硅微粉在金属基高温耐磨涂料中的应用

摘要

高温耐磨涂料是指在200℃以上的温度和较强的磨损冲击下，漆膜不脱落剥离，仍能保持适当的物理机械性能，涂覆金属表面可提高基材的硬度、耐磨性和使用寿命的涂料。高温耐磨涂料广泛应用于国防、航空、石油、水泥、化工等行业机械设备的涂装，为设备在苛刻环境中保持应用性能的持久性提供保障。高温耐磨涂料一直以来都是国防、民用备受关注的研究方向之一。
　　本文探讨了γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）对硅微粉表面改性的最佳方案，采用接触角测定仪、红外光谱仪（FT-IR）、扫描电镜（SEM）等分析粉体改性效果，并对改性硅微粉的疏水机理进行了探讨。将改性硅微粉作为填料，改性环氧树脂作为成膜物质，制备出硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料，考察了其耐磨和耐温效果；将石墨烯掺杂到硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料中，考察其对涂料耐磨性和耐温性的影响。用扫描电镜、热失重分析仪、漆膜磨耗仪、高绝缘电阻测量仪、透气性测试仪等对涂料的性能进行了表征。
　　主要研究内容与结果如下：
　　1）硅微粉的平均粒径（Dv）为9.78μm，粒径的中位数为7.29μm；室温下用20wt％盐酸溶液，磁力搅拌45min，可去除硅微粉中铁的量为21.79μg/g。
　　2）使用球磨机干法改性硅微粉，KH550用量为1.5wt%，可获得活化指数为88%、吸油值为34.0mL/100g、沉降时间超过24h的改性硅微粉；KH560用量为1.5wt%，可获得活化指数为92%、吸油值为31.5mL/100g、沉降时间超过24h的改性硅微粉；硅烷偶联剂KH560对硅微粉的改性效果优于KH550。
　　3）1.5wt%硅烷偶联剂KH560改性硅微粉的接触角为135.2°，25℃水的表面张力为71.5mN/m，由于粉体受到重力、浮力和表面张力的共同作用，通过计算得出，改性硅微粉所受表面张力在垂直方向的分力最大值是2.39mN，此时改性硅微粉粒径为6.22mm，即当硅微粉的粒径小于6.22mm时，理论上经过硅烷偶联剂KH560完全改性的硅微粉可漂浮在水面上。
　　4）改性环氧树脂的最佳配方和工艺条件为：环氧树脂100phr、甲基三乙氧基硅烷（MTES）50phr、二月桂酸二丁基锡（DBTD）5phr、水10phr，反应温度90℃、反应时间4.5h。TGA测试表明改性环氧树脂的耐热性明显提高，热失重5%时温度由改性前的147℃提高到改性后的160℃；热失重10%时温度由改性前的193℃提高到改性后的303℃。
　　5）1.5wt%硅烷偶联剂KH560改性的硅微粉添加量为40.5phr时，可获得耐热耐磨性能良好的硅微粉/环氧树脂涂料。通过测试漆膜的耐磨性和耐热性发现：漆膜磨1000圈的磨损量为0.0136g；扫描电镜观察磨损表面发现：硅微粉在涂层中分散良好，提升了与改性环氧树脂的相容性，使涂层耐磨性得到提高。TGA测试表明涂层的热失重量5%时的温度为291℃，热失重量10wt%时的温度为372℃；涂层在300℃的温度保持30min后，测其附着力为0级，铅笔硬度为3H。
　　6）石墨烯的添加量为0.5wt%时，硅微粉/环氧树脂涂料的耐磨性、耐热性、电阻率和氧气阻隔性能都有一定的提升。漆膜磨损1000圈的磨损量为0.0092g，热失重5%时的温度由添加前的291℃升高到添加后的318℃；涂层附着力0级；透氧系数为2.366×10-11cm3·cm·cm-2·S-1·Pa-1。涂层的体积电阻率为5.74×1011Ω·cm，仍保持绝缘性。

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符号和缩略词说明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 硅微粉

1.3 硅微粉表面改性

1.4 高温耐磨涂料

1.5 高温耐磨涂料研究进展

1.6 本课题的选题依据、研究内容及主要创新点

第二章 实验材料及制备方法

2.1 试剂与仪器

2.2 硅微粉除铁实验

2.3 硅微粉的表面改性

2.4 改性环氧树脂的制备与表征

2.5 硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料的制备与表征

2.6 石墨烯掺杂硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料的制备与表征

2.7本章小结

第三章 硅微粉除杂及表面改性研究

3.1 前言

3.2 硅微粉粒径

3.3 硅微粉酸洗除铁

3.4 硅烷偶联剂水解时间

3.5硅微粉的表面改性

3.6 本章小结

第四章 改性硅微粉疏水机理研究

4.1 引言

4.2 硅烷偶联剂改性硅微粉的作用机理

4.3 硅微粉的疏水性原理分析

4.4 本章小结

第五章 硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料的研究

5.1 前言

5.2 环氧树脂改性的工艺条件及效果表征

5.3 高温耐磨涂料的测试与表征

5.4 本章小结

第六章 石墨烯掺杂硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料的研究

6.1 引言

6.2 石墨烯/硅微粉高温耐磨涂料

6.3结论

第七章 总结与展望

7.1 结论

7.2 展望与后续研究建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢