填料、云母粉、耐磨骨料、助剂等，制备了适用于舰船重载甲板的抗碾压耐磨涂料，制备出的涂料摩擦损失率小于0.5%，耐磨效果非常好，且可抵御180天的海水浸泡并具有强抗冲击能力，可广泛用在舰船重载甲板上。李林杰[4]采用改性后的环氧树脂，解决了金属基材所面临的周围环境中腐蚀性离子的腐蚀问题，并对涂料结构进行了红外分析及电化学阻抗谱和耐磨性分析，制得符合要求的耐磨涂料。刘嘉懿[5]以有机硅为涂料的主要成分，通过控制各种不同的反应条件，探究其对最终形成的涂层材料性质的影响，制得效果良好的耐磨耐蚀涂料。赵春英等[6]以纳米Fe2O3为颜料，配合其他颜填料制备得到纳米复合铁红醇酸底漆，性能测试显示出该涂料具有良好的抗离子渗透和扩散性能及良好的力学性能。李博等[7]以丙烯酸树脂为基体，复合HDI三聚体固化组分、耐磨骨料、填料、稀释剂、助剂等组分，制备了水泥混凝土路面防滑耐磨涂料。宋振伟等[8]结合当前耐磨防腐涂料的发展情况，对海上石油平台耐磨涂料进行了研究，指出我国海上平台耐磨防腐涂料研制的重点发展方向。曹红亮[9]研究了纳米Al2O3在水中的分散，选择阴离子聚电解质聚丙烯酸氨和阳离子表面活性剂作为分散剂，用原位聚合法制备出耐磨透明纳米有机硅涂料，用环氧树脂改性后获得了综合性能较好的涂料。罗超云等[10]以环氧树脂TGDDM和两种固化剂为基体，添加聚四氟乙烯、石墨和碳纤维作为固体润滑剂，制备了一种性能优良的环氧基耐热耐磨自润滑涂料。

环氧树脂E-44是一种性价比较高且具有良好粘接性、耐腐蚀性和良好耐磨性的树脂，在涂料的研究和使用中应用较为广泛。Al2O3和SiO2具有良好的耐磨性能，Fe2O3具有良好的耐腐蚀性能，均为涂料中常用的颜填料。本文以环氧树脂E-44为基体，加入Al2O3和SiO2等颜填料复配，制备耐磨耐蚀涂料，探究各种因素对其性能的影响，重点对耐磨耐蚀两个重要性能同时进行优化研究。

1 实验部分

1.1 实验主要原料

环氧树脂E-44(固含量50%)、固化剂、SiO2，天津标准科技有限公司(分析纯)；Al2O3，国药集团化学试剂有限公司(分析纯)；石墨、Fe2O3、MoS2，天津大茂化学试剂厂(分析纯)。

1.2 基础配方及制备工艺

1.2.1 涂料的基础配方

E-44树脂的质量分数为19.0%，Fe2O3、SiO2、Al2O3、MoS2和石墨的质量分数均为14.3%，固化剂的质量分数为9.5%，适量的混合溶剂。混合溶剂中各组分质量比为：二甲苯∶正丁醇∶无水乙醇∶乙酸乙酯=5∶1∶1∶3，混合溶剂用于分散树脂及涂料，合适用量以制得的涂料具有适合刷涂的黏度(0.1～0.3Pa·s)为宜。

1.2.2 涂料及涂膜的制备工艺

按配方用量准确称取SiO2、Fe2O3、MoS2、石墨和Al2O3(基础配方)。放入研钵中研磨1h左右。再准确称取树脂溶液，加入混合溶剂，倒入颜填料缓慢调黏，再加入固化剂并调整到合适黏度。加到磁子搅拌器中搅拌1h以上，使溶液充分混合。

待混合溶液静置老化后，将涂料轻倒在试片上，并用10μm线棒辊涂，等待漆膜实干。若需要二道涂装，则需等第一道漆膜彻底实干之后，再将涂料轻倒在试片上并用10μm线棒辊涂。

1.3 漆膜性能检测

依据GB/T 1728-2020检测漆膜干燥性能，将试片置于101-2型鼓风干燥箱(沈阳兴路达检测仪器有限公司)中，每隔1h观察试片是否表干、实干，并进行记录；依据GB/T 9286-1998检测漆膜附着力，用刀片将试片划为100个小格，用透明胶带黏贴，撕掉胶带观察漆膜完好性；依据GB/T1771-2007检测漆膜的耐中性盐雾性能，采用YJD-90-PP型盐雾箱(重庆英检达仪器有限公司)，向压力桶和盐水室内加水，直至水位报警灯不闪烁，然后接通电源并设定喷雾时间和停雾时间，设定水温，每隔2h观察一次试片腐蚀程度；依据GB1763-1979进行涂料耐酸碱性的测定，将试片依次放在酸碱检测盒中，左侧加入稀盐酸，右侧加入NaOH溶液，每隔1h观察一次，观察漆膜是否有破裂及损坏，记录加入溶液到漆膜损坏的时间；依据JG/T3049-1998对漆膜进行耐磨性的测定，采用QFM涂层打磨性试验机(沧州筑龙工程仪器有限公司)，将试片水平固定在机器上，接通电源设定打磨次数，观察漆膜现象并做出评价；依据GB/T9266-1988进行漆膜耐洗刷性的测定，采用QFS型涂料耐洗刷测定仪(沈阳中研试验仪器有限公司)，将试片放在工作盘上，加入皂液，设置洗刷次数进行洗刷，纪录洗刷次数并进行评价。

2 结果与讨论

2.1 颜基比对漆膜性能的影响

采用基础配方制得的涂料耐酸性为61h，耐碱性为69h。以基础配方为依据，保持其他组成不变，改变颜基比，探究不同的颜基比对漆膜性能的影响。涂料性能检测结果见表1所示。

从表1可以看出，随着颜基比的增加，漆膜的耐酸耐碱性能先增强后减弱。当颜基比为2.75时涂料的耐酸耐碱性能达到最佳，此时耐酸性为64h，耐碱性为78h。因为颜基比较小时树脂的量相对较多，颜料发挥不出最佳性能；颜基比较大时颜料的量相对较多，溶液中出现大的颗粒。当颜基比为2.75时颜填料在树脂溶液中分散效果最好，涂层性能最佳。

表1 颜基比对涂料性能的影响

2.2 涂装道数对漆膜性能的影响

涂料配方中颜基比取为2.75，保持其他组成不变，仅改变涂装道数，研究涂装道数对涂料性能的影响，结果见表2所示。

表2 涂装道数对漆膜性能的影响

从表2可以看出，当涂装道数为1道时，由于漆膜太薄，导致耐酸耐碱性能一般；当涂装道数为2道时，耐酸耐碱性均较好；当涂装道数为3道时，虽然漆膜较厚，但是耐酸性仅略低于2道涂装，耐碱性仅略高于2道涂装，效果不明显，故2道涂装为宜。

2.3 Fe2O3用量对漆膜性能的影响

涂料配方中颜基比取为2.75，涂装道数为2道，保持其他组成不变，仅改变Fe2O3用量，研究Fe2O3用量对漆膜性能的影响，结果见表3所示。

表3 Fe2O3用量对漆膜性能的影响

从表3中可以看出，随着Fe2O3用量的增加，涂料的耐蚀性先增大后减小，当Fe2O3用量为13.3%时，耐酸性为88h，耐碱性为92h，此时耐酸碱效果最佳。Fe2O3在涂料中主要起到耐腐蚀作用，但当Fe2O3过量时，因与其他涂料难以充分混合，Fe2O3无法充分发挥出耐腐蚀性，导致耐酸碱性能下降。

2.4 石墨和MoS2的配比对漆膜性能的影响

涂料配方中颜基比取为2.75，涂装道数为2道，Fe2O3用量为13.3%，保持其他组成不变，仅改变石墨和MoS2的质量配比，研究该配比对涂料性能的影响，结果见表4所示。

表4 石墨和MoS2的配比对漆膜性能的影响

从表4可以看出，随着石墨和MoS2的配比增大，石墨用量增大，石墨的片层结构在涂料中平行排列，造成曲折通道，使腐蚀性介质不易到达基底引起腐蚀；当石墨过量时，涂料开始产生一定的颗粒感，且膜厚也开始下降，导致二者无法均匀混合，故随着石墨和MoS2的配比增大，涂料的耐酸耐碱性先增强而后又减弱，当二者配比为1.5时耐蚀效果最佳。

为探究石墨和MoS2协同减磨效果，对不同石墨和MoS2配比制得的涂料进行耐磨实验，结果如图1所示。

图1 磨损失重率与石墨/MoS2质量比的关系

由图1可知，随着石墨和二硫化钼的质量比增大，磨损失重率先减小后增大，当质量比为1.5时，磨损失重最小，即涂料的抗磨效果最佳。

2.5 SiO2和Al2O3的配比对漆膜性能的影响

采用前面得到的最佳配方，仅改变SiO2和Al2O3的质量配比，研究其对漆膜性能的影响，结果见表5所示。

表5 SiO2和Al2O3的配比对漆膜性能的影响

由表5可见，当SiO2/Al2O3配比为1∶1时，涂料的耐酸耐碱性能最佳。

2.6 优化配方下涂料综合性能检测

根据单因素优化实验结果得到涂料的优化配方为：颜基比2.75、环氧树脂E-44用量17.8%、 Fe2O3用量13.3%、石墨和MoS2的质量配比为1.5∶1、SiO2和Al2O3的质量配比为1∶1、溶剂适量。

按照优化配方制备涂料，并按照国标对其进行耐酸性、耐碱性、耐盐水、耐盐雾以及耐磨性能和耐洗刷性能检测，检测结果见表6所示。

表6 优化配方下涂料综合性能检测

由表6可以看出，涂料耐酸性达到107h，耐碱性达到130h，耐盐水性达到154h，耐盐雾时间达到68h，耐磨性的测试砂纸上打磨面积为65%，耐洗刷超过1000次，均达到国家标准，优化后的涂料性能合格。

3 结论

以Fe2O3、Al2O3、SiO2、MoS2、石墨和E-44树脂为原料，制备了新型的耐磨耐蚀涂料，以耐酸耐碱性为主要评价指标，确定了优化配方。根据优化配方制备涂料，并按照标准进行综合性能检测，漆膜耐酸性达到107h，耐碱性达到130h，耐盐水性达到154h，耐盐雾时间达到68h，耐磨性和耐洗刷性也达到国家标准，且当石墨和MoS2的质量配比为1.5∶1时，耐磨效果最佳，涂料的性能得到显著提高，漆膜的施工性、外观、附着力、耐酸性、耐碱性、耐盐水性、耐磨性等综合性能满足使用要求。