摘要：為了獲得改性環(huán)氧樹(shù)脂粘接SiC顆粒鋼基表面復(fù)合涂層的優(yōu)異性能,試驗(yàn)采用偶聯(lián)劑KH-550來(lái)改善材料的復(fù)合界面。結(jié)果表明:一定量的偶聯(lián)劑KH-550可顯著地提高改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘SiC耐磨涂層的粘接強(qiáng)度(包括剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度)及耐磨性,并確定出了改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘SiC耐磨涂層中KH-550的最佳加入量為3.3%及較好的使用方法為遷移法。
[關(guān)鍵詞]偶聯(lián)劑KH-550;耐磨涂層;粘接強(qiáng)度;耐磨性;改性環(huán)氧樹(shù)脂;碳化硅
0引言
沖蝕磨損是較為常見(jiàn)的磨損形式之一,占常出現(xiàn)的磨損破壞總數(shù)的8%[1]。其廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,如水輪機(jī)葉片、泥漿泵以及混凝土和瀝青攪拌機(jī)中的攪拌葉片和護(hù)板的磨損等。因此,選擇一種簡(jiǎn)單、快速、費(fèi)用低、效果好的能防止及修復(fù)零部件磨損的工藝十分重要。以改性環(huán)氧樹(shù)脂為粘接劑,添加陶瓷顆粒而成的復(fù)合材料,固化后具備了優(yōu)異的耐沖蝕磨損性能[1],將其作為耐磨涂層材料應(yīng)用于各類過(guò)流部件的表面,其涂覆工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,無(wú)熱影響區(qū)及變形。這種復(fù)合材料除了可用于零件表面耐腐蝕、耐磨損的預(yù)置涂層及零件腐蝕磨損表面的修復(fù)之外,還廣泛用于修補(bǔ)工件上的各種缺陷如裂紋、劃傷、尺寸超差及鑄造缺陷等[2-9]。此共混體系當(dāng)且僅當(dāng)各有機(jī)相之間、無(wú)機(jī)填料及骨架材料表面與所接觸的有機(jī)相之間牢固地粘合在一起,材料才能顯示出良好的性能。為了改進(jìn)界面之間的粘接,就需要一種界面交聯(lián)劑,稱為偶聯(lián)劑。在環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑中,最成熟和最實(shí)用的就是有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑,本試驗(yàn)應(yīng)用的KH-550就屬此類偶聯(lián)劑,其表面能γc與環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑的表面能γ之間滿足良好偶聯(lián)效果必備條件:γ≥γ[10]。
有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑常用的使用方法有如下幾種[8-10]:1)表面處理法。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%~1.0%的偶聯(lián)劑配制成95%的乙醇溶液,使用時(shí)加入填料中并攪拌均勻,晾干后再在120~160°C下烘30min,然后冷卻至室溫即可。此法有利于偶聯(lián)劑的均勻分散,可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)填料表面的有機(jī)化處理。2)遷移法。將所選用的硅烷偶聯(lián)劑按膠粘劑干膠量的1%~5%計(jì),直接加到膠粘劑組分中去。在固化過(guò)程中,由于分子的擴(kuò)散作用,偶聯(lián)劑分子遷移到被粘接材料表面。3)對(duì)填料直接處理。4)把偶聯(lián)劑加到環(huán)氧/填料混合體系中。后兩種方法的缺點(diǎn)是不利于偶聯(lián)劑的均勻分散,故在本實(shí)驗(yàn)中,筆者選用前兩種使用方法處理碳化硅顆粒,并用超聲波分散。
著重研究了在環(huán)氧膠粘涂層中加入偶聯(lián)劑KH-550對(duì)共混體系粘接強(qiáng)度(包括剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度)、耐磨性的影響,以便確定在膠粘涂層中較好的使用方法及最佳加入量。
1試驗(yàn)
1.1試驗(yàn)材料
本試驗(yàn)所采用的環(huán)氧膠粘涂層的基本配方為:
A組分:基料環(huán)氧樹(shù)脂E-44/E-51=1/1,10.0g;增韌劑聚氨酯預(yù)聚體,2.0g;少許有機(jī)硅油消泡劑。
B組分:固化劑改性胺T31,2.0g;固化促進(jìn)劑DMP30,0.5g。
1.2試樣的制備及測(cè)試方法
本試驗(yàn)的試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。為了確定改性環(huán)氧樹(shù)脂與鋼及SiC粒子間的粘接強(qiáng)度,分別測(cè)定了改性環(huán)氧樹(shù)脂與鋼間的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度,以及改性環(huán)氧樹(shù)脂粘接SiC粒子間的彎曲強(qiáng)度。剪切試樣為50mm×20mm×3mm的片狀試樣,將2片試樣搭接,中間充填改型環(huán)氧樹(shù)脂,環(huán)氧樹(shù)脂固化后進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)定。拉伸試樣為20mm×50mm的圓柱試樣,將2個(gè)圓柱試樣端部對(duì)接,中間充填3mm后的改型環(huán)氧樹(shù)脂,環(huán)氧樹(shù)脂固化后進(jìn)行拉伸性能測(cè)定。按照表1所示組分和混料順序混合好原料后,分別制備10mm×10mm×40mm和20mm×20mm×10mm的試樣,固化后進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和沖蝕磨損耐磨性測(cè)定。
偶聯(lián)劑在環(huán)氧樹(shù)脂膠粘耐磨涂層中的應(yīng)用
注:原料加入順序環(huán)氧樹(shù)脂+增韌劑+偶聯(lián)劑+SiC+固化劑+促進(jìn)劑。按照表1制備1~10號(hào)試樣。熟化一段時(shí)間后澆注在處理好的模具中。
剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度用試樣為3組,在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定并最終取3組結(jié)果的平均值。
沖蝕試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室自制沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,參數(shù)為:沖蝕速度為11m/s,漿料濃度為8%,磨料粒度為20~30目,沖蝕角度選用60°,沖蝕時(shí)間為45min/次,共沖蝕3次,取平均值。材料沖蝕磨損耐磨性用材料每單位時(shí)間(1min)的失重量δ來(lái)表示:磨損率δ=試樣的失重量/時(shí)間。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1KH-550對(duì)基本配方粘接強(qiáng)度的影響(見(jiàn)圖1)
由圖1可以看出:在偶聯(lián)劑使用方法為表面處理法時(shí),所得的彎曲強(qiáng)度不僅強(qiáng)度很低,雜亂無(wú)章,而且在KH-550添加量為0時(shí),彎曲強(qiáng)度最高,這也否定了偶聯(lián)劑的作用。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因可能是在硅烷偶聯(lián)劑溶液處理SiC過(guò)程中,KH-550緩慢水解縮合而失去與表面作用的能力。相比較1~5號(hào)與6~10號(hào),在偶聯(lián)劑的使用方法上,遷移法更實(shí)用一些。
偶聯(lián)劑在環(huán)氧樹(shù)脂膠粘耐磨涂層中的應(yīng)用
KH-550的加入提高了膠粘涂層粘接強(qiáng)度,使2種不同表面性質(zhì)的材料結(jié)合成牢固的整體,并且隨著KH-550加入量的增加,粘接強(qiáng)度———剪切、拉伸、彎曲強(qiáng)度都呈現(xiàn)一種趨勢(shì):先增大直至最高值,然后降低。具體為:當(dāng)KH-550加入量為4.9%時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到最高值30.96MPa,性能提高(相比0%時(shí))達(dá)915.1%。當(dāng)加入量為3.3%時(shí),拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度都達(dá)到最高值,分別為27.18MPa與71.34MPa,性能分別提高達(dá)262.9%與19.2%;此時(shí),剪切強(qiáng)度也達(dá)到了25.97MPa,性能提高達(dá)751.5%。綜上所述:8號(hào)試樣(遷移法KH-550使用量為3.3%)的綜合粘接性能最優(yōu)。
偶聯(lián)劑的加入之所以顯著提高膠粘涂層粘接強(qiáng)度是與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)[6]。偶聯(lián)劑KH550的結(jié)構(gòu)式為:H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3(γ-氨丙基三乙氧基硅烷),它的最大特點(diǎn)是分子中包含有性質(zhì)不同的2個(gè)基團(tuán),一個(gè)是親無(wú)機(jī)物基團(tuán)—OC2H5,它水解形成硅醇,易與無(wú)機(jī)材料(如金屬材料或填料)起化學(xué)反應(yīng)生成硅氧烷;另一個(gè)是親有機(jī)物基團(tuán)—NH2,它能與有機(jī)合成材料(如基料)起反應(yīng)。有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑在2個(gè)不同材料界面的偶聯(lián)過(guò)程,是1個(gè)復(fù)雜的液-固表面物理化學(xué)過(guò)程,即浸潤(rùn)-取向-交聯(lián)過(guò)程。由于偶聯(lián)劑黏度低、表面張力小,對(duì)金屬等無(wú)機(jī)材料的表面接觸角很小,所以在它與無(wú)機(jī)材料的表面上,可以迅速鋪展開(kāi)來(lái),使其被偶聯(lián)劑潤(rùn)濕。
又由于空氣中的極性固體材料表面上總吸附著1層薄薄的水,所以一旦偶聯(lián)劑表面被浸潤(rùn),分子兩端的基團(tuán)便分別向極性相近的表面擴(kuò)散。一端的—Si(OH)3基團(tuán)取向于無(wú)機(jī)材料表面,同時(shí)與取向表面的水分子等發(fā)生水解縮聚,產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián);有機(jī)官能團(tuán)—NH2則向有機(jī)樹(shù)脂表面取向,在固化中與膠粘劑中的相應(yīng)官能團(tuán)進(jìn)行化學(xué)交聯(lián),使之完成異相表面間的偶聯(lián)過(guò)程[6]。
