本節(jié)重點(diǎn)介紹以環(huán)氧樹(shù)脂或環(huán)氧改性樹(shù)脂為主基料的潤(rùn)滑耐磨涂料及以環(huán)氧半酯為主基料的耐磨涂料。

 

 

   1.潤(rùn)滑耐磨涂料概述

   （1）摩擦與磨損

   ①摩擦與磨損的產(chǎn)生   物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩物體接觸的表面產(chǎn)生作用力和反作用力。通常把反作用力稱(chēng)為界面阻力或摩擦力；由摩擦造成的材料損耗稱(chēng)磨損，摩擦和磨損是同時(shí)發(fā)生的兩種物理現(xiàn)象。世界上由于磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是觸目驚心的，如美國(guó)機(jī)械工業(yè)部門(mén)一年由磨損產(chǎn)生的損失達(dá)46.8萬(wàn)美元。隨著近代技術(shù)工程的發(fā)展，潤(rùn)滑耐磨技術(shù)已日益為人們所關(guān)注。潤(rùn)滑耐磨涂料是潤(rùn)滑耐磨技術(shù)領(lǐng)域涉及的一種特殊材料，它是多種學(xué)科相互交叉、相互滲透的專(zhuān)用涂料。

   ②摩擦定律由阿芒湯摩擦定律推導(dǎo)得到如下公式：

 

 

   式中  μ———摩擦系數(shù)；

            S———剪切強(qiáng)度；

           Pm———壓縮流動(dòng)壓力。

   欲降低材料的摩擦系數(shù)μ值，必須降低材料的剪切強(qiáng)度S或增加其壓縮流動(dòng)壓力Pm，也可使S和Pm相配合變化。值得注意的是，同一種材料同時(shí)獲得低的剪切強(qiáng)度和高的流動(dòng)壓力是不可能的。因?yàn)槎鄶?shù)材料若剪切強(qiáng)度低，其流動(dòng)壓力也低。

   （2）潤(rùn)滑耐磨涂料的功能   在硬底材上涂覆一層剪切強(qiáng)度較低的潤(rùn)滑耐磨涂料，就可得到低剪切強(qiáng)度和高流動(dòng)壓力的固體表面。如果在兩個(gè)硬的金屬底材表面間涂覆潤(rùn)滑耐磨涂料，控制涂膜厚度較薄或接近金屬底材表面的粗糙度時(shí)，則此時(shí)流動(dòng)壓力Pm接近金屬底材值，而剪切強(qiáng)度S也接近涂膜的低剪切值。所以涂有潤(rùn)滑耐磨涂膜的金屬底材表面處于低的S值和高的Pm值狀態(tài)，即得到低值的摩擦系數(shù)μ。

   （3）潤(rùn)滑耐磨涂料的發(fā)展   潤(rùn)滑耐磨涂料的開(kāi)發(fā)研究已有40多年的歷史。最早研制的潤(rùn)滑耐磨涂料是采用磷酸鹽、淀粉、酚醛樹(shù)脂作基料，以二硫化鉬或石墨為潤(rùn)滑劑組成的。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)潤(rùn)滑耐磨技術(shù)提出了更高更新的要求，如潤(rùn)滑耐磨涂膜應(yīng)具有耐高低溫性、耐輻射性、耐腐蝕性，并適合在高真空和特種介質(zhì)中應(yīng)用。美國(guó)開(kāi)發(fā)了一種新的合成樹(shù)脂，其磨損壽命同軸承一樣長(zhǎng)；美國(guó)Quad Group公司的賴(lài)格特，在1977年開(kāi)發(fā)了一種低摩擦系數(shù)的新型潤(rùn)滑耐磨涂料，其涂膜在1.6×10⁵r/min速度下可以長(zhǎng)期使用；中國(guó)開(kāi)發(fā)出的潤(rùn)滑耐磨涂料，也在交通等部門(mén)應(yīng)用。目前已有多種不同用途的潤(rùn)滑耐磨涂料問(wèn)世，并成功地應(yīng)用于航空航天飛行器、原子能設(shè)備、儀器儀表、車(chē)輛和船舶等各個(gè)領(lǐng)域。

   2.環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料的組成

   （1）基料及固化劑   基料是潤(rùn)滑耐磨涂料的主要成分，可分為有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)化合物和金屬類(lèi)。有機(jī)聚合物中又分為熱固性和熱塑性?xún)煞N。幾種合成樹(shù)脂作基料時(shí)，形成涂膜的磨損壽命和摩擦系數(shù)見(jiàn)表7-118。

 

 

   ①在磨損試驗(yàn)中所加的最大PV值系指試驗(yàn)條件為最大正壓力和最高線速度值。

   從表7-118知，環(huán)氧.酚醛樹(shù)脂體系和環(huán)氧-聚酰胺體系有較高的PV值和較低的摩擦系數(shù)。由此可知上述體系可作為潤(rùn)滑耐磨涂料的成膜組分。

   幾種合成樹(shù)脂的耐磨性如圖7-7所示。

 

 

   聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)單元為，其相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)14萬(wàn)～15萬(wàn)、碳一氟鍵能約為442.68J/mol、鍵距為1.36×10^-10m、電負(fù)性最強(qiáng)、氟原子密集地包圍著碳-碳主鏈，形成螺旋型結(jié)構(gòu)，因而保護(hù)了主鏈不被熱沖擊、化學(xué)介質(zhì)破壞。由于氟原子遮蔽了碳鏈間的正電效應(yīng)，使它具有較小的內(nèi)聚能和低的表面張力，這種結(jié)構(gòu)具有良好的耐化學(xué)藥品性、耐熱性和很低的摩擦系數(shù)。另外，聚四氟乙烯有層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶層，結(jié)晶層之間距離為2.0×10^-8m，非結(jié)晶區(qū)域很容易變形和被拉開(kāi)，在摩擦過(guò)程中很快轉(zhuǎn)移到摩擦表面，降低了摩擦系數(shù)、提高了耐磨性，所以聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)最?。ㄐ∮?.2）、耐磨性最好（磨損失量小于0.025mg）。但聚四氟乙烯的加工性及施工性差、固化成膜溫度高達(dá)400℃，限制了它的使用。

   聚氨基甲酸酯、酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂的耐磨性較好（磨損失量為0.03～0.035mg），因此環(huán)氧.聚氨酯體系和環(huán)氧.酚醛體系是較多選用的潤(rùn)滑耐磨涂料的成膜組分。

綜上所述，潤(rùn)滑耐磨涂料的基料可選擇環(huán)氧樹(shù)脂，其固化劑可選用脂肪胺、聚酰胺、酚醛樹(shù)脂和異氰酸酯化合物等。

   （2）固體潤(rùn)滑劑   固體潤(rùn)滑劑也是潤(rùn)滑耐磨涂料的主要成分，它不僅賦予涂膜低的摩擦系數(shù)和較長(zhǎng)的磨損壽命，還能改善涂膜的物理機(jī)械性能。

   ①固體潤(rùn)滑劑的種類(lèi)   固體潤(rùn)滑劑的種類(lèi)很多，最常用的可分為三類(lèi)。一是無(wú)機(jī)化合物，如二硫化鉬、石墨、PbO、NaxMoO₄、LaF₃和CeF₃等；二是有機(jī)化合物，如聚四氟乙烯（也能作基料）、酞菁化合物和尼龍等；三是金屬粉及其氧化物，如銀、金、鋁、銦、鋇及其氧

化物等。

   二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等是較常用的固體潤(rùn)滑劑；改性的二硫化鉬（如MoMoS₂復(fù)合型潤(rùn)滑劑）、氟化石墨、二硫化鎢等潤(rùn)滑劑有待推廣應(yīng)用。

   ②固體潤(rùn)滑劑的作用

   a.固體潤(rùn)滑劑的性能   采用環(huán)氧樹(shù)脂作基料，酚醛樹(shù)脂為固化劑、二硫化鉬（MoS₂）和石墨為固體潤(rùn)滑劑組成潤(rùn)滑耐磨涂料，形成涂膜的磨損壽命較長(zhǎng)，適用于大部分金屬底材表面，但會(huì)加速底材腐蝕；將上述組成中的石墨用三氧化二銻（Sb203）替換后，形成的涂膜不僅磨損壽命較長(zhǎng)，而且提高了抗腐蝕性。

   常用的固體潤(rùn)滑劑的使用溫度、平均摩擦系數(shù)及特點(diǎn)見(jiàn)表7-119。

 

 

   b.固體潤(rùn)滑劑對(duì)基料摩擦系數(shù)的影響   在合成樹(shù)脂中加入固體潤(rùn)滑劑后能降低合成樹(shù)脂的摩擦系數(shù)，但不同合成樹(shù)脂的摩擦系數(shù)降低值不同。如環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂的摩擦系數(shù)分別為0.6和0.7；加入20%的固體潤(rùn)滑劑后，環(huán)氧樹(shù)脂涂膜的摩擦系數(shù)降至0.5左右，而酚醛樹(shù)脂涂膜的摩擦系數(shù)降至0.4左右。

   c.固體潤(rùn)滑劑及顏填料對(duì)涂膜性能的影響采用含羥基的環(huán)氧酯作基料、異氰酸酯加成物作固化劑，加入幾種固體潤(rùn)滑劑及顏填料組成涂料，形成涂膜的摩擦磨損性列于表7-120。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)機(jī)及有機(jī)潤(rùn)滑劑主要賦予涂膜較低的摩擦系數(shù)和一定的耐磨性；顏填料的涂膜摩擦系數(shù)較高，但同時(shí)賦予涂膜良好的耐磨性；金屬粉潤(rùn)滑劑可以改善并提高涂膜的耐磨性、導(dǎo)熱性及機(jī)械強(qiáng)度。

 

 

   隨著二硫化鉬用量的提升，涂膜的摩擦系數(shù)減小，其磨損壽命增加。但二硫化鉬：基料=4：1（質(zhì)量）時(shí)，涂膜的摩擦系數(shù)不再降低，磨損壽命開(kāi)始下降。

   （3）活性稀釋性在制造無(wú)溶劑型環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料時(shí)，應(yīng)選用活性稀釋劑。可供選擇的活性稀釋有660、690、630和X-52等。

   （4）添加劑   潤(rùn)滑耐磨涂料中的添加劑主要是增進(jìn)潤(rùn)滑效果、耐磨性、承載能力、防銹性及耐輻射性等。用量占涂料總固體含量的5%～20%。常用的添加劑有鉛、錫、氧化鉛、三氧化二銻、三氧化二鉍、碘化鎘、碘化銀等。有時(shí)在涂料中加入氣相SiO₂等防沉劑，加入鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯等增韌樹(shù)脂。

   （5）溶劑   潤(rùn)滑耐磨涂料有溶劑型或無(wú)（少）溶劑型品種。制備以環(huán)氧樹(shù)脂為主基料的溶劑型或少溶劑型環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料時(shí)，若采用酚醛樹(shù)脂或胺類(lèi)固化劑，可選用芳烴、醇類(lèi)、酯類(lèi)和溶纖劑等混合物作溶劑；若采用異氰酸酯化合物固化劑，應(yīng)選擇芳烴、酯類(lèi)和酮類(lèi)混合物作溶劑。選擇溶劑時(shí)應(yīng)充分考慮其對(duì)基料和固化劑的溶解性和溶劑的揮發(fā)性。溶劑揮發(fā)太快，會(huì)造成涂料流平性差、起橘皮、針孔等弊病；溶劑揮發(fā)太慢，會(huì)影響涂膜干性及使用性。所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)整溶劑揮發(fā)速度。

   總之，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用技術(shù)要求，科學(xué)合理地選擇基料、固體潤(rùn)滑劑、添加劑、固化劑、填充料和溶劑等組分，才會(huì)設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的潤(rùn)滑耐磨涂料品種。

   3.環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料的制備

   （1）環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料配方（見(jiàn)表7-121）。

 

 

   （2）生產(chǎn)工藝   以配方1為示例介紹環(huán)氧潤(rùn)滑涂料生產(chǎn)工藝。

   ①將E-44環(huán)氧樹(shù)脂、660活性稀釋劑和鄰苯二甲酸二丁酯依次加入調(diào)漆罐內(nèi)，攪拌溶解；

   ②在攪拌下加入氣相SiO₂、鈦白粉、石墨、二硫化鉬和鐵粉，充分混合均勻，在室溫下放置24h；

   ③在三輥研磨機(jī)上研磨分散，細(xì)度達(dá)到≤35μm后，包裝，標(biāo)明環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料主劑。

（其他配方采用與配方1相同的生產(chǎn)工藝）。

   ④配制涂料：采用三乙烯四胺（TETA）作固化劑，取環(huán)氧當(dāng)量：活潑氫當(dāng)量=1：1。

   4.環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料涂裝

   （1）被涂底材表面處理

   ①脫脂除油   可采用有機(jī)溶劑法和化學(xué)清洗法進(jìn)行脫脂除油。選用汽油、煤油、酒精、芳烴和鹵代烴等有機(jī)溶劑為清洗劑，其中以三氯乙烯熱蒸氣冷凝淋浴法的清洗效率高、不污染環(huán)境、溶劑可回收。選用由NaOH、Na₂CO₃、Na₂SO₄和Na₂SiO₃組成的堿清洗水溶液，在80～90℃清洗10～20min可得到好的脫脂除油效果。

   ②除銹采用硫酸、鹽酸及其混合酸水溶劑處理表面銹層后，再用堿液中和、水洗處理。

   ③噴砂處理噴砂處理（機(jī)械處理）取決于載流體品種、顆粒度、噴射壓力、距離、角度和噴嘴的直徑大小等因素。載流體品種和顆粒大小對(duì)潤(rùn)滑耐磨涂膜磨損壽命的影響見(jiàn)表7-122。

 

 

   ④化學(xué)處理對(duì)金屬表面的化學(xué)處理包括磷化處理和陽(yáng)極化處理。詳見(jiàn)第五章溶劑型環(huán)氧涂料第三節(jié)溶劑型環(huán)氧涂料涂裝。

   （2）涂裝工藝

   ①涂裝方法環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料可采用刷涂、浸涂和噴涂等涂裝方法。

   ②涂料配制雙組分環(huán)氧潤(rùn)滑耐磨涂料在涂裝前應(yīng)檢查主劑和固化劑質(zhì)量；將主劑充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅粗鲃┡c固化劑的給定配比稱(chēng)量、混合；調(diào)整涂料的施工黏度，必要時(shí)應(yīng)將涂料熟化30min后再涂裝。

   ③涂料固化   涂料施工后要經(jīng)過(guò)由濕膜轉(zhuǎn)變成干膜的表干、實(shí)干和徹底固化過(guò)程。室溫固化達(dá)到徹底固化的時(shí)間需7d；烘烤固化達(dá)到徹底固化的時(shí)間為1～6h。

   ④質(zhì)量檢測(cè)涂裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制涂裝程序和施工規(guī)范；涂膜固化后應(yīng)進(jìn)行全面質(zhì)量檢測(cè)，如涂膜是否有針孔、氣泡和其他弊病，測(cè)定涂膜厚度及相關(guān)技術(shù)性能等。參見(jiàn)前面有關(guān)章節(jié)涂裝質(zhì)量?jī)?nèi)容。

 

 

   1.磨損與耐磨涂料

   （1）磨損環(huán)境人造衛(wèi)星、宇宙飛船、高速列車(chē)、汽輪機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪、艦船的螺旋槳、水輪發(fā)電機(jī)的葉片、船舶的甲板、建筑物的地板等，受到高速氣流和水流的沖刷，會(huì)產(chǎn)生沖蝕磨損。尤其是飛機(jī)、航天器、高速運(yùn)輸機(jī)械等，在行駛中受到夾雜砂石、風(fēng)雨的沖刷，水輪機(jī)的葉片受到夾雜泥砂的沖蝕，材料的磨損是相當(dāng)嚴(yán)重的，必須采取防護(hù)措施。實(shí)踐表明，耐磨涂料是防止磨損行之有效的防護(hù)材料。

   （2）耐磨涂料的作用   專(zhuān)門(mén)用于保護(hù)材料不被磨損的涂料稱(chēng)為耐磨涂料。耐磨涂料與潤(rùn)滑耐磨涂料的差別在于：前者的作用主要是涂膜應(yīng)具有好的耐磨性，涂料組成中所用的顏填料以高硬度的磨料（如剛玉、金剛砂、碳化硼、三氧化二鉻等）為主，不一定要求涂膜有較低的摩擦系數(shù)；而后者的作用主要是涂膜既具有較低的摩擦系數(shù)又具有較好的耐磨性，涂料組成中所用的顏填料以固體潤(rùn)滑劑為主。兩者相同之處是可以采用相同的基料和溶劑等。

   2.影響耐磨涂料性能的因素

   （1）基料品種對(duì)性能的影響采用相同的磨料和不同的基料組成耐磨涂料形成涂膜后，比較不同基料對(duì)耐磨性和附著力的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7-123。

 

 

   由表7-123結(jié)果得知，彈性聚氨酯的耐磨性最好（磨損失量最?。磕?duì)金屬底材附著力較差。環(huán)氧樹(shù)脂-聚酰胺、環(huán)氧樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧半酯一異氰酸酯加成物的附著力較好，尤其是后者的耐磨性較好（磨損失量為0.0098g），主要原因是由環(huán)氧半酯.異氰酸酯加成物體系形成的涂膜既呈現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)良附著性，又呈現(xiàn)聚氨酯的優(yōu)良耐磨性。環(huán)氧半酯的合成反應(yīng)及涂膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

   采用碳18～22的單元脂肪酸與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行酯化反應(yīng)：

 

 

   上式得到的環(huán)氧半酯與多異氰酸酯進(jìn)行加成固化反應(yīng)，得到具有聚氨酯結(jié)構(gòu)和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)的涂膜。該涂膜有一定的彈性。所以，環(huán)氧半酯可作為耐磨涂料的基料。

   （2）環(huán)氧半酯的羥基值對(duì)涂膜性能的影響   環(huán)氧半酯的羥基值對(duì)涂膜耐磨性及附著力的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7-124。

 

 

   （3）NCO/OH比值對(duì)涂膜耐磨性的影響   異氰酸酯加成物的NCO與環(huán)氧半酯的OH比值對(duì)涂膜耐磨性的影響見(jiàn)表7-125。

 

 

   當(dāng)NCO:OH=1:1時(shí)，涂膜的有效交聯(lián)密度相當(dāng)于理論值，其耐磨性較好。

   （4）顏填料對(duì)涂膜耐磨性的影響

   ①顏填料品種對(duì)涂膜耐磨性的影響   采用環(huán)氧半酯作基料、TDI-TMP加成物作固化劑，用不同顏填料制成的涂料所形成涂膜的耐磨性具有明顯差別。含剛玉、三氧化二鉻和碳化硅的涂膜耐磨性最好（磨損失量很?。?。其結(jié)果見(jiàn)表7-126。

 

 

   ②磨料用量對(duì)涂膜耐磨性的影響   在100份純環(huán)氧半酯中加入不同量的三氧化二鉻，形成涂膜后測(cè)定耐磨性，其結(jié)果列于表7-127。涂膜的耐磨性隨三氧化二鉻的用量增加而提高。但用量達(dá)到150份時(shí)，其耐磨性下降。

 

 

   3.耐磨涂料的制備

   （1）耐磨涂料配方   根據(jù)耐磨涂料組成中的基料、顏填料、NCO/OH及顏基比等對(duì)涂膜性能的影響，合理地設(shè)計(jì)耐磨涂料的配方（見(jiàn)表7-128）。

 

 

   （2）生產(chǎn)工藝將配方中的物料依次加入調(diào)漆罐內(nèi)，充分混合后在室溫貯存18h；在三輥機(jī)上研磨分散，細(xì)度達(dá)到≤35μm時(shí)，停止研磨、包裝、得到耐磨涂料主劑；配漆時(shí)按OH：NCO=1：1（eq）稱(chēng)量耐磨涂料主劑與異氰酸酯加成物用量，采用給定的溶劑調(diào)整施工黏度。

   （3）性能指標(biāo)耐磨涂料性能指標(biāo)見(jiàn)表7-129。