一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层及其制备方法
文献发布时间：2024-04-18 20:02:18
技术领域
本发明涉及一种干膜润滑涂层，具体涉及一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层及其制备方法。
背景技术
干膜润滑技术的首次应用来自1946年美国NASA路易斯宇航中心，基于干膜润滑技术研究的干膜润滑涂层具有广阔的市场前景。干膜润滑涂层通过喷涂工艺将均匀分散的润滑剂涂敷于经过除油、喷砂和清洗的零件表面，形成具有减摩抗磨作用的润滑膜，达到延长机械零部件使用寿命，减少能源损耗的目的。
随着航天、航海和航空工业的发展，干膜润滑涂层在高承载、低摩擦系数和多种环境的使用提出了更高的要求。因此开发适应苛刻工况的高承载长寿命干膜润滑涂层具有巨大的工程应用价值。聚四氟乙烯干膜润滑涂层作为润滑材料的主要类型之一，由于其具有较低的摩擦系数和耐药性等优异性能，能够在国防军事和民用工业等领域中广泛应用。现有文献(公开号为CN105132086A)公开的一种聚四氟乙烯基粘结固体润滑剂仅解决了低载、高速(在490N、0.43m/s)条件下运动部件的润滑与磨损问题，其摩擦系数为0.1，耐磨寿命仅为280min。这显然满足不了现代工业发展的需求。因此开发适应多种复杂环境、低成本的新型干膜润滑涂层具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层及其制备方法，解决了现有技术耐磨寿命较短，不能适应多种环境的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层，以总质量份数为100份计，该涂层由包含以下质量份数的组分经交联固化获得：
环氧树脂16～18份、聚四氟乙烯6～8份、双氰胺3～4份、氧化锌4～5份、片状铝粉0.5～1份、纳米二氧化硅0.3～0.4份和表面活性剂0.1～0.3份，余量为有机溶剂；所述表面活性剂包含：炔二醇聚氧乙烯醚。
聚四氟乙烯和片状铝粉为主要成分，聚四氟乙烯大分子链中，F原子完全包围C原子形成稳定的F-C化学键，使其具有优异的耐腐蚀性。聚四氟乙烯分子的双螺旋结构造成分子间的吸引力弱，在载荷作用下容易滑动，因此表现出优异的低摩擦系数。片状铝粉的屏蔽性能显著，阻隔了底材和环境介质的直接接触，并且容易形成致密的Al
优选地，所述有机溶剂选自丁酮、环己酮和乙酸丁酯中任意两种以上，所述溶剂既要满足能够完成喷涂，还要满足喷涂后涂层的流平性能。若溶剂挥发太快，涂层不易流平；若挥发太慢，固化过程中容易出现鼓包等现象，导致涂层性能下降。
更优选地，所述溶剂为丁酮、环己酮和乙酸丁酯，丁酮、环己酮和乙酸丁酯的体积比为(47～55)∶(15～22)∶(25～35)。
更优选地，丁酮、环己酮和乙酸丁酯的体积比为52∶22∶26、54∶18∶28、52∶20∶28、50∶18∶32、或48∶18∶34。
更优选地，所述有机溶剂中丁酮的浓度≥99.0％，环己酮的浓度≥99.5％，乙酸丁酯的浓度≥99.5％。
优选地，所述环氧树脂为黄色粘稠液体，其环氧值(当量/100g)为0.8～1.0、固含量＞98.5％。
优选地，所述聚四氟乙烯微粉粒径≤5μm，所述氧化锌的粒径≤3μm，所述片状铝粉的粒径为2～5μm。
优选地，所述双氰胺为粉末状，其纯度≥99％，所述纳米二氧化硅的纯度≥99％，粒径为50nm，所述表面活性剂质量百分浓度≥99％。
所述环氧树脂作为粘结剂，所述聚四氟乙烯微粉作为润滑剂，所述氧化锌和片状铝粉作为填料，起到抗腐蚀作用，尤其是电偶腐蚀。双氰胺作为引发剂促进固化交联反应的进行，纳米二氧化硅作为填料使得制得的涂层更致密，表面活性剂促进粘结剂和填料分布更均匀。
本发明提供了一种如所述的涂层的制备方法，该方法包含：
(1)于室温，将环氧树脂和溶剂混合溶解，得到树脂溶液；将聚四氟乙烯、双氰胺、氧化锌、片状铝粉、溶剂和表面活性剂混合并搅拌，得到物料A；将纳米二氧化硅、溶剂和表面活性剂混合并分散，得到物料B；
(2)将步骤(1)得到的物料A、物料B和树脂溶液混合，加入溶剂，搅拌，于室温球磨、出料，得到润滑涂料。
(3)通过喷涂的工艺将步骤(2)得到的润滑涂料涂敷于零件接触面，在170±5℃的温度下固化，冷却，在零件接触面上制得所述聚四氟乙烯干膜润滑涂层。
优选地，在步骤(2)中，所述搅拌的时间为0.5h。
优选地，在步骤(2)中，所述球磨的时间为24h。
优选地，在步骤(3)中，所述固化的时间为1h。
本发明还提供了一种如所述的涂层在润滑领域中的应用。
本发明所述的一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层及其制备方法，解决了现有技术耐磨寿命较短，不能适应多种环境的问题，具有以下优点：
1、本发明的涂层是以环氧树脂为粘结剂，以聚四氟乙烯为润滑剂，以片状铝粉、氧化锌以及纳米二氧化硅为填料制得的，其中引入双氰胺做引发剂，促进了环氧树脂的交联固化，以及使用的表面活性剂有利于各种原料的均匀分散。
2、本发明采用粒径≤5μm的聚四氟乙烯提升了涂层的耐腐蚀能力和摩擦磨损性能，片状铝粉和氧化锌进一步提高了涂层的抗腐蚀性并且提高了涂层的承载能力，弥补了聚四氟乙烯承载能力低的缺点，纳米二氧化硅的添加增强了涂层的致密性，阻碍了零件和环境介质的直接接触，从而减少零件的磨损，提高其耐磨性。
3、本发明的涂层与基体材料的结合良好，具有优良的柔韧性和耐冲击性，具有优异的减摩抗磨性能和耐中性盐雾腐蚀性能，且该涂层不仅能够在1000N、0.5m/s条件下长期使用，在5000N、0.5m/s条件下运行不低于80min，在7MPa、0.08mm/s条件下的动静摩擦系数始终保持一致，具体数值为0.04，以及在浓度为50g/L、pH为6.5～7.2的NaCl水溶液试验1000h无任何起泡、生锈现象。
4、本发明的涂层满足了机械系统高承载、延长服役寿命和耐中性盐雾腐蚀的要求，实现了减摩抗磨目的，提高了机械运行效率，降低了维修成本，达到了节能减排的效果。
附图说明
图1为本发明实施例1～5制得的干膜润滑涂层在1000N、0.5m/s条件下的磨损寿命和摩擦系数图。
图2为本发明实施例1～5制得的干膜润滑涂层在5000N、0.5m/s条件下的磨损寿命和摩擦系数图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中使用的原料如下：
环氧树脂为黄色粘稠液体，其环氧值(当量/100g)为0.8～1.0、固含量＞98.5％。
聚四氟乙烯微粉粒径≤5μm，氧化锌的粒径≤3μm，片状铝粉的粒径为2～5μm。
双氰胺为粉末状，其纯度≥99％；纳米二氧化硅的纯度≥99％、粒径为50nm；表面活性剂质量百分浓度≥99％。
实施例1
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层，以总质量为100g计，该涂层包含以下重量的组分：
环氧树脂16g、双氰胺3g、聚四氟乙烯6g、氧化锌5g、片状铝粉0.5g、纳米二氧化硅0.3g和表面活性剂0.2g，余量为混合溶剂69g；混合溶剂按体积百分计由48％丁酮、18％环己酮和34％乙酸丁酯制成。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法，该方法包含：
(1)称取上述环氧树脂16g、双氰胺3g、聚四氟乙烯6g、氧化锌5g、片状铝粉0.5g、纳米二氧化硅0.3g和表面活性剂0.2g，按体积百分计由48％丁酮、18％环己酮和34％乙酸丁酯制成混合溶剂；
(2)将环氧树脂加入22g混合溶剂中，在室温下充分溶解，得到树脂溶液；将聚四氟乙烯、双氰胺、氧化锌和片状铝粉同时加入18g混合溶剂和表面活性剂并搅拌，得到物料A；将纳米二氧化硅加入9g混合溶剂和表面活性剂并超声分散，得到物料B；
(3)将步骤(2)得到的物料A、B和树脂溶液混合，加入20g混合溶剂，搅拌0.5h；于室温球磨24h出料，得到润滑涂料；
(4)通过喷涂的工艺将步骤(3)得到的润滑涂料涂敷于经过除油、喷砂和清洗的零件接触面，在170±5℃条件下经过1h恒温固化，随炉冷却之后形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为31±2％。
实施例2
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层，以总质量为100g计，由以下重量的组分制得：
环氧树脂16.5g、双氰胺3.5g、聚四氟乙烯6.5g、氧化锌4.5g、片状铝粉0.6g、纳米二氧化硅0.3g和表面活性剂0.1g，余量为混合溶剂。混合溶剂按体积百分计由50％丁酮、18％环己酮和32％乙酸丁酯制成。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，称取上述环氧树脂16.5g、双氰胺3.5g、聚四氟乙烯6.5g、氧化锌4.5g、片状铝粉0.6g、纳米二氧化硅0.3g和表面活性剂0.1g；混合溶剂按体积百分计由50％丁酮、18％环己酮和32％乙酸丁酯制成。
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为32±2％。
实施例3
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层，以总质量为100g计，由以下重量的组分制得：
环氧树脂16.5g、双氰胺4g、聚四氟乙烯7g、氧化锌4g、片状铝粉0.9g、纳米二氧化硅0.4g和表面活性剂0.2g，余量为混合溶剂。混合溶剂按体积百分计由52％丁酮、20％环己酮和28％乙酸丁酯制成。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，称取上述环氧树脂16.5g、双氰胺4g、聚四氟乙烯7g、氧化锌4g、片状铝粉0.9g、纳米二氧化硅0.4g和表面活性剂0.2g；混合溶剂按体积百分计由52％丁酮、20％环己酮和28％乙酸丁酯制成。
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为33±2％。
实施例4
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层，以总质量为100g计，由以下重量的组分制得：
环氧树脂17.5g、双氰胺3.5g、聚四氟乙烯7.5g、氧化锌4g、片状铝粉1g、纳米二氧化硅0.3g和表面活性剂0.2g，余量为混合溶剂。混合溶剂按体积百分计由54％丁酮、18％环己酮和28％乙酸丁酯制成。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，称取上述环氧树脂17.5g、双氰胺3.5g、聚四氟乙烯8g、氧化锌4g、片状铝粉1g、纳米二氧化硅0.3g和表面活性剂0.2g；混合溶剂按体积百分计由54％丁酮、18％环己酮和28％乙酸丁酯制成。
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为34±2％。
实施例5
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层，以总质量为100g计，由以下重量的组分制得：
环氧树脂16.5g、双氰胺4g、聚四氟乙烯8g、氧化锌5g、片状铝粉1g、纳米二氧化硅0.4g和表面活性剂0.1g，余量为混合溶剂。混合溶剂按体积百分计由52％丁酮、22％环己酮和26％乙酸丁酯制成。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，称取上述环氧树脂18g、双氰胺4g、聚四氟乙烯8g、氧化锌5g、片状铝粉1g、纳米二氧化硅0.4g和表面活性剂0.1g；混合溶剂按体积百分计由52％丁酮、22％环己酮和26％乙酸丁酯制成。
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为35±2％。
对比例1
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层与实施例1基本相同，区别在于：
聚四氟乙烯的质量由6g调整为5.5g。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，聚四氟乙烯的质量由6g调整为5.5g；
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为30.5±2％。
对比例2
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层与实施例1基本相同，区别在于：
聚四氟乙烯的质量由6g调整为8.5g。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，聚四氟乙烯的质量由6g调整为8.5g；
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为33.5±2％。
对比例3
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层与实施例1基本相同，区别在于：
片状铝粉的质量由0.5g调整为0.4g。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，片状的质量由0.5g调整为0.4g；
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为30.9±2％。
对比例4
一种聚四氟乙烯干膜润滑涂层与实施例1基本相同，区别在于：
片状铝粉的质量由0.5g调整为1.1g。
上述聚四氟乙烯干膜润滑涂层的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
在步骤(1)中，片状的质量由0.5g调整为1.1g；
经与实施例1相同的操作，形成聚四氟乙烯干膜润滑涂层。制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的固含量为31.6±2％。
实验例1测试实施例1～5制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的性能
1、性能指标
测试实施例1～5制得的干膜润滑涂层的各项性能，具体的测试条件和测试结果详见表1。
表1聚四氟乙烯干膜润滑涂层的性能指标
由表1可知，本发明制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层是一种性能优异的润滑涂层，该涂层与基体材料的结合良好，具有优良的柔韧性和耐冲击性；在满足上述性能的条件下，该涂层还具有优异的耐中性盐雾腐蚀能力。
2、磨损寿命和摩擦系数
在MR-H5Ⅱ型高速环块磨损试验机测定，试验温度为室温，试验条件为1000N、0.5m/s或5000N、0.5m/s，检测实施例1～5制得的干膜润滑涂层的磨损寿命和摩擦系数，试验结果详见图1～2。
如图1所示，本发明实施例1～5制得的干膜润滑涂层在1000N、0.5m/s条件下的磨损寿命和摩擦系数图。
如图2所示，本发明实施例1～5制得的干膜润滑涂层在5000N、0.5m/s条件下的磨损寿命和摩擦系数图。
由图1～2可知，本发明实施例1～5制得的干膜润滑涂层在1000N、0.5m/s条件下的磨损寿命分别为1853min、2083min、2054min、2106min和2191min，摩擦系数分别为0.055、0.072、0.068、0.052和0.054；在5000N、0.5m/s条件下的磨损寿命分别为80min、81min、94min、114min和123min，摩擦系数分别为0.027、0.030、0.033、0.031和0.028。因此，本发明的干膜润滑涂层具有高承载能力、低摩擦系数和良好耐磨性的优点，达到了减摩抗磨作用，提高了机械零部件的服役寿命。
3、动静摩擦系数
在试验台架上，试验条件为法相载荷7MPa、0.08mm/s、横向位移4mm、疲劳次数300，检测实施例1～5制得的干膜润滑涂层的动静摩擦系数，检测结果详见表2。
表2聚四氟乙烯干膜润滑涂层的动静摩擦系数性能指标
由表2可知，本发明的干膜润滑涂层的动静摩擦系数为0.04，说明本发明的干膜润滑涂层具备减摩抗磨的作用，能够满足机械系统对可靠性和稳定性的更高要求，能够适应多种复杂环境。
实验例2分析对比例1～4四氟乙烯干膜润滑涂层性能的影响。
测试对比例1～4制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层的性能，具体的测试条件和测试结果详见表3。
表3聚四氟乙烯干膜润滑涂层的性能指标
由表3可知，本发明对比例1～4制得的干膜润滑涂层的耐中性盐雾和耐湿热性均有所降低。在1000N、0.5m/s条件下的磨损寿命分别为457min，519min，776min和216min摩擦系数分别为0.24，0.21，0.15和0.28；对比例1，2和4在5000N、0.5m/s条件下的磨损寿命分别为23min，19min和7min摩擦系数分别为0.17，0.15和0.26；对比例3在5000N、0.5m/s条件下没有寿命。
结合表1～3和图1～2分析，与实施例1～5相比，对比例1(聚四氟乙烯质量份数过低)、对比例2(聚四氟乙烯质量份数过高)、对比例3(片状铝粉质量份数过低)和对比例4(片状铝粉质量份数过高)制得的干膜润滑涂层性能明显降低，因此本发明聚四氟乙烯和片状铝粉的质量百分比对制得的涂层性能有显著影响，当聚四氟乙烯的质量份数为6～8份和铝粉的质量份数为0.5～1份时表现出良好的协同效应，制得的聚四氟乙烯干膜润滑涂层性能最好，尤其是磨损寿命、摩擦系数、附着力、柔韧性、耐冲击性、耐中性盐雾和耐湿热性等。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。