一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料及其制備和使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，特指一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料及其制備和使用方法。其為A、B雙組分涂層材料；所述A組分的組成及質(zhì)量百分比為：環(huán)氧樹脂5～15％，自潤滑添加劑45～75％，有機(jī)溶劑為10～50％；B組分的組成及質(zhì)量百分比為：固化劑15～30％，有機(jī)溶劑為70～85％。在使用時(shí)，將A組分與B組分依次通過攪拌和超聲分散混合均勻，得到二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，本發(fā)明提高了NbSe2在環(huán)氧樹脂中的分散性，所制備的耐磨涂層具有較低的摩擦系數(shù)(0.059)和較高的耐磨性(其磨損率相對未加添加劑的環(huán)氧樹脂涂層提高了70％)。本發(fā)明的制備方法簡單易行、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】
一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料及其制備和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，本發(fā)明涉及二維NbSe2填充環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，本發(fā)明還涉及二維NbSe2的制備，本發(fā)明還涉及該涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)氧樹脂是一種強(qiáng)度高、粘結(jié)性能好、具有優(yōu)良耐熱性、防腐性和承載能力的熱固性高分子材料，在現(xiàn)代工業(yè)中的用途日益廣泛。近幾十年來耐磨及自潤滑環(huán)氧復(fù)合材料的發(fā)展很快，可替代金屬材料制作齒輪、軸承、滑輪、導(dǎo)軌、活塞環(huán)、密封圈等。但是由于環(huán)氧樹脂脆而硬，斷裂能較低，易磨損，為了改善其摩擦學(xué)性能，通常需要添加納米、微米級粒子對其共混、填充等增強(qiáng)改性處理，但仍難以滿足高精度、高載荷、耐腐蝕、耐磨損的要求;例如，碳纖維、玻璃纖維和微米顆粒增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，由于顆粒和纖維的尺寸粗大，在摩擦過程中容易損傷對偶材料，且作為減磨耐磨材料其耐磨性極不理想。
[0003]二砸化鈮(NbSe2)是一種過渡族金屬砸化物，其結(jié)構(gòu)與石墨相似，層與層之間是通過范德華力堆垛起來的，這種弱的范德華力導(dǎo)致了低的抗剪切力從而賦予了這種材料在固體狀態(tài)較好的潤滑性能。二維的NbSe2納米片具有高的比表面積、高強(qiáng)度、高模量等特點(diǎn)在機(jī)械、電子、信息、能源和材料等領(lǐng)域備受關(guān)注，有望應(yīng)用于聚合物材料的增強(qiáng)方面。
[0004]近年來環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的制備方法報(bào)道較多，但是在現(xiàn)有技術(shù)下高分子樹脂基固體潤滑涂層仍存在潤滑添加劑在樹脂中分散性差的不足。因此，進(jìn)一步提高潤滑添加劑在高分子樹脂基體中的分散性具有重要意義。本發(fā)明技術(shù)區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的主要特征在于通過行星式球磨機(jī)球磨制備出具有高分散性的二維NbSe2分散液。在球磨過程中球磨罐在繞轉(zhuǎn)盤軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)又圍繞自身軸心自轉(zhuǎn)，作行星式運(yùn)動(dòng)。球磨罐的公轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生數(shù)倍，甚至數(shù)十倍于重力加速度的向心加速度，在強(qiáng)大的離心力作用下，磨球與物料在研磨罐內(nèi)高速翻滾，相互摩擦，進(jìn)而對物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，這種剪切力能夠克服NbSe2層間弱的范德華力從而實(shí)現(xiàn)NbSe2的剝離。在球磨時(shí)加入有機(jī)溶劑，溶劑與納米片相互作用可以平衡對于NbSe2層擴(kuò)張的能量消耗和防止NbSe2片的再團(tuán)聚。此外，該涂層的制備方法具有較高的穩(wěn)定性，可以噴涂在不同材質(zhì)的材料上，且工藝簡單，易于大面積制備耐磨表面，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一在于提供一種二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料。
[0006]本發(fā)明的目的之二在于提供該涂層的制備方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，為A、B雙組分涂層材料;所述A組分的組成及質(zhì)量百分比為:環(huán)氧樹脂5?15%，自潤滑添加劑45?75%，有機(jī)溶劑為10?50% ;B組分的組成及質(zhì)量百分比為:固化劑15?30%，有機(jī)溶劑為70?85 %。
[0009]上述的環(huán)氧樹脂為雙酸A型環(huán)氧樹脂E44。
[0010]上述的自潤滑添加劑為二維NbSe2納米片分散液。
[0011]上述的固化劑為低分子650聚酰胺，其與A組分中環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1:1。
[0012]上述的有機(jī)溶劑，A組分中為丙酮，B組分中為無水乙醇。
[0013]一種制備上述二維NbSe2高分散改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料的方法，主要包括以下步驟:
[0014]I ,NbSe2粉末的合成是通過固相燒結(jié)法制備:將鈮粉和砸粉按1:2.2的化學(xué)計(jì)量比稱取在研缽中研磨5分鐘，再將研磨后的粉末和直徑為12mm的鋼球放入球磨罐中，球料比為8:1，然后密封并抽取罐中的空氣，通入氬氣。使用行星式球磨機(jī)球磨，球磨時(shí)間為10小時(shí)，轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)每分鐘。然后再將球磨所得的混合物置于高溫管式爐中通氬氣保護(hù)以10°C每分鐘的升溫速率升至750°C保溫2小時(shí)合成。
[0015]2，將NbSe2粉末分散在無水乙醇中，其濃度為每mL無水乙醇加入30?50mg NbSe2,然后將其密封在球磨罐中，抽真空通氬氣保護(hù)，使用行星式球磨機(jī)球磨20小時(shí);行星式球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為250轉(zhuǎn)每分鐘，磨球?yàn)殇撉?，直徑?mm，球料比為20:1，最終得到二維NbSe2納米片分散液。
[0016]3，稱取一定質(zhì)量的環(huán)氧樹脂，使用A組分的有機(jī)溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻得到低粘度環(huán)氧樹脂溶液。
[0017]4，將步驟3所得低粘度環(huán)氧樹脂溶液加入到步驟2所得的作為自潤滑添加劑的二維NbSe2納米片分散液中，攪拌、超聲分散即得所需的二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料的A組分。
[0018]5，按與A組分中環(huán)氧樹脂質(zhì)量比1:1的比例稱取固化劑使用B組分的有機(jī)溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻作為B組分。
[0019]在使用時(shí)，將A組分與B組分依次通過攪拌和超聲分散混合均勻，得到二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料;噴涂之前，金屬基材需要選用900#水磨砂紙打磨粗糙度至Ra為0.52?0.88μπι，在丙酮中超聲清洗10分鐘，或者進(jìn)行磷化處理，自然風(fēng)干后使用，玻璃基材只需用丙酮清洗干凈即可。噴涂時(shí)，在0.02?0.05Mpa的氮?dú)鈮毫ο?，采用空氣噴槍將涂層材料噴涂到預(yù)處理后待涂覆的基材上，自然干燥后置入鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行固化處理，固化條件為100°C下固化兩小時(shí)，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得二維NbSe2高分散改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層。
[0020]本發(fā)明提高了NbSe2在環(huán)氧樹脂中的分散性，所制備的耐磨涂層具有較低的摩擦系數(shù)(0.059)和較高的耐磨性(其磨損率相對未加添加劑的環(huán)氧樹脂涂層提高了 70%)。本發(fā)明的制備方法簡單易行、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中A組分涂層材料與含有未球磨的NbSe2粉末的A組分涂層材料在室溫下放置3天后的圖片。
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中二維NbSe2納米片的掃描電鏡(SEM)圖。
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中二維NbSe2納米片的透射電鏡(TEM)圖。
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層在不同載荷下的摩擦系數(shù)與磨損率。
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1，2，3中二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層的平均摩擦系數(shù)。
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1，2，3中二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層的磨損率。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表示的范圍。
[0028]實(shí)施例1
[0029]第一步，將0.4g的NbSe2粉末溶于1ml (7.2g)的無水乙醇中，然后球磨20小時(shí)，得到二維NbSe2納米片分散液(7.6g)。
[0030]第二步，稱取1.5g環(huán)氧樹脂，使用5g的丙酮稀釋，室溫下磁力攪拌30min，溶解均勻，加入到步驟一的分散液中，磁力攪拌，超聲振蕩。
[0031]第三步，稱取1.5g的固化劑，使用5g的無水乙醇稀釋，室溫下磁力攪拌30min，溶解均勻，加入到步驟二的溶液中；得到的混合溶液磁力攪拌，超聲振蕩。
[0032]第四步，選用900號水磨砂紙打磨規(guī)格20mmX 20mm X 5mm的鋼塊，粗糙度至Ra為0.52ym，打磨光滑后，置入丙酮溶液中超聲洗凈，取出晾干。
[0033]第五步，在0.02Mpa氮?dú)庀聦⒉襟E三得到的材料噴涂在步驟四經(jīng)處理過的基材上，膜厚20μπι，自然風(fēng)干后，置入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)100°C固化2小時(shí)，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即到二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層。
[0034]圖1是所制備的含有二維NbSe2納米片的A組分涂層材料(左)和含有未球磨NbSe2的A組分涂層材料(右)室溫放置5天后的圖片，從圖中可以看出。放置5天后含有二維NbSe2納米片的A組分涂層材料沒有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，這說明二維的NbSe2納米片在環(huán)氧樹脂中的具有良好的分散性
[0035]圖2是所制備的二維NbSe2納米片的掃描電鏡圖，從圖中可看出由于其具有高表面積，當(dāng)二維NbSe2分散液在硅襯底上干燥時(shí)，NbSe2納米片具有結(jié)合成重疊結(jié)構(gòu)的顯著傾向。
[0036]圖3為所制備的二維NbSe2納米片的透射電鏡圖，從圖中可看出該NbSe2納米片具有相當(dāng)薄的二維平面結(jié)構(gòu)。
[0037]實(shí)施例2
[0038]第一步，將Ig的NbSe2粉末溶于20ml(14.4g)的無水乙醇中，然后球磨20小時(shí)，得到二維NbSe2納米片分散液(15.4g)。
[0039]第二步，稱取2g的環(huán)氧樹脂，使用7g的丙酮稀釋，室溫下磁力攪拌30min，溶解均勻，加入到步驟一的分散液中，磁力攪拌，超聲振蕩。
[0040]第三步，稱取2g的固化劑，使用7g的無水乙醇稀釋，室溫下磁力攪拌30min，溶解均勻，加入到步驟二的溶液中，得到的混合溶液磁力攪拌，超聲振蕩。
[0041 ] 第四步，選用900號水磨砂紙打磨規(guī)格20mmX20mmX 15mm的鋼塊，粗糙度至Ra為
0.88μηι，打磨光滑后，置入磷化液中浸泡30分鐘后，取出自然風(fēng)干4小時(shí)后方可使用。
[0042]第五步，在0.03Mpa氮?dú)庀聦⒉襟E三得到的材料噴涂在步驟四經(jīng)處理過的基材上，膜厚5wii，自然風(fēng)干后，置入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)100°C固化2小時(shí)，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得到二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層。
[0043]圖4為二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層的不同載荷下的摩擦系數(shù)與磨損率，從圖中可以看出摩擦系數(shù)隨著載荷的增加逐漸減小，在高載荷下，二維NbSe2能夠更快轉(zhuǎn)移到的鋼球接觸區(qū)域形成表面保護(hù)和潤滑膜，磨損率隨著載荷的增加而有所增加，這是由于在摩擦過程中，摩擦副的突出面滲透到復(fù)合材料中劃傷表面，其穿透深度將隨著載荷的增加而增加，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損。
[0044]實(shí)施例3
[0045]第一步，將0.75g的NbSe2粉末溶于15ml(10.8g)的無水乙醇中，然后球磨20小時(shí)，得到二維NbSe2納米片分散液(11.55g)。
[0046]第二步，稱取3g的環(huán)氧樹脂，使用1g的丙酮稀釋，室溫下磁力攪拌30min，溶解均勻，加入到步驟一的分散液中，磁力攪拌，超聲振蕩。
[0047]第三步，稱取3g的固化劑，使用1g的無水乙醇稀釋，室溫下磁力攪拌30min，溶解均勻，加入到步驟二的溶液中，得到的混合溶液磁力攪拌，超聲振蕩。
[0048]第四步，選用規(guī)格為50mmX25mmXImm的載玻片，用蘸有丙酮溶液的棉球擦拭玻片表面，拭凈并晾干。
[0049]第五步，在0.02Mpa氮?dú)庀聦⒉襟E三得到的材料噴涂在步驟四經(jīng)處理過的基材上，膜厚ΙΟμπι，自然風(fēng)干后，置入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)100°C固化2小時(shí)，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得到二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層。
[0050]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1，2，3中二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層的平均摩擦系數(shù)，從圖中可以看出，NbSe2/環(huán)氧樹脂耐磨涂層的平均摩擦系數(shù)相對于純的環(huán)氧樹脂涂層降低了80%?85%，穩(wěn)定在0.059?0.07，這說明該涂層具有較好的減磨效果。
[0051 ]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1，2，3中二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層磨損率，從圖中可以看出，NbSe2/環(huán)氧樹脂耐磨涂層的磨損率相對于純的環(huán)氧樹脂涂層降低了 70%左右，這說明該涂層具有較好的耐磨性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:所述改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料為A、B雙組分涂層材料;所述A組分的組成及質(zhì)量百分比為:環(huán)氧樹脂5?15%，自潤滑添加劑.45?75%，有機(jī)溶劑為10?50% ;B組分的組成及質(zhì)量百分比為:固化劑15?30%，有機(jī)溶劑為70?85%。2.如權(quán)利要求1所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:所述環(huán)氧樹脂為雙酸A型環(huán)氧樹脂E44。3.如權(quán)利要求1所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:所述自潤滑添加劑為二維NbSe2納米片分散液。4.如權(quán)利要求1所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:所述固化劑為低分子650聚酰胺，其與A組分中環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1:1。5.如權(quán)利要求1所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:上所述的有機(jī)溶劑，A組分中為丙酮，B組分中為無水乙醇。6.如權(quán)利要求3所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于，所述二維NbSe2納米片分散液的制備方法如下:將NbSe2粉末分散在無水乙醇中，其濃度為每mL無水乙醇加入.30?50mg NbSe2,然后將其密封在球磨罐中，抽真空通氬氣保護(hù)，使用行星式球磨機(jī)球磨20小時(shí)，最終得到二維NbSe2納米片分散液。7.如權(quán)利要求6所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:行星式球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為250轉(zhuǎn)每分鐘，磨球?yàn)殇撉颍睆綖?_，球料比為20:1。8.如權(quán)利要求1所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料的制備方法，其特征在于步驟如下: (1)稱取一定質(zhì)量的環(huán)氧樹脂，使用A組分的有機(jī)溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻得到低粘度環(huán)氧樹脂溶液； (2)將所得低粘度環(huán)氧樹脂溶液加入到作為自潤滑添加劑的二維NbSe2納米片分散液中，攪拌、超聲分散即得所需的二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料的A組分； (3)按與A組分中環(huán)氧樹脂質(zhì)量比1:1的比例稱取固化劑使用B組分的有機(jī)溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻作為B組分。9.如權(quán)利要求1所述的一種改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料的使用方法，其特征在于步驟如下:在使用時(shí)，將A組分與B組分依次通過攪拌和超聲分散混合均勻，得到二維NbSe2改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層材料；噴涂之前，金屬基材需要選用900#水磨砂紙打磨粗糙度至Ra為.0.52?0.88μπι，在丙酮中超聲清洗10分鐘，或者進(jìn)行磷化處理，自然風(fēng)干后使用，玻璃基材只需用丙酮清洗干凈即可；噴涂時(shí)，在0.02?0.05Mpa的氮?dú)鈮毫ο?，采用空氣噴槍將涂層材料噴涂到預(yù)處理后待涂覆的基材上，自然干燥后置入鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行固化處理，固化條件為100°C下固化兩小時(shí)，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得二維NbSe2高分散改性環(huán)氧樹脂耐磨涂層。
【文檔編號】C01B19/04GK106085109SQ201610454296
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】唐華, 萇樹方, 楊進(jìn), 李長生
【申請人】江蘇大學(xué)