一种耐高温耐磨涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能性涂料技术领域，尤其涉及一种耐高温耐磨涂料及其制备方法。

背景技术

现代工业中机械零部件的失效主要有三种形式：磨损、断裂和腐蚀，其中磨损大约占60％。磨损每年消耗着大量的资源，而耐磨涂层是减少磨损的一种最简便的方式，耐磨涂料是一类特殊的功能涂料，具有较好的耐磨损性。

目前，应用比较广泛的耐磨涂料主要为环氧涂料体系和聚氨酯涂料体系，但是其存在摩擦系数较大、耐高温性差、防腐性差等缺陷。随着摩擦磨损过程的进行，使用温度的提高，环氧涂料体系和聚氨酯涂料体系的耐磨性能显著下降。

工业中的多种设备如排烟管、高温蒸汽管道、热交换器、石油裂解设备、锅炉等都要求具有良好的耐高温性能。因此，研究开发一种能同时提高耐磨性和耐高温性的涂料，将有助于推动涂料及经济的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种耐高温耐磨涂料及其制备方法。本发明的涂料采用GB/T 1735-2009进行耐热性试验，在650～680℃下35h未发生起泡开裂现象；采用UMT-2型摩擦磨损试验机测得的摩擦系数为0.15～0.2；采用GB23988-2009测得的磨损率为1100～1220L/μm。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种耐高温耐磨涂料，包含如下重量份的组分：

作为优选，所述有机硅改性环氧树脂的制备原料包含环氧树脂、甲基三氯硅烷和甲基三乙氧基硅烷。

作为优选，所述有机硅改性环氧树脂的制备过程中还包含复合催化剂和水；所述环氧树脂、甲基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水的重量比为60～70：10～20:10～20：10～15：8～12；所述复合催化剂包含重量比为1～2:1～2的三苯基磷和钛酸丁酯。

作为优选，所述碳化硅的粒度为50～200μm；所述碳酸钙的粒度为200～500nm；所述白刚玉微粉的粒度为1～100μm。

作为优选，所述固化剂为二乙烯三胺、对苯二胺、DMP-30、聚酰胺和三乙烯四胺中的一种或几种。

作为优选，所述成膜剂包含重量比为1～2:2～4的丙二醇甲醚醋酸酯和二丙二醇丁醚。

作为优选，所述分散剂包含羧酸钠、聚丙烯酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种；所述溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、醋酸乙酯和四氯化碳中的一种或几种。

本发明还提供了一种所述的耐高温耐磨涂料的制备方法，包含如下步骤：

1)将碳酸钙、白刚玉微粉和溶剂混合，得到第一混合物；

2)将第一混合物、碳化硅、聚四氟乙烯和石墨混合，得到第二混合物；

3)将第二混合物、有机硅改性环氧树脂和分散剂混合，得到第三混合物；

4)将第三混合物、固化剂和成膜剂混合，得到耐高温耐磨涂料。

作为优选，步骤1)所述混合在4000～5000r/min的搅拌速度下进行；步骤2)和步骤3)所述混合在2500～3500r/min的搅拌速度下进行；步骤4)所述混合在1500～2000r/min的搅拌速度下进行。

作为优选，步骤1)所述混合的时间为3～6h；步骤2)所述混合的时间为2～4h；步骤3)所述混合的时间为2～5h；步骤4)所述混合的时间为3～5h。

本发明的有益效果包括以下几点：

1)本发明的有机硅改性环氧树脂可降低环氧树脂的内应力，同时增强涂料的耐磨性、耐高温性和韧性；石墨和聚四氟乙烯能降低涂料的摩擦系数，减少摩擦磨损；微米级碳化硅和纳米级碳酸钙起到骨架作用，提高涂料硬度和耐磨性的同时降低制造成本，提高产品形状稳定性。

2)本发明的涂料耐热性能和耐磨性能优良，摩擦系数小。采用GB/T1735-2009进行耐热性试验，涂料在650～680℃下35h未发生起泡开裂现象；采用UMT-2型摩擦磨损试验机测得涂料的摩擦系数为0.15～0.2；采用GB23988-2009测得涂料的磨损率为1100～1220L/μm。

具体实施方式

本发明提供了一种耐高温耐磨涂料，包含如下重量份的组分：

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含55～65份有机硅改性环氧树脂，优选为57～62份，进一步优选为58～60份。

本发明所述有机硅改性环氧树脂的制备原料优选包含环氧树脂、甲基三氯硅烷和甲基三乙氧基硅烷，所述有机硅改性环氧树脂的制备过程中进一步优选还包含复合催化剂和水；所述环氧树脂、甲基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水的重量比优选为60～70：10～20:10～20：10～15：8～12，进一步优选为62～68：12～18:12～18：11～14：9～11；更优选为64～66：14～16:14～16：12～13：10；所述复合催化剂优选包含三苯基磷和钛酸丁酯，所述三苯基磷和钛酸丁酯的重量比优选为1～2:1～2，更优选为1:1。

本发明所述有机硅改性环氧树脂的制备方法包括：将环氧树脂、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水反应后再与甲基三氯硅烷反应；所述环氧树脂、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水反应的温度优选为70～90℃，进一步优选为75～85℃，时间优选为1～3h，进一步优选为2h；所述与甲基三氯硅烷反应的温度优选为50～60℃，进一步优选为52～58℃，更优选为54～56℃，时间优选为2～4h，进一步优选为3h。

本发明的有机硅改性环氧树脂可降低环氧树脂的内应力，同时增强涂料的耐磨性、耐高温性和韧性。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含2～4份碳化硅，优选为3份；所述碳化硅的粒度优选为50～200μm，进一步优选为80～160μm，更优选为100～130μm。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含8～15份碳酸钙，优选为10～13份，进一步优选为11～12份；所述碳酸钙的粒度优选为200～500nm，进一步优选为270～420nm，更优选为320～360nm。

本发明的微米级碳化硅提供支撑作用，纳米级碳酸钙提供滚动作用，微米级碳化硅和纳米级碳酸钙和涂料中其它组分共同作用提高涂料的耐磨性能；微米级碳化硅和纳米级碳酸钙起到骨架作用，提高涂料硬度的同时降低制造成本，提高产品形状稳定性。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含2～4份聚四氟乙烯，优选为3份；所述聚四氟乙烯能显著降低涂料的摩擦系数。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含10～20份白刚玉微粉，优选为12～18份，进一步优选为14～16份；所述白刚玉微粉的粒度优选为1～100μm，进一步优选为10～80μm，更优选为30～60μm。

本发明的白刚玉微粉能提高涂料的致密性，赋予涂料很高的烧结硬度，增强涂料的填充性和流动性。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含10～20份固化剂，优选为12～18份，进一步优选为14～16份；所述固化剂优选为二乙烯三胺、对苯二胺、DMP-30、聚酰胺和三乙烯四胺中的一种或几种；进一步优选为质量比为1～2:1～2的DMP-30和聚酰胺；当所述固化剂为几种时，所述各组分以任意比例进行组合。

本发明的固化剂耐热性能良好，在高温下质量损失率及硬度变化较小，尤其是DMP-30和聚酰胺作为固化剂时耐热性能最佳。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含3～8份成膜剂，优选为4～7份，进一步优选为5～6份；所述成膜剂优选包含丙二醇甲醚醋酸酯和二丙二醇丁醚，所述丙二醇甲醚醋酸酯和二丙二醇丁醚的重量比优选为1～2:2～4，进一步优选为1:2。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含2～5份石墨，优选为3～4份；所述石墨可以使接触涂料表面的对磨面更容易滑动，起到减少摩擦磨损的作用，具有良好的散热性和导热性。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含2～5份分散剂，优选为3～4份；所述分散剂优选包含羧酸钠、聚丙烯酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种，当所述分散剂为几种时，所述各组分以任意比例进行组合。

本发明所述耐高温耐磨涂料的组分包含50～60份溶剂，优选为52～58份，进一步优选为54～56份；所述溶剂优选为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、醋酸乙酯和四氯化碳中的一种或几种。

本发明还提供了一种所述的耐高温耐磨涂料的制备方法，包含如下步骤：

1)将碳酸钙、白刚玉微粉和溶剂混合，得到第一混合物；

2)将第一混合物、碳化硅、聚四氟乙烯和石墨混合，得到第二混合物；

3)将第二混合物、有机硅改性环氧树脂和分散剂混合，得到第三混合物；

4)将第三混合物、固化剂和成膜剂混合，得到耐高温耐磨涂料。

本发明步骤1)所述混合优选在4000～5000r/min的搅拌速度下进行，进一步优选4200～4800r/min，更优选为4400～4600r/min；步骤2)和步骤3)所述混合优选在2500～3500r/min的搅拌速度下进行，进一步优选2700～3200r/min，更优选为2900～3100r/min；步骤4)所述混合优选在1500～2000r/min的搅拌速度下进行，进一步优选1600～1900r/min，更优选为1700～1800r/min。

本发明步骤1)所述混合的时间优选为3～6h，进一步优选为4～5h；步骤2)所述混合的时间优选为2～4h，进一步优选为3h；步骤3)所述混合的时间优选为2～5h，进一步优选为3～4h；步骤4)所述混合的时间优选为3～5h，进一步优选为4h。

本发明所述混合在室温下进行。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将8kg碳酸钙(粒度为230nm)和10kg白刚玉微粉(粒度为15μm)溶解于50kgN,N-二甲基乙酰胺中，溶解过程中，以4200r/min的转速充分搅拌5.5h。得到的均匀混合物中加入2kg碳化硅(粒度为80μm)、2kg聚四氟乙烯、2kg石墨，在2700r/min的转速下充分搅拌3.5h；然后加入55kg有机硅改性环氧树脂、2kg聚丙烯酸钠，在2700r/min的转速下充分搅拌4.5h。有机硅改性环氧树脂由质量比为62:12：12:12:9的环氧树脂、甲基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水反应而得，其中，环氧树脂、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水在75℃反应2.5h后再与甲基三氯硅烷在52℃下反应3.5h。最后加入10kg二乙烯三胺、1kg丙二醇甲醚醋酸酯、2kg二丙二醇丁醚，在1650r/min的转速下充分搅拌4.5h，即得耐高温耐磨涂料。

将实施例1的涂料均匀涂在经过喷砂处理的清洁的马口铁表面，彻底干燥后进行性能测试。采用GB/T 1735-2009进行耐热性试验，涂料在650℃下35h未发生起泡开裂现象；采用UMT-2型摩擦磨损试验机测得涂料的摩擦系数为0.2；按照GB23988-2009测得涂料的磨损率为1100L/μm。

实施例2

将15kg碳酸钙(粒度为450nm)和20kg白刚玉微粉(粒度为80μm)溶解于60kgN-甲基吡咯烷酮中，溶解过程中，以4800r/min的转速充分搅拌3.5h。得到的均匀混合物中加入4kg碳化硅(粒度为180μm)、4kg聚四氟乙烯、5kg石墨，在3200r/min的转速下充分搅拌2.5h；然后加入65kg有机硅改性环氧树脂、5kg羧酸钠，在3200r/min的转速下充分搅拌2.5h。有机硅改性环氧树脂由质量比为68:18：18:15:12的环氧树脂、甲基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水反应而得，其中，环氧树脂、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水在85℃反应1.5h后再与甲基三氯硅烷在58℃下反应2.5h。最后加入20kg对苯二胺、2kg丙二醇甲醚醋酸酯、6kg二丙二醇丁醚，在1950r/min的转速下充分搅拌3.5h，即得耐高温耐磨涂料。

将实施例2的涂料均匀涂在经过喷砂处理的清洁的马口铁表面，彻底干燥后进行性能测试。采用GB/T 1735-2009进行耐热性试验，涂料在670℃下35h未发生起泡开裂现象；采用UMT-2型摩擦磨损试验机测得涂料的摩擦系数为0.18；按照GB23988-2009测得涂料的磨损率为1180L/μm。

实施例3

将12kg碳酸钙(粒度为350nm)和15kg白刚玉微粉(粒度为50μm)溶解于55kgN,N-二甲基乙酰胺中，溶解过程中，以4500r/min的转速充分搅拌4.5h。得到的均匀混合物中加入3kg碳化硅(粒度为120μm)、3kg聚四氟乙烯、4kg石墨，在3000r/min的转速下充分搅拌3h；然后加入60kg有机硅改性环氧树脂、4kg羧酸钠，在3000r/min的转速下充分搅拌4h。有机硅改性环氧树脂由质量比为65:15：15:12:10的环氧树脂、甲基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水反应而得，其中，环氧树脂、甲基三乙氧基硅烷、复合催化剂和水在78℃反应2h后再与甲基三氯硅烷在55℃下反应3h。最后加入8kgDMP-30、8kg聚酰胺、2kg丙二醇甲醚醋酸酯、4kg二丙二醇丁醚，在1750r/min的转速下充分搅拌4h，即得耐高温耐磨涂料。

将实施例3的涂料均匀涂在经过喷砂处理的清洁的马口铁表面，彻底干燥后进行性能测试。采用GB/T 1735-2009进行耐热性试验，涂料在680℃下35h未发生起泡开裂现象；采用UMT-2型摩擦磨损试验机测得涂料的摩擦系数为0.15；按照GB23988-2009测得涂料的磨损率为1220L/μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。