化工耐磨耐热涂料的制备及性能研究

2015 毕业论文专题百手起驾 整理为您学生毕业论文论文题目： 耐磨耐热涂料的制备及性能研究 班级： 姓名 学号： 指导教师： 起止时间： 摘要2百手起驾 整理为您目 录论 文 摘 要 .3一、引言 .4二、文献综述 .4（一）复合涂料简介.5（二）耐高温涂料.8（三）耐高温涂料的分类.8（四）耐磨涂料.9（五）耐磨填料.9（六）磨损机理.10（七）混合液分散方法.12（八）本论文研究意义及主要内容.13三、实验部分 .14（一）涂料基本组分的确定.14（二）超声波分散工艺的确定.15（三）漆前表面处理.17（四）涂覆工艺.17（五）测试方法.17四、聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC 微粉耐热耐磨复合涂层的制备及性能.19（一）涂料的配制及涂层制备工艺.19（二）涂层性能测试.20（三）结果与讨论.20五、结论 .23参考文献 .25致 谢 .26摘要3百手起驾 整理为您论 文 摘 要本论文选用聚酰胺酰亚胺（PAI）和聚四氟乙烯（PTFE）为成膜基体，选用具有高硬度、高强度、耐磨损的 SiC 微粉作为增强填料，制备了一系列耐高温耐磨复合涂层。研究了复合涂层的基本性能(附着力、硬度)以及摩擦学性能(摩擦系数和磨损率)。通过观察磨痕形貌，探讨了涂层磨损机理。结果表明:由于该涂层加入了聚四氟乙烯（PTFE） ，同时又以 SiC 微粉为增强填料，经过测试后得出该涂层具有很强的附着力和很高的硬度，硬度为 6H；又通过对该涂层摩擦学性能的研究及测试，可知该涂层的摩擦系数和磨损率都很低，说明该涂层具有很好的耐磨损性能；最后又对该涂层进行电镜分析可知该涂层的分子结构比较稳定，具备优异的耐磨损性能。关键词:聚酰胺酰亚胺（PAI） 聚四氟乙烯(PTFE ) 碳化硅(SiC )微粉 BD-3033 型流平剂 复合涂料 摘要4百手起驾 整理为您耐磨耐热涂料的制备及性能研究一、引言磨损，在人们的日常生活中十分常见。每年我国因为磨损而造成的损失不仅有国民经济上的，甚至更多的是国民人身安全问题。由于磨损通常发生在两个互相接触的材料表面，所以在物体表面涂覆耐磨涂层成为减少材料磨损最直接最有效的方法。近年来，一些材料以其不同于常规材料的特殊性能，在摩擦材料改性领域得到了广泛应用，通过添加具有高硬度，高强度，良好耐磨性的填料，提高涂层的摩擦磨损性能。一般的耐磨涂层都具有一定的耐热性以抵抗摩擦过程中产生的摩擦热，但是高端技术或者苛刻环境，对耐磨涂层的耐热性能提出了更高的要求。为此，研究人员以各种具有高耐热性的高聚物作为涂料的成膜物质，制备了各种高温环境使用的耐磨涂层。这些涂层，不但表现出较高的耐温性能，而且表现出了较好的磨损性能。本实验以具有优异耐高温性能的树脂作为涂料的成膜物质，选用高硬度、高强度和耐磨损的 SiC 微粉作为增强填料，制备了一系列的耐高温耐磨损涂层。系统研究了填料在涂料中的分散问题，优化了涂层的烘干工艺，测试了涂层的基本性能，重点考察了涂层的摩擦磨损性能，并通过 SEM 测试，探讨了涂层的磨损机理。二、文献综述涂料对人类社会的发展有着巨大贡献，发挥着不可替代的重要作用。将涂料涂覆在物体表面上，经过一定的烘干工艺条件后，能够在物体表面形成一层薄膜，称之为涂膜或涂层。随着 21 世纪国民经济的迅速发展，涂料行业由原本一个非常不显眼的小行业，逐步发展成为了一个在国民经济领域中不可或缺的行业。特别是近年来，我国在涂料领域引进了各种专用涂料关键性生产技术与设备(比如建筑涂料、汽车涂料、船舶涂料等)，并组建相应的生产基地，使得我国在涂料生产与消费方面，跃居世界第二，进入到了世界涂料行业发展的主流。摘要5百手起驾 整理为您科学技术在飞速发展，社会需求对产品性能的要求在不断地提高，在众多领域里，单一性能的涂料己经无法满足社会所需，研究开发具有多种功能的高性能复合涂料成为了社会经济发展的迫切需求，受到研究人员的普遍关注。（一）复合涂料简介1、复合涂料的定义复合涂料，又称复合材料涂料，与复合材料有着相同的构成机理，即把两种或两种以仁宏观性质不同的材料，经过有效的复合方法整合到一起而制得的一种涂料。复合的目的是要将各种单一材料的优势性能进行优势互补。复合涂料由多组分构成，既包含有基体材料组分，又包含有增强体材料组分。其中，基体相为连续相，起连接增强相以及传递应力的作用;增强相则一般表现为分散相，其主要作用为承受外部应力以及显示自身功能性。复合涂层一般既能够保持原有各个组份的重要性质，又可以经过复合达到各组成材料性能上的互补，从而得到原来各组分所不具有的多种优良性能。2、复合涂料组成复合涂料主要是由以下四部分组成：（1）成膜物质成膜物质，即涂料的基体物质，是涂料组成中最基础的物质，决定着涂料以及涂膜的基本性质。其最基本的性质是将涂料涂覆在基体材料表面，涂层固化后可形成一层薄膜，同时将增强体粘结在一起，和增强体共同保护底材表面，并使涂层具有特殊性能。成膜物质还需要具备良好的混溶能力，可与其他涂料中的必要加入组分形成均匀分散。（2）颜(填)料颜料一般可以分为两种:着色颜料和体质颜料。着色颜料，赋予涂层所需要的色彩，可以起到很好的装饰保护作用;体质颜料，即通常所说的填料。填料，顾名思义，在涂料中主要发挥其填充作用。除此以外，还具有很多其他性能优势，例如:由于填料价格一般比较便宜，所以涂料中填料的使用还可以降低涂料成摘要6百手起驾 整理为您本;与单纯的树脂涂料相比，复合涂料由于填料的加入使得最终涂层的厚度也有所增加;也正是由于有填料的加入，在很多方面涂层都表现出了更好的性能(如机械性能、耐久性等:由于一些填料的组成比较细腻，加入到涂料中可以使涂层的平润性得到明显改善;大多数硅酸盐类填料可以形成紧凑结构提高涂层耐老化性;还有填料赋予涂层某一种特定性能，如导电性能、防紫外性能、隔热性能等。填料种类非常多，一般大概分为两大类:纤维和颗粒。用作填料的纤维通常有碳纤、玻纤、硼纤、碳化硅纤维以及金属纤维;颗粒类主要有铝粉、铜粉、锌粉等金属粉类，无机氧化物、碳化物、氮化物(如刚玉、石英、碳化硅、氮化硅等)以及聚合物颗粒。涂料中填料的加入一定要选择合适，选用哪种填料，填料添加量的确定以及颗粒填料粒度的大小等等都会对涂层的最终性能有影响。（3）溶剂溶剂是涂料组成中不可缺少的部分(除无溶剂涂料和粉末涂料以外)。溶剂能够溶解并稀释成膜物质，改变涂料粘度，从而改变涂料施工时的表面均一性和流平性，利于完美漆膜的最终形成。溶剂本身不能够单独成膜，仅仅是涂料转变成涂膜的过程物质。在涂料成膜后，溶剂一般都挥发到空气中，漆膜内很少有残留。在实际应用中，由于单一溶剂的溶解性能和施工性能不是很好，且价格不便宜，所以在配制涂料时多采用混合溶剂，这样既提高了涂料的溶解性能，改善了涂膜质量，价格也比较经济。在选择溶剂时既要考虑到溶剂的溶解性能，还要考虑溶剂的沸点和汽化热。这些溶剂性能会直接影响到涂料性能、涂料施工性能以及涂膜质量等。由于溶剂最终挥发到了大气中，这使溶剂的使用存在环境污染与资源浪费问题。所以，研究环保型涂料，减少溶剂使用量，成为现代涂料行业的努力方向。（4）助剂助剂，在涂层制备过程中起到辅助作用，它的使用可以改善涂料或者涂膜某一方面的性能。助剂在涂料中的用量极少，但是发挥的作用却很大，所以成为了完美涂膜形成的必要部分。涂料助剂一般分为:配制生产涂料过程中用到的助剂，主要是润湿分散剂、乳化剂等;改善涂料储存稳定性能的助剂，主要有稳定剂、防沉剂等:改善涂料施工性能的助剂，如流平剂、防流挂剂等;改善涂膜性能的助剂，比如阻燃剂、防霉剂等。摘要7百手起驾 整理为您3、复合涂料的制备方法复合涂料的制备方法有很多，比较常用的有以下几种：（1）共混法共混法是复合涂料中最简单的制备方法，包括溶液共混和乳液共混:溶液共混的操作过程是先将基体树脂溶解，然后加入填料粒子，混合均匀制得涂料，最后固化成膜;乳液共混的操作过程是先要制备好聚合物乳液，然后将增强填料粒子混入其中，最后成膜。共混法的操作十分简便，这正是该种方法的优点所在。（2）溶胶一凝胶法共混法中由于分散是难点，所以有共混法制得的复合材料中往往或多或少的存在相分离现象，通过溶胶一凝胶法制备的复合材料则克服了该种现象，极大地降低了填料粒子相分离的可能性。由该方法制得的复合材料具有无机一有机混杂一起的纳米杂化微观结构，以及热力学稳定性能。（3）聚合物基体原位聚合法原位聚合法是指有机单体在含有纳米粒子的胶体溶液中，在一定的条件下发生原位聚合反应生成高聚物，最终得到纳米粒子作为分散相的复合材料。该方法中一定要注意胶体溶液的稳定性，要能够使胶体粒子之间不发生团聚。如果纳米粒子经过表面修饰，则利于形成稳定胶体。复合涂料，虽然其表现出良好的性能优势，但是该材料目前还存有如下问题:增强填料粒子在涂料体系中的均匀良好分散;成膜基体和增强体填料粒子表面的界面结合强度;基体性能与涂料施工性能之间的矛盾等。在复合涂料中，填料赋予涂层特定性能，所以填料能否在涂料中均匀分散显得尤为重要。分散好，才能使填料充分发挥自身的性能优势，否则优势作用不明显，甚至会起到反作用。涂层有机成膜物和无机增强体之间是异相材料，两者的很多性质并不一样，可能最终会影响涂层的性质。所以在复合涂料的制备过程中，应选择合适的组分材料进行搭配，并且使填料均匀分散，要尽可能地降低两厢界面薄弱处带来的影响，最终使复合涂料真正做到优势互补，表现出优越性能。摘要8百手起驾 整理为您（二）耐高温涂料耐高温涂料，是一种特种功能性涂料，一般是指在 2oo以上可以长期使用，保证漆膜不会脱落，不变色的同时仍保持原有的特定物化性质，使被保护物体能够在特定的高温环境中正常使用。（三）耐高温涂料的分类耐高温涂料最早发展起来的是无机耐高温涂料。经过发展，耐高温涂料的种类越来越多，但一般仍可大致分为两大类，如图 1 所示：图 1 耐高温涂料的分类其中，无机耐高温涂料以其天然特性，可以耐很高的温度，1000甚至更高。但是此类耐高温涂料所形成的漆膜比较脆，并且涂料的使用对基材的表面处理要求很高，在一定程度上限制了此类耐高温涂料的使用。有机耐高温涂料主要包括了杂环聚合物涂料和元素有机聚合物涂料。其中元素有机聚合物涂料又包括有机硅类、有机氟类和有机钦类等。有机硅类耐高温涂料研究的比较多，但其最主要的缺点是对底材的附着力不够强，且涂层比较脆。有机氟类耐高温涂料的耐热性是最好的，但其主要缺点也是附着力比较小，且涂层的机械性能很不理想，所以要实际应用还需要进一步的研究开发。摘要9百手起驾 整理为您为了寻求新型耐高温聚合物，科研人员进行了大量的研究工作，其中发展比较快的是杂环聚合物涂料。该类涂料品种繁多，其中高性能聚芳醚类表现出优异的综合性能，其分子主链几乎全由苯环、蔡环、氮杂环等环状结构组成，使得这类高聚物材料具有很多优良性能，比如高的耐热性能、强的机械性能、好的尺寸稳定性、抗蠕变性等，被广泛地应用于航空、航天、军工等高科技领域。（四）耐磨涂料磨损是人们日常生活中必然存在的现象，只要是两个相互运动的接触表面之间，都会有磨损现象的存在。具体的磨损定义为在做相对运动的两摩擦副表面，材料由于发生物理或化学作用，被迫从基体中脱落的现象 I8l。磨损被称为是材料失效的三大主要形式之一，据统计，每年约有百分之七八十的设备损坏以及将近百分之五一的能源消耗归根于各种形式的磨损，不仅造成能源和材料的浪费，还造成经济上的巨大损失，严重的甚至还危机人身安全，影响国民发展。可见，提高材料的耐磨性能己经刻不容缓。（五）耐磨填料仅仅由树脂基体构成的涂料，所形成的涂层所表现的机械强度低，耐磨损性能差，尤其是在长时间冲击力与机械作用之后，涂层很快就会被磨损掉，甚至从基体表面脱落，失去对基底的保护，所以这种涂层仅仅适用于静态工作环境中。为了提高涂层性能，使之可以成功应用在动态环境中的基材上，提高零部件以及仪器设备的使用寿命，我们需要对聚合物进行改性处理，主要有以下几种方法1、填加固体润滑剂固体润滑剂的种类比较多，大致作以下分类:金属及金属化合物类，如铅、锡等软金属以及金属的氧化物、硫化物等;无机物类，包括片状或层状结构的固体(如石墨、二硫化铝、云母及氮化物等)以及少数非层状结构无机物(如氟化钙、氟化钡等);有机物类，如聚四氟乙烯、蜡、固体脂肪酸等有机高分子化合物。固体润滑剂的使用存在一个关键问题，即能否保证在运行过程中，基体表面始终存在固体润滑膜。如果涂料中的固体润滑剂可以始终包含在基体中，得到自润滑涂层，摘要10百手起驾 整理为您那么在运行过程中，该涂层就可以源源不断地提供表面润滑膜，从而获得优异摩擦学性能。2、填加增强填料增强填料大致可以分为两大类:（1）纤维增强填料:无机纤维(如碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维、硼纤维、矿物纤维等)和有机纤维(如芳纶纤维、PPS 纤维等)。（2）颗粒增强填料:一般采用微纳米级填料，常用的有金属粒子、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝等。此类填料具有高硬度，高强度以及良好的热稳定性。实验制备了含有多种形态 SiC 填充的 PEEK 复合材料，研究了它们