五种环氧胶粘涂层磨粒磨损性能研究1.doc

精品论文五种环氧胶粘涂层磨粒磨损性能研究1李赫亮，于洋辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁阜新（123000）e-mail: 摘要：在环氧树脂胶粘涂层中加入定量填料可大大提高其强度和耐磨性能。本文选用蒙脱土为填料，通过有机化处理将有机阳离子引入到蒙脱土层间，使蒙脱土由亲水性变成亲油性, 然后利用有机蒙脱土与环氧树脂间的相互作用，使聚合物插入到蒙脱土层间，实现蒙脱土与 有机分子间的纳米复合。在本实验中选用最基本的环氧树脂胶粘剂和分别以有机化蒙脱土、 未有机化蒙脱土、粉煤灰以及水泥为填料的胶粘涂层，进行拉伸剪切强度和磨粒磨损的性能 测试，通过改变砂纸的粒度和磨料的行程对环氧树脂胶粘涂层的耐磨损综合性能进行比较。 实验表明：环氧树脂/纳米蒙脱土胶粘涂层的拉伸剪切强度和耐磨粒磨损综合性能最好，以 水泥为填料的环氧树脂胶粘涂层的耐磨粒磨损性能最佳。对环氧树脂/纳米蒙脱土胶粘涂层 进行配比优化，推荐其最佳配方，为其在粘接领域的应用提供基础数据。 关键词：纳米蒙脱土; 纳米环氧树脂胶粘涂层; 磨粒磨损; 拉伸剪切强度中图分类号：tq43文献标识码：a0. 前言耐磨胶粘涂层是胶粘剂涂覆在零件表面形成的一种新型抗磨涂层。胶粘涂层在实际应用 中，常发生存在磨粒的情况造成的磨粒磨损。磨粒磨损是指磨损粒子由外部机械力作用下表 面材料被破坏和磨去的现象。磨粒磨损已经成为材料破坏原因之一。我们前期研究了纳米环 氧胶粘涂层冲蚀磨损特性1，在此基础上，本文通过改变磨料粒度和磨损距离，选择改变填 料的五种胶粘涂层试样在 ml-10 型磨粒磨损试验机上进行耐磨性测试。1. 实验材料、工艺、方法环氧树脂涂层组成：基料 e44 和 e51、固化剂为改性胺类固化剂 t31、增韧剂为邻苯二 甲酸二丁酯（dbp）。填料分别为未有机化纳米蒙脱土 、有机化纳米蒙脱土、粉煤灰和水泥。根据实验配方，分别称取各组分量，见表一（均为质量比）。配胶（其中a、c、d、e 四种环氧胶直接室温搅拌配制；b种环氧胶需水浴恒温搅拌，即将基体、填料mmt加入容器 放入75的水浴锅内不断搅拌45分钟，实现mmt与基体树脂的插层复合 2。水浴搅拌结束 后按顺序加入增韧剂、固化剂配成所需的环氧胶）、注入、固化（常温24h803h+常 温24h）。表 1 环氧树脂胶粘涂层的配比编号e-44e-51dbpt-31填料a307014250b307014255c3070142530d30701425150e30701425150注：ae 填料依次为：无填料、mmt（有机化）、mmt（未有机化）、粉煤灰、水泥。1 本课题得到辽宁工程技术大学优秀青年科学基金资助项目（04a01006）的资助。- 6 -拉伸剪切强度测试在 we-30 液压万能实验机上进行，加载速度为 1020mm/min。按下列公式计算拉伸剪切强度。i = p s式中：i拉伸剪切强度，mpa；p破坏时负载值，n；s胶接面积，mm2（1）磨粒磨损试样尺寸为10mm10mm2mm。将试样在ml-10型磨粒磨损试验机上进行耐 磨性测试。本实验选用2种不同类型的砂纸在磨粒磨损试验机上进行实验，实验过程中对试 样所加的最大载荷为0.2千克的砝码，砂纸类型为240目和400目，分别做1个和2个行程的磨 损。本实验中的行程是在刻度盘上指针所移动的格数，45格为1个行程。计算磨损率，根据 公式（2）： = m s（2）式中： 涂层的磨粒磨损率（g/cm2）；m 涂层的磨损失重（g）；s试样的磨损 面面积（cm2）。2. 实验结果与分析2.1 填料对胶粘涂层拉伸剪切强度的影响依次选择有机化 mmt5 份、未有机化 mmt30 份、粉煤灰 150 份、水泥 150 份加入到 环氧树脂基体中配制成胶粘剂， 测得拉伸剪切强度值见表 2：表 2 拉伸剪切强度数据编号填料成分拉伸剪切强度，mpaa无填料8.78b5 份有机化 mmt18.99c30 份未有机化 mmt15.34d150 份粉煤灰14.42e150 份水泥10.70环氧树脂初粘度不高，固化过程收缩，剥离强度高、耐冲击性及耐热性均不理想。而纳米蒙脱土微粒尺寸、层间作用力弱，而且具有无限溶胀插入特性。蒙脱土颗粒为刚性离子, 粒径较小,表面能高,可与环氧树脂形成较高的粘接力,界面结合强度较高,能够承担一部分基 体传递的载荷。同时树脂具有一定的韧性,蒙脱土颗粒均匀应力,提高材料的剪切强度和冲击 弯曲强度。但颗粒过多,易形成较大聚集,对裂纹萌生与扩展不能有效的阻碍,强度下降。用插 层法使环氧树脂聚合物与蒙脱土进行纳米复合，制备的环氧树脂/纳米复合材料各项性能均 有明显的提高。粉煤灰和水泥作为硬质颗粒可有效提高胶层内部硬度，稳定胶层收缩率，减 少固化应力，增大胶体有效粘接面积，因而可明显的提高胶粘涂层的硬度。蒙脱土剥离成纳 米级片层均匀分布在环氧树脂机体上，而粉煤灰和水泥为微米级颗粒。相比之下，蒙脱土粒 子的表面积比粉煤灰和水泥大，增大了胶体的有效粘接面积,因而可提高胶层强度。加入有 机化 mmt 的量远远小于水泥和粉煤灰的量，但强度却高出了许多。并且片层在裂纹的萌生、 扩大过程中的抵制效果要远好于微米级颗粒。所以有机化 mmt 做填料时环氧树脂的拉伸剪 切强度明显高于其它填料。2.2 不同填料对胶粘涂层磨粒磨损性能的影响2.2.1 无填料的胶粘涂层磨粒磨损性能研究选用的胶粘剂配比：e-44: e-51: dbp: t-31=30 ：70：14：25。在不加填料的情况下进 行混和均匀搅拌，注入自制容器中放置于室温下固化 5 天制成胶块。经过对胶块加工处理后， 在改变砂纸粒度和胶块行程的条件下进行磨粒磨损实验，结果见图 1 所示：失重量0.080.060.040.0200.12240.07130.1040.05930.08390.0421行程45 行程9080 150 240砂纸类型图 1 无填料的胶粘涂层磨损失重曲线本组实验的环氧树脂胶粘剂没有填料的加入，从图中可以看出两条不同行程的失重曲线 趋于平行，说明环氧树脂胶粘剂本身具有较好的稳定性。由于环氧树脂初粘度不高，固化过 程收缩，剥离强度高、耐冲击性及力学性能一般，固化后胶体不能生成牢固的界面，表面耐 磨强度一般。2.2.2 有化 mmt 为填料胶粘涂层的磨粒磨损性能本组实验选用的胶粘剂配比：e-44: e-51: dbp: t-31：mmt(有机化)=30： 70：14：25：5。实验中蒙脱土的有机化处理过程为水浴处理，为了达到最好的实验效果固化剂 t-31 在水 浴后加入，实验结果见图 2：0.120.1失重量0.080.060.040.10960.07250.09330.04970.07520.0387行程45 行程900.02080150240砂纸类型图 2 有机化纳米蒙脱土填料的胶粘涂层磨粒磨损失重曲线通过图 2 两条曲线可以看出胶块在改变砂纸粒度和磨损行程后磨损失重量比例较为稳 定，没有出现较大的起伏，一方面，由于作为应力集中物，纳米级蒙脱土片层能引发大量的 银纹，吸收冲击能;同时由于蒙脱土片层状晶体有较大的强度和刚度，扩展中的微裂纹遇到 蒙脱土片层时将发生中止、转向或偏移，造成断裂面增多，层次丰富。另一方面，蒙脱土片 层与树脂基体之间能通过牢固的界面结合作用和力学作用层产生良好的应力传递，有效促进基体树脂发生屈服和塑性形变3，使体系吸收更多的冲击能，从而保持了内部结构的稳定性。 蒙脱土通过有机化处理使长链烷基季铵盐等表面活性剂通过某种方式吸附于蒙脱土表面，降低其表面能，使表面憎水化，从而提高与环氧树脂的相容性4,5。环氧树脂与蒙脱土达到分子水平的复合，大大增加了环氧树脂与蒙脱土的界面相互作用，在胶体内部形成稳定的界面。 有机化 mmt 的加入增加了环氧胶粘涂层耐磨性能，同时也改变了胶粘剂内部结构，使环氧 树脂胶粘剂的性能更稳定。2.2.3 未有机化 mmt 为填料的胶粘涂层磨粒磨损性能研究本组实验胶粘剂配比：e-44: e-51: dbp: t-31：mmt(未有机化)=30： 70：14：25：30。 磨粒磨损数据见图 3：4失重量80.060.040.0200.16290.08440.14510.06640.11080.0541行程45 行程9080150240砂纸类型图 3 未有机化纳米蒙脱土填料的胶粘涂层磨粒磨损失重曲线蒙脱土粒子的强亲水性和与环氧树脂较差的相容性，使胶粘涂层的表面强度和内部粒子 均匀性有很大的降低。由图 3 中不同行程曲线可以看出在同种力度的砂纸的磨损下胶块的失 重比例变化较大，从失重的数据来看，与无填料加入和加入有机化 mmt 相比失重率较大。 这也说明了在加入未有机化处理的 mmt 后胶粘剂的耐磨性能有很大的下降。2.2.4 粉煤灰为填料的胶粘涂层磨粒磨损性能研究本组实验选用的胶粘剂配比：e-44: e-51: dbp: t-31：粉煤灰=30： 70：14：25：150。 磨粒磨损数据见图 4：098失重量0.080.060.05720.07870.0676行程450.040.020.04450.0386行程90080150240 砂纸类型图 4 粉煤灰为填料的胶粘涂层磨粒磨损失重曲线粉煤灰是一种呈玻璃态的颗粒，加入胶粘涂层中，使应力分布均匀，可改善胶层的密实性。粉煤灰作为硬质颗粒可有效提高胶层内部硬度，稳定胶层的收缩率，减少固化应力，增 大胶体有效粘接面积，因而可明显提高胶层的强度，使胶粘涂层有很好的耐磨性。从图 4 中的两条失重曲线可以明显看出，在砂纸的粒度有 150 目增加到 80 目后，不同磨损行程的 胶块失重比例有较大的变化。说明粉煤灰分散在胶体内部只是提高了胶体的强度，并没有起 到增加胶体内粒子分散均匀性的作用，所以以粉煤灰为填料的胶粘涂层在耐磨稳定性上不如 有机化 mmt。2.2.5 水泥为填料的胶粘涂层磨粒磨损性能研究本组实验选用的胶粘剂配比：e-44: e-51: dbp: t-31：水泥=30： 70：14：25：150。磨 粒磨损数据见图 5：80.06失重量0.040.020.0960.04990.06320.0404行程450.051 行程0.0333 90080 150 240砂纸类型图 5 水泥为填料的胶粘涂层磨粒磨损失重曲线水泥是以石灰石、粘土作原料，在高温下发生复杂的物理、化学变化，经熔化、冷却后， 再在熟料中加入 3% 以下的石膏以控制凝结速度制成的。水溶性环氧树脂对水泥的水化反 应过程有一种特殊的作用，环氧树脂能提高水泥颗粒的分散程度，使水泥颗粒变细，从而提 高水化反应的效果。同时水泥作为硬质颗粒可有效提高胶层内部硬度，稳定胶层的收缩率， 减少固化应力。因而，从数据表中可以看出加入水泥为填料的环氧树脂胶涂层其耐磨性非常 突出。3. 结论在本实验中，加入各种不同填料的胶粘涂层中，含量为 150 份的水泥对增加环氧涂层的 在室温固化时抗磨粒磨损性的效果最好。在磨损行程为 45,砂纸粒度由 80240 目之间变化 时,其磨损率依次为:4.62%、3.96%、2.93%。在磨损行程为 90,砂纸粒度由 80240 目之间变 化时,其磨损率依次为:8.01%、6.01%、4.72%。蒙脱土的有机化改性对环氧树脂胶粘涂层的各方面性能影响很大，加入有机化 mmt 的 胶粘涂层在抗磨粒磨损性、耐磨稳定性、各方面力学性能均优于加入未有机化 mmt 为填料 的胶粘涂层。综合考虑耐磨粒磨损特性和力学性能, 本实验推荐环氧树脂胶粘涂层的最佳配方 为:e-44：e-51：t-31：dbp：mmt=30：70：25：14：5。mmt 的有机化处理过程：80oc 水浴加热 40 分钟,然后充分搅拌至胶体均匀为止,最后加入固化剂充分搅拌。参考文献1 李赫亮，刘敬福. 环氧胶粘纳米涂层冲蚀磨损性能研究j. 中国胶粘剂, 2006, 15(5): 25-272 刘敬福，李赫亮. 环氧树脂/纳米蒙脱土胶粘剂纳米有机化研究j，中国胶粘剂，2005，14(12): 8-10 3 于键. 直接注射制备聚丙烯/蒙脱土复合材料及其性能研究j. 中国塑料, 2001.15(6): 254 傅万里，刘竞超. 有机蒙脱土改性环氧树脂的研究j. 工程塑料应用, 2002, 30 (5): 34 5 张楷亮. 改性蒙脱土增强环氧树脂纳米复合材料性能研究j. 中国塑料, 2001, 15(3): 37research on abrasive wearing of five kinds of epoxyadhesive coatingli heliang, yu yangcollege of materials science and engineering, liaoning technical university, liaoning, fuxin (123000)abstractthe strength and wear resistance of epoxy adhesive coating can be improved by adding fillers. mmthas been chosen as the filler in this essay, the organic positive ion will be led into the mmt layers through organic processes, and the hydrophilic of mmt will be changed into lipophilic, then using the interactions between the organic mmt and epoxy resin, making the composites inserted into the mmt, and the nano-composite between mmt and organic molecules will be achieved. in this experiment, the basic epoxy resin adhesive has been chosen and also the adhesive coating in which the organic mmt, inorganic mmt, pulverized coal and concrete are used separately as fillers, the tensile shear strength and abrasive grain wearing capacity will be tested, the mul