蘇述航，張愛黎，趙軍強，盧文杰，袁志華

(1.沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，沈陽 110159；2.河南北方紅陽機電有限公司，河南 南陽，473000； 3.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

隨著現代科學技術的發(fā)展，人造衛(wèi)星、宇宙飛船、高速列車等承載工具的制造越來越先進，其外層涂料同時也需要進行相應的改進。同時，汽輪機和發(fā)動機的葉輪、艦船的螺旋槳、水輪發(fā)電機的葉片以及船舶的甲板、建筑物的地板、路標漆等，都會受到高速氣流、砂石和水流的沖刷、機械力的作用，材料的磨損相當嚴重。為延長使用壽命，材料表面需要涂覆耐磨涂料，在耐磨的同時，還需要有一定的耐蝕性能，以此來減少外界對材料的腐蝕，因此，耐磨耐蝕涂料的研究具有廣闊的發(fā)展前景。熊聯明等[1]用酚醛改性和聚酯改性等方法對有機硅耐磨涂料進行了研究，獲得了耐磨性較好的耐磨涂料，制得的材料可以廣泛用于生活領域。鞏強[2]以納米Al2O3為填料，用硬脂酸對其表面進行改性，與羥基丙烯酸樹脂復合，制備得到了具有高耐磨性和高透明性的納米涂料。林展聰等[3]以聚氨酯改性環(huán)氧樹脂為基體，通過添加耐磨填料、云母粉、耐磨骨料、助劑等，制備了適用于艦船重載甲板的抗碾壓耐磨涂料，制備出的涂料摩擦損失率小于0.5%，耐磨效果非常好，且可抵御180天的海水浸泡并具有強抗沖擊能力，可廣泛用在艦船重載甲板上。李林杰[4]采用改性后的環(huán)氧樹脂，解決了金屬基材所面臨的周圍環(huán)境中腐蝕性離子的腐蝕問題，并對涂料結構進行了紅外分析及電化學阻抗譜和耐磨性分析，制得符合要求的耐磨涂料。劉嘉懿[5]以有機硅為涂料的主要成分，通過控制各種不同的反應條件，探究其對最終形成的涂層材料性質的影響，制得效果良好的耐磨耐蝕涂料。趙春英等[6]以納米Fe2O3為顏料，配合其他顏填料制備得到納米復合鐵紅醇酸底漆，性能測試顯示出該涂料具有良好的抗離子滲透和擴散性能及良好的力學性能。李博等[7]以丙烯酸樹脂為基體，復合HDI三聚體固化組分、耐磨骨料、填料、稀釋劑、助劑等組分，制備了水泥混凝土路面防滑耐磨涂料。宋振偉等[8]結合當前耐磨防腐涂料的發(fā)展情況，對海上石油平臺耐磨涂料進行了研究，指出我國海上平臺耐磨防腐涂料研制的重點發(fā)展方向。曹紅亮[9]研究了納米Al2O3在水中的分散，選擇陰離子聚電解質聚丙烯酸氨和陽離子表面活性劑作為分散劑，用原位聚合法制備出耐磨透明納米有機硅涂料，用環(huán)氧樹脂改性后獲得了綜合性能較好的涂料。羅超云等[10]以環(huán)氧樹脂TGDDM和兩種固化劑為基體，添加聚四氟乙烯、石墨和碳纖維作為固體潤滑劑，制備了一種性能優(yōu)良的環(huán)氧基耐熱耐磨自潤滑涂料。

環(huán)氧樹脂E-44是一種性價比較高且具有良好粘接性、耐腐蝕性和良好耐磨性的樹脂，在涂料的研究和使用中應用較為廣泛。Al2O3和SiO2具有良好的耐磨性能，Fe2O3具有良好的耐腐蝕性能，均為涂料中常用的顏填料。本文以環(huán)氧樹脂E-44為基體，加入Al2O3和SiO2等顏填料復配，制備耐磨耐蝕涂料，探究各種因素對其性能的影響，重點對耐磨耐蝕兩個重要性能同時進行優(yōu)化研究。

1 實驗部分

1.1 實驗主要原料

環(huán)氧樹脂E-44(固含量50%)、固化劑、SiO2，天津標準科技有限公司(分析純)；Al2O3，國藥集團化學試劑有限公司(分析純)；石墨、Fe2O3、MoS2，天津大茂化學試劑廠(分析純)。

1.2 基礎配方及制備工藝

1.2.1 涂料的基礎配方

E-44樹脂的質量分數為19.0%，Fe2O3、SiO2、Al2O3、MoS2和石墨的質量分數均為14.3%，固化劑的質量分數為9.5%，適量的混合溶劑?；旌先軇┲懈鹘M分質量比為：二甲苯∶正丁醇∶無水乙醇∶乙酸乙酯=5∶1∶1∶3，混合溶劑用于分散樹脂及涂料，合適用量以制得的涂料具有適合刷涂的黏度(0.1～0.3Pa·s)為宜。

1.2.2 涂料及涂膜的制備工藝

按配方用量準確稱取SiO2、Fe2O3、MoS2、石墨和Al2O3(基礎配方)。放入研缽中研磨1h左右。再準確稱取樹脂溶液，加入混合溶劑，倒入顏填料緩慢調黏，再加入固化劑并調整到合適黏度。加到磁子攪拌器中攪拌1h以上，使溶液充分混合。

待混合溶液靜置老化后，將涂料輕倒在試片上，并用10μm線棒輥涂，等待漆膜實干。若需要二道涂裝，則需等第一道漆膜徹底實干之后，再將涂料輕倒在試片上并用10μm線棒輥涂。

1.3 漆膜性能檢測

依據GB/T 1728-2020檢測漆膜干燥性能，將試片置于101-2型鼓風干燥箱(沈陽興路達檢測儀器有限公司)中，每隔1h觀察試片是否表干、實干，并進行記錄；依據GB/T 9286-1998檢測漆膜附著力，用刀片將試片劃為100個小格，用透明膠帶黏貼，撕掉膠帶觀察漆膜完好性；依據GB/T1771-2007檢測漆膜的耐中性鹽霧性能，采用YJD-90-PP型鹽霧箱(重慶英檢達儀器有限公司)，向壓力桶和鹽水室內加水，直至水位報警燈不閃爍，然后接通電源并設定噴霧時間和停霧時間，設定水溫，每隔2h觀察一次試片腐蝕程度；依據GB1763-1979進行涂料耐酸堿性的測定，將試片依次放在酸堿檢測盒中，左側加入稀鹽酸，右側加入NaOH溶液，每隔1h觀察一次，觀察漆膜是否有破裂及損壞，記錄加入溶液到漆膜損壞的時間；依據JG/T3049-1998對漆膜進行耐磨性的測定，采用QFM涂層打磨性試驗機(滄州筑龍工程儀器有限公司)，將試片水平固定在機器上，接通電源設定打磨次數，觀察漆膜現象并做出評價；依據GB/T9266-1988進行漆膜耐洗刷性的測定，采用QFS型涂料耐洗刷測定儀(沈陽中研試驗儀器有限公司)，將試片放在工作盤上，加入皂液，設置洗刷次數進行洗刷，紀錄洗刷次數并進行評價。

2 結果與討論

2.1 顏基比對漆膜性能的影響

采用基礎配方制得的涂料耐酸性為61h，耐堿性為69h。以基礎配方為依據，保持其他組成不變，改變顏基比，探究不同的顏基比對漆膜性能的影響。涂料性能檢測結果見表1所示。

從表1可以看出，隨著顏基比的增加，漆膜的耐酸耐堿性能先增強后減弱。當顏基比為2.75時涂料的耐酸耐堿性能達到最佳，此時耐酸性為64h，耐堿性為78h。因為顏基比較小時樹脂的量相對較多，顏料發(fā)揮不出最佳性能；顏基比較大時顏料的量相對較多，溶液中出現大的顆粒。當顏基比為2.75時顏填料在樹脂溶液中分散效果最好，涂層性能最佳。

表1 顏基比對涂料性能的影響

2.2 涂裝道數對漆膜性能的影響

涂料配方中顏基比取為2.75，保持其他組成不變，僅改變涂裝道數，研究涂裝道數對涂料性能的影響，結果見表2所示。

表2 涂裝道數對漆膜性能的影響

從表2可以看出，當涂裝道數為1道時，由于漆膜太薄，導致耐酸耐堿性能一般；當涂裝道數為2道時，耐酸耐堿性均較好；當涂裝道數為3道時，雖然漆膜較厚，但是耐酸性僅略低于2道涂裝，耐堿性僅略高于2道涂裝，效果不明顯，故2道涂裝為宜。

2.3 Fe2O3用量對漆膜性能的影響

涂料配方中顏基比取為2.75，涂裝道數為2道，保持其他組成不變，僅改變Fe2O3用量，研究Fe2O3用量對漆膜性能的影響，結果見表3所示。

表3 Fe2O3用量對漆膜性能的影響

從表3中可以看出，隨著Fe2O3用量的增加，涂料的耐蝕性先增大后減小，當Fe2O3用量為13.3%時，耐酸性為88h，耐堿性為92h，此時耐酸堿效果最佳。Fe2O3在涂料中主要起到耐腐蝕作用，但當Fe2O3過量時，因與其他涂料難以充分混合，Fe2O3無法充分發(fā)揮出耐腐蝕性，導致耐酸堿性能下降。

2.4 石墨和MoS2的配比對漆膜性能的影響

涂料配方中顏基比取為2.75，涂裝道數為2道，Fe2O3用量為13.3%，保持其他組成不變，僅改變石墨和MoS2的質量配比，研究該配比對涂料性能的影響，結果見表4所示。

表4 石墨和MoS2的配比對漆膜性能的影響

從表4可以看出，隨著石墨和MoS2的配比增大，石墨用量增大，石墨的片層結構在涂料中平行排列，造成曲折通道，使腐蝕性介質不易到達基底引起腐蝕；當石墨過量時，涂料開始產生一定的顆粒感，且膜厚也開始下降，導致二者無法均勻混合，故隨著石墨和MoS2的配比增大，涂料的耐酸耐堿性先增強而后又減弱，當二者配比為1.5時耐蝕效果最佳。

為探究石墨和MoS2協(xié)同減磨效果，對不同石墨和MoS2配比制得的涂料進行耐磨實驗，結果如圖1所示。

圖1 磨損失重率與石墨/MoS2質量比的關系

由圖1可知，隨著石墨和二硫化鉬的質量比增大，磨損失重率先減小后增大，當質量比為1.5時，磨損失重最小，即涂料的抗磨效果最佳。

2.5 SiO2和Al2O3的配比對漆膜性能的影響

采用前面得到的最佳配方，僅改變SiO2和Al2O3的質量配比，研究其對漆膜性能的影響，結果見表5所示。

表5 SiO2和Al2O3的配比對漆膜性能的影響

由表5可見，當SiO2/Al2O3配比為1∶1時，涂料的耐酸耐堿性能最佳。

2.6 優(yōu)化配方下涂料綜合性能檢測

根據單因素優(yōu)化實驗結果得到涂料的優(yōu)化配方為：顏基比2.75、環(huán)氧樹脂E-44用量17.8%、 Fe2O3用量13.3%、石墨和MoS2的質量配比為1.5∶1、SiO2和Al2O3的質量配比為1∶1、溶劑適量。

按照優(yōu)化配方制備涂料，并按照國標對其進行耐酸性、耐堿性、耐鹽水、耐鹽霧以及耐磨性能和耐洗刷性能檢測，檢測結果見表6所示。

表6 優(yōu)化配方下涂料綜合性能檢測

由表6可以看出，涂料耐酸性達到107h，耐堿性達到130h，耐鹽水性達到154h，耐鹽霧時間達到68h，耐磨性的測試砂紙上打磨面積為65%，耐洗刷超過1000次，均達到國家標準，優(yōu)化后的涂料性能合格。

3 結論

以Fe2O3、Al2O3、SiO2、MoS2、石墨和E-44樹脂為原料，制備了新型的耐磨耐蝕涂料，以耐酸耐堿性為主要評價指標，確定了優(yōu)化配方。根據優(yōu)化配方制備涂料，并按照標準進行綜合性能檢測，漆膜耐酸性達到107h，耐堿性達到130h，耐鹽水性達到154h，耐鹽霧時間達到68h，耐磨性和耐洗刷性也達到國家標準，且當石墨和MoS2的質量配比為1.5∶1時，耐磨效果最佳，涂料的性能得到顯著提高，漆膜的施工性、外觀、附著力、耐酸性、耐堿性、耐鹽水性、耐磨性等綜合性能滿足使用要求。