CN112266717A - 一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法。本发明采用硅油作为缓蚀剂以及润滑剂，利用低分子硅油在聚氨酯的固化温度下依然保持液态的特性实现涂层内部的固液分离。通过调节硅油的种类或含量，实现有机硅的可控表面迁移，在降低涂层摩擦系数的同时延长耐磨寿命。本发明制备简单，使用方便，而且聚氨酯基体与硅油分子之间的作用力可调节，实现了硅油的均匀分散和可控释放。该复合涂层在摩擦运动的刺激下可实现硅油填充物的可控释放，通过固液复合的润滑作用机制和硅油的疏水性，可以同时实现润滑和抗蚀效果，使得涂层具有优异的减摩抗磨性能和耐腐蚀性能，在摩擦和腐蚀领域具有巨大的应用潜力和市场价值。

Description

一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备
技术领域
本发明属于固液润滑防腐材料技术领域，涉及一种润滑防腐复合涂层的制备方法，尤其涉及一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法。
背景技术
材料的腐蚀和磨损是造成机械工件能量耗散和损伤失效的主要原因，不仅导致生产效率降低，甚至导致机械事故的发生。而抗蚀防护和减摩耐磨涂层已成为节约能源和资源，减缓环境污染，消除安全隐患的重要途经之一。固液复合材料充分弥补了流体润滑的不足，发挥固体润滑的优势，同时液体缓蚀剂也可以抑制材料的腐蚀，被选择应用于润滑防腐涂层。对于目前的固液润滑防腐涂层，其在使用过程中需要在材料表面连续补充润滑剂或者缓蚀剂。或者采用内含微胶囊的自修复复合材料，通过外界刺激响应使微胶囊壳壁破裂，胶囊芯材释放。但是制备过程较为繁琐且选择性触发壳壁破裂较为困难，而且动态防腐性能较差，无法实现润滑防腐一体化。
近年来，聚氨酯材料因其具有高耐磨、耐油、耐腐蚀以及与其他材料良好的附着力等优异的综合性能，引起了研究者的广泛关注和探索，多用于高压、重载或腐蚀等工况。而硅油性质稳定，疏水性好，能以液体状态本征嵌入聚氨酯材料中起到润滑剂和缓蚀剂的作用，实现硅油改性聚氨酯润滑防腐一体化涂层。在硅油改性聚氨酯润滑防腐涂层中，硅油可在摩擦行为的作用下可控释放并迁移至涂层表面，达到及时补充防护因子的作用，从而使其防护能力最大化，实现低摩擦和较大的防腐补强作用。但目前鲜有利用硅油和聚氨酯材料制备固液润滑防腐一体化涂层的研究。
发明内容
基于以上研究现状，本发明的目的是提供一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法。
本发明采用硅油作为缓蚀剂以及润滑剂，利用低分子硅油在聚氨酯的固化温度下依然保持液态的特性实现涂层内部的固液分离。聚氨酯骨架与硅油的结合强度可以通过硅油的端基调控，不仅解决液体润滑剂的分散性问题，而且实现硅油的可控释放。硅油良好的耐温性使其对摩擦热和载荷的缓冲效果明显，较强的抗粘附性也避免了摩擦副与环块的直接接触，从而极大地改善了摩擦磨损性能，达到比市面上多数润滑涂层更低且稳定的摩擦系数；此外，硅油化学性质稳定，可以填充聚氨酯涂层内部细小的孔洞和缝隙，使防水性能更强，可有效抑制材料的腐蚀。
本发明具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）聚氨酯材料的制备：将聚醚多元醇和异佛尔酮二异氰酸酯加入甲苯溶液中混合均匀，在氮气保护及搅拌下，于40℃~70℃下反应2h~4h，减压蒸馏除去溶剂，得到NCO基团封端的聚氨酯材料。其中，所述聚醚多元醇中的羟基与异佛尔酮二异氰酸酯中的NCO基团的摩尔比为1.25:1~2:1；所述甲苯溶剂与聚醚多元醇的质量比为1.0:1~2.0:1；所述搅拌速率为200~400r/min。
（2）纳米材料增强的聚氨酯材料的制备：将聚氨酯材料加入到纳米材料的甲苯溶液中混合均匀，在氮气保护及搅拌下，于60~90℃下反应2~3h，减压蒸馏除去溶剂，得到纳米材料增强的聚氨酯材料。其中，所述纳米材料包括氧化石墨烯、石墨烯、还原氧化石墨烯、凹凸棒石、二氧化硅中的一种或几种；所述纳米材料的加入量为聚氨酯的质量的1%~5%；所述纳米材料在甲苯溶剂中的质量浓度为5%~10%；所述搅拌速率为200~400r/min。
（3）含硅油聚氨酯润滑防腐复合材料的制备：将上述NCO基团封端的聚氨酯材料或纳米材料增强的聚氨酯材料和硅油加入甲苯溶液中混合均匀，在氮气保护及搅拌下，于70℃~100℃下反应2h~3h，减压蒸馏除去溶剂即得。其中，所述的硅油包括二甲基硅油、乙烯基硅油、羟基硅油中的一种或几种；所述硅油的加入量为聚氨酯材料或纳米材料增强的聚氨酯材料质量的1%~20%；所述搅拌速率为200~300r/min。
（4）含硅油润滑防腐复合涂层的制备：将含硅油聚氨酯润滑防腐复合材料与甲苯混合均匀，将混合液均匀喷涂在经抛光、干喷沙、超声清洗的金属样块表面，干燥，固化后冷却至室温即得。其中，含硅油聚氨酯润滑防腐复合材料在甲苯中的固含量为20.0%~25.0%；干燥温度为110~300℃，固化温度为120℃~150℃，固化时间为60~180min；固化后，硅油在涂层中的质量分数为1%~20%，纳米材料在涂层中的质量分数为1%~5%。
本发明制备的含硅油润滑防腐复合涂层的性能指标如下：
(1) 涂层外观：平整光滑，颜色均匀，无裂纹、针孔、气孔、气泡、积瘤、凹坑等。
(2) 附着力/级：0。测试方法：按 GB/T 9286-98。
(3) 柔韧性/mm：1。测试方法：GB/T1731-93。
(4) 耐冲击性/cm：≥150。测试方法：GB/T1732-93。
(5) 干摩擦性能：a. 摩擦系数: ≤0.05；b. 耐磨寿命≥1000 m。测试方法：CSM栓盘摩擦磨损试验机，上试样为直径6 mm的AISI-52100轴承钢球，下试样为固体润滑涂层材料，厚度为（20 ± 5）μm，基底材料为AISI-1045不锈钢，摩擦形式为点接触往复滑动摩擦。载荷：5 N，振幅：2.5 mm，频率：8~9 Hz，接触应力约为1123 MPa。
（6）电化学性能：初始阻抗模量≥1013，浸泡3天后阻抗模量≥1011。测试方法：AMETEK电化学工作站，腐蚀介质为3.5%NaCl溶液，频率范围：10000Hz~0.01Hz。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备简单，使用方便，而且聚氨酯基体与硅油分子之间的作用力可调节，实现了硅油的均匀分散和可控释放。该复合涂层在摩擦运动的刺激下可实现硅油填充物的可控释放，通过固液复合的润滑作用机制和硅油的疏水性，可以同时实现润滑和抗蚀效果，使得涂层具有优异的减摩抗磨性能和耐腐蚀性能。这种含硅油的刺激响应型聚氨酯润滑防腐复合涂层在聚氨酯的耐磨防腐性能上实现极低摩擦系数和可控活性物质释放的润滑防腐行为，对于免维护、高可靠和长寿命的机械装备及系统具有重要意义。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备及性能作进一步的说明。
实施例1
（1）聚氨酯材料的制备：
向三口烧瓶中加入10g聚醚多元醇和15g甲苯溶液，混合均匀，随后加入真空除水的7.5g异佛尔酮二异氰酸酯，然后向体系中快速通入氮气搅拌，在300r/min、70℃下反应4h，50℃减压蒸馏去除溶剂即得。
（2）含羟基硅油的聚氨酯润滑防腐复合材料的制备：
称取5g聚氨酯材料与15g甲苯混合均匀，并加入0.5g的羟基硅油，然后向混合体系快速通入氮气搅拌，在搅拌速率250r/min 、80℃下反应2h，50℃减压蒸馏除去溶剂即得。
（3）含羟基硅油的聚氨酯润滑防腐复合涂层的制备：
①金属样块表面的光洁度处理：对金属样块进行抛光、干喷沙，使样块表面光洁度达到Ra=1~3μm，随后将样块浸泡于丙酮中超声清洗。
②将含羟基硅油的聚氨酯润滑防腐复合材料与甲苯混合均匀得到固含量为25%的混合液，利用喷枪在高压空气作用下将混合液均匀喷涂于金属样块表面，以110℃~300℃的热枪干燥，在涂层厚度维持在20~30μm，最后以5℃/min升温到150℃保温180min固化，随后冷却至室温即可进行摩擦学性能以及防腐性能的测试。
将所得的羟基硅油/聚氨酯涂层于CSM栓盘摩擦磨损试验机对干摩擦性能进行测试，摩擦形式为点接触往复滑动摩擦。具体实验条件为：
上试样：直径6 mm的AISI-52100轴承钢球；
载荷：5 N；
振幅：2.5 mm；
频率：9 Hz；
测试得到涂层的稳定摩擦系数为0.05；耐磨寿命为1200 m。
将所得的羟基硅油/聚氨酯涂层于AMETEK电化学工作站上进行电化学性能的测试，具体实验条件为：
腐蚀介质：3.5%NaCl溶液；
频率范围：10000Hz~0.01Hz；
测试得到涂层的初始阻抗模量为2.87×1013，浸泡三天后变为8.13×1011。
实施例2
（1）聚氨酯材料的制备：
向三口烧瓶中加入5g聚醚多元醇和8g甲苯溶液，混合均匀，随后加入真空除水的4.41g异佛尔酮二异氰酸酯，然后向体系中快速通入氮气搅拌，在300r/min、60℃下反应4h，50℃减压蒸馏除去溶剂甲苯得到聚氨酯材料。
（2）氧化石墨烯增强的聚氨酯材料的制备：
称取5g聚氨酯材料并快速加入到5g浓度为5wt%的氧化石墨烯的甲苯溶液中，然后向体系中快速通入氮气搅拌，在200r/min、80℃下反应2h，50℃减压蒸馏去除溶剂，得到氧化石墨烯增强的聚氨酯材料。
（3）含甲基硅油的聚氨酯润滑防腐复合材料的制备：
称取5g氧化石墨烯增强的聚氨酯材料与15g甲苯混合均匀，再滴加0.25g甲基硅油。混合体系快速通入氮气搅拌，在250r/min、80℃下反应30min，再次除去溶剂即得。
（4）含甲基硅油的聚氨酯润滑防腐复合涂层的制备：
①金属样块表面的光洁度处理：对金属样块进行抛光、干喷沙，使样块表面光洁度达到Ra=1~3μm，随后将样块浸泡于丙酮中超声清洗。
②将含甲基硅油的聚氨酯润滑防腐复合材料与甲苯混合均匀得到固含量为25%的混合液，利用喷枪在高压空气作用下将混合液均匀喷涂于金属样块表面，以110℃~300℃的热枪干燥，最后以5℃/min升温到150℃保温180℃固化，随后冷却至室温即可进行摩擦学性能以及防腐性能的测试。
将所得的氧化石墨烯/甲基硅油/聚氨酯涂层于CSM栓盘摩擦磨损试验机对干摩擦性能进行测试，摩擦形式为点接触往复滑动摩擦。具体实验条件为：
上试样：直径6 mm的AISI-52100轴承钢球；
载荷：5 N；
振幅：2.5 mm；
频率：8 Hz；
测试得到涂层的稳定摩擦系数为0.007；耐磨寿命为2700 m。
将所得的石墨烯/甲基硅油/聚氨酯涂层于AMETEK电化学工作站上进行电化学性能的测试，具体实验条件为：
腐蚀介质：3.5%NaCl溶液；
频率范围：10000Hz~0.01Hz；
测试得到涂层的初始阻抗模量为4.31×1015，浸泡三天后变为1.69×1013。
实施例3
（1）聚氨酯材料的制备：
向三口烧瓶中加入8.46g聚醚多元醇和12g甲苯溶液，混合均匀，随后加入真空除水的7.5g异佛尔酮二异氰酸酯，然后体系中快速通入氮气搅拌，在300r/min 、70℃下反应4h，50℃减压蒸馏去除溶剂即得。
（2）凹凸棒石增强的聚氨酯材料的制备：
称取7.5g聚氨酯材料并快速加入3g浓度为10wt%的凹凸棒石的甲苯溶液，然后体系中快速通入氮气搅拌，在250r /min、90℃下反应2h，50℃减压蒸馏去除溶剂即得。
（3）含甲基硅油的聚氨酯润滑防腐复合材料的制备：
称取5g凹凸棒石增强的聚氨酯材料与20g甲苯混合均匀，并加入0.75g的甲基硅油，然后向混合体系快速通入氮气搅拌，并在250r/min 、80℃下反应2h，减压蒸馏除去溶剂即得。
（3）含甲基硅油的聚氨酯基润滑防腐复合涂层的制备：
①金属样块表面的光洁度处理：对金属样块进行抛光、干喷沙，使样块表面光洁度达到Ra=1~3μm，随后将样块浸泡于丙酮中超声清洗。
②将含甲基硅油的聚氨酯润滑防腐复合材料与甲苯混合均匀得到固含量为20%的混合液，利用喷枪在高压空气作用下将混合液均匀喷涂于金属样块表面，以110℃~300℃的热枪干燥，涂层厚度维持在20~30μm，最后以7℃/min升温到150℃保温180min固化，随后冷却至室温即可进行摩擦学性能以及防腐性能的测试。
将所得的凹凸棒石/甲基硅油/聚氨酯涂层于CSM栓盘摩擦磨损试验机对干摩擦性能进行测试，摩擦形式为点接触往复滑动摩擦。具体实验条件为：
上试样：直径6 mm的AISI-52100轴承钢球；
载荷：5 N；
振幅：2.5 mm；
频率：8 Hz；
测试得到涂层的稳定摩擦系数为0.02；耐磨寿命为2270 m。
将所得的凹凸棒石/甲基硅油/聚氨酯涂层于AMETEK电化学工作站上进行电化学性能的测试，具体实验条件为：
腐蚀介质：3.5%NaCl溶液；
频率范围：10000Hz~0.01Hz；
测试得到涂层的初始阻抗模量为8.97×1014，浸泡三天后变为2.59×1012。

Claims (8)

1.一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）聚氨酯材料的制备：将聚醚多元醇和异佛尔酮二异氰酸酯加入甲苯溶液中混合均匀，在氮气保护及搅拌下，于40℃~70℃下反应2h~4h，减压蒸馏除去溶剂，得到NCO基团封端的聚氨酯材料；
（2）纳米材料增强的聚氨酯材料的制备：将聚氨酯材料加入到纳米材料的甲苯溶液中混合均匀，在氮气保护及搅拌下，于60~90℃下反应2~3h，减压蒸馏除去溶剂，得到纳米材料增强的聚氨酯材料；
（3）含硅油聚氨酯润滑防腐复合材料的制备：将上述NCO基团封端的聚氨酯材料或纳米材料增强的聚氨酯材料和硅油加入甲苯溶液中混合均匀，在氮气保护及搅拌下，于70℃~100℃下反应2h~3h，减压蒸馏除去溶剂即得；
（4）含硅油润滑防腐复合涂层的制备：将含硅油聚氨酯润滑防腐复合材料与甲苯混合均匀，将混合液均匀喷涂在经抛光、干喷沙、超声清洗的金属样块表面，干燥、固化后冷却至室温即得。
2.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述聚醚多元醇中的羟基与异佛尔酮二异氰酸酯中的NCO基团的摩尔比为1.25:1~2.0:1。
3.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述甲苯溶剂与聚醚多元醇的质量比为1.0:1~2.0:1。
4.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述纳米材料包括氧化石墨烯、石墨烯、还原氧化石墨烯、凹凸棒石、二氧化硅中的一种或几种；所述纳米材料的加入量为聚氨酯材料质量的1%~5%。
5.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的硅油包括二甲基硅油、乙烯基硅油、羟基硅油中的一种或几种；所述硅油的加入量为聚氨酯材料或纳米材料增强的聚氨酯材料质量的1%~20%。
6.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，含硅油聚氨酯润滑防腐复合材料在甲苯中的固含量为20%~25%。
7.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，干燥温度为110~300℃，固化温度为120℃~150℃，固化时间为60~180min。
8.如权利要求1所述一种具有低摩擦系数的含硅油润滑防腐复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，固化后，硅油在涂层中的质量分数为1%~20%，纳米材料在涂层中的质量分数为1%~5%。
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