1 引言

化工､礦山､石油和水利等行業中,各種泵､閥､葉輪､攪拌槳和彎頭等過流部件經常承受嚴重的液/固雙相流沖刷腐蝕(erosion-corrosion),因而這些部件的使用壽命大為縮短[1]｡沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對物體表面進行沖擊,發生材料損耗的一種現象或過程[2]｡有文獻報道沖蝕磨損占工業生產中經常出現的磨損破壞總數的8%[3]｡目前常用涂層對沖蝕磨損的零部件進行保護｡但通常無機涂層具有韌性差､空隙大等致命弱點,而有機涂層即使加入了大的無機物顆粒,其硬度､強度､耐磨性等性能仍然不夠理想,且性能極不均勻,不能有效地防止沖蝕磨損｡作者在近兩年的究中發明了納米SiO₂超細粉體增強高聚物(polyphenylene sulfidd,PPS)的納米復合涂層(已申請發明專利),將它用于防止沖蝕磨損效果很好｡

2 高聚物和納米SiO₂在水中的分散及水基涂料的制備

PPS選用的是聚苯硫醚(PPS)微粉(在有些特殊場合使用的配方中還加入了極少量的聚四氟乙烯微粉)由Ryton公司提供｡它是一種綜合性能優異的熱塑性樹脂,可以與許多金屬､非金屬很好地粘合,且具有特殊的耐高溫和化學穩定性[4]｡自制的納米SiO₂粉體粒度在50nm以下｡要制備最終所含顆粒物為納米級的涂層,PPS的乳化､納米SiO₂的分散以及涂料的后期穩定性等都非常關鍵[5]｡作者研制的步驟是:

(1)將一定比例的PPS微粉､乳化劑ZR和去離子水混合,用MODELSQ-C型球磨機球磨16~20h,制成乳狀液｡

(2)將一定比例的分散劑ZF､納米SiO₂粉末和去離子水混合,用球磨機分散3~5h,制得納米SiO₂懸浮水分散液｡

(3)取一定量步驟(1)制得的乳狀液和一定量步驟(2)制得的分散液混合,并調節pH值為8~10,加入一定量的穩定劑ZL,用球磨機球磨4~8h,再加入適量的SPG-10消泡劑,制成水基涂料｡涂料最終的成分配比為PPS∶納米SiO₂∶ZR∶ZF∶ZL∶H₂O=100∶4~7∶1~3∶2~4∶3~4.5∶250~300｡用L 90型流變儀測得以上三步所得溶液的流變曲線見圖1,分別記為曲線1､2､3｡這里的流變特性是根據下式得到的｡

式中 D為剪切速率,s-1;τ為剪切應力,Pa;K1､n分別為流變常數｡當n>1時為剪切變稀流體;n<1時為剪切增稠流體;n=1時則為牛頓流體｡

由圖1可見,曲線1､2､3的n大致等于1,所以三種溶液都接近牛頓流體(比較均勻)｡

3涂層的制備和性能測試

將水基涂料用電動噴槍噴涂在經砂紙打磨和丙酮脫脂的試件表面上,放在馬氟爐中,在350~365℃下保持8~15min,制得表面光滑的棕褐色涂層｡要獲得較厚的涂層,只要反復“噴涂 燒結”幾次即可,而且前幾次燒結的時間可以縮短｡為了性能對比需要,特制備了顆粒尺寸較大(微米以上)的涂層(即前面所說的普通涂層)2^#,以與納米涂層1^#加以比較｡性能測試所用的試樣都按照國家標準的要求制備,平行試樣的數目為4,然后求平均值,其結果見表1｡

在圖2裝置中分別對兩種涂層進行沖蝕磨損試驗,其介質為水和石英砂,石英砂的粒度為120目,試樣尺寸為40mm×30mm×3~4mm,固定在機架上,液固兩相介質在葉片的攪動下高速旋轉,線速度為5m/s,沖蝕磨損時間為2h｡試驗完畢用萬分之一天平比較質量損失率｡平行試樣的數目為5,求出1^#和2^#涂層的平均質量損失率作為該涂層的質量損失率,分別記為E_Ⅰ､E_Ⅱ｡結果得到E_Ⅰ=11×10^-5,E_Ⅱ=552×10^-5,E_Ⅰ∶E_Ⅱ≈1∶50｡

4 結果分析

上述數據表明,納米顆粒增強高聚物所獲得的納米復合涂層具有大顆粒增強高聚物所無可比擬的優點,用英國劍橋S-250型掃描電鏡(SEM)對涂層的微觀結構進行了分析｡

圖3可見1#涂層顆粒均小于200nm,分布均勻,顆粒基本呈圓球形｡圖4可見2#涂層中的顆粒較大(>4μm),呈明顯的不規則形狀,涂層中有微裂紋,而且顆粒的分布極不均勻｡微觀結構決定性能,由于納米涂層中顆粒的小尺寸效應,所以它與高聚物(PPS)界面粘接作用加強,顆粒分布均勻,使得復合材料受力時有利于應力傳遞｡另外,顆粒尺寸小對基體的割裂作用減小,涂層致密,無微孔存在,當受到液固兩相流沖擊時,能量能夠均勻地分散在各個顆粒上,不至于顆粒脫落,造成沖蝕坑｡對比之下大顆粒與基體的結合力較弱,而且形狀極不規則,造成涂層中的應力較大,空隙較多｡在受到大的沖擊時,由于顆粒較大,單位體積上受到的沖擊功大,這樣顆粒容易脫落,造成涂層局部損壞,所以2#涂層的性能明顯不如1^#涂層｡

2^#涂層是將市售的SiO₂粉與PPS､ZR､ZF､ZL和H₂O混合球磨72h,最后加入適量的消泡劑所制得,這也說明光靠球磨機的球磨作用是得不到納米級顆粒的｡另外要制備納米級涂層必須解決納米粉體在涂料中的團聚問題｡作者通過選擇不同的表面活性劑(即乳化劑､分散劑和穩定劑)進行復配,成功地解決了納米顆粒在涂層中的團聚問題(圖3)｡如果表面活性劑選擇不當,則納米顆粒在涂層中會出現團聚(見圖5中的白色大顆粒),如果團聚嚴重,則顆粒尺度就不是納米級了｡

5結論

(1)當PPS/SiO₂涂層中的SiO₂顆粒尺寸在納米量級時,涂層在硬度､附著力､耐沖擊性和耐磨性等方面高于含有較大顆粒的涂層｡

(2)經試驗測試納米復合涂層的耐沖蝕磨損性比普通涂層提高了約50倍,能夠用于零部件的防沖蝕磨損｡

參考文獻:

[1] 鄭玉貴,姚治銘,龍康,等.液/固雙相流沖刷腐蝕實驗裝置的研制及動態電化學測試[J].腐蝕科學與防護技術,1993,5(4):286-290.

[2] 陳冠國,褚秀萍,張宏亮,等.關于沖蝕磨損問題[J].河北理工學院學報,1997,19(4):27-32.

[3] 朱云貴,劉少光,等.環氧膠粘復合涂層氣固沖蝕磨損特性研究[J].合肥工業大學學報,1997,20(2):90-93.

[4] 張愛波,雷渭媛,方海洪.聚苯硫醚復合涂層性能的研究[J].化工新型材料,1999,27(9):29-30.

[5] 劉福春,韓恩厚,柯偉.納米復合涂料的研究進展[J].材料保護,2001,34(2):1-4.