摘要：為了獲得改性環(huán)氧樹脂粘接SiC顆粒鋼基表面復合涂層的優(yōu)異性能,試驗采用偶聯(lián)劑KH-550來改善材料的復合界面。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)氧樹脂膠粘SiC耐磨涂層的粘接強度(包括剪切強度、拉伸強度及彎曲強度)及耐磨性,并確定出了改性環(huán)氧樹脂膠粘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。
[關鍵詞]偶聯(lián)劑KH-550;耐磨涂層;粘接強度;耐磨性;改性環(huán)氧樹脂;碳化硅
0引言
沖蝕磨損是較為常見的磨損形式之一,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,如水輪機葉片、泥漿泵以及混凝土和瀝青攪拌機中的攪拌葉片和護板的磨損等。因此,選擇一種簡單、快速、費用低、效果好的能防止及修復零部件磨損的工藝十分重要。以改性環(huán)氧樹脂為粘接劑,添加陶瓷顆粒而成的復合材料,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用于各類過流部件的表面,其涂覆工藝簡單,成本低廉,無熱影響區(qū)及變形。這種復合材料除了可用于零件表面耐腐蝕、耐磨損的預置涂層及零件腐蝕磨損表面的修復之外,還廣泛用于修補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]。此共混體系當且僅當各有機相之間、無機填料及骨架材料表面與所接觸的有機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)氧樹脂膠粘劑中,最成熟和最實用的就是有機硅烷偶聯(lián)劑,本試驗應用的KH-550就屬此類偶聯(lián)劑,其表面能γc與環(huán)氧樹脂粘接劑的表面能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)量分數(shù)為0.5%~1.0%的偶聯(lián)劑配制成95%的乙醇溶液,使用時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,可以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)對填料表面的有機化處理。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,直接加到膠粘劑組分中去。在固化過程中,由于分子的擴散作用,偶聯(lián)劑分子遷移到被粘接材料表面。3)對填料直接處理。4)把偶聯(lián)劑加到環(huán)氧/填料混合體系中。后兩種方法的缺點是不利于偶聯(lián)劑的均勻分散,故在本實驗中,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對共混體系粘接強度(包括剪切強度、拉伸強度及彎曲強度)、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
1.1試驗材料
本試驗所采用的環(huán)氧膠粘涂層的基本配方為:
A組分:基料環(huán)氧樹脂E-44/E-51=1/1,10.0g;增韌劑聚氨酯預聚體,2.0g;少許有機硅油消泡劑。
B組分:固化劑改性胺T31,2.0g;固化促進劑DMP30,0.5g。
1.2試樣的制備及測試方法
本試驗的試驗方案見表1。為了確定改性環(huán)氧樹脂與鋼及SiC粒子間的粘接強度,分別測定了改性環(huán)氧樹脂與鋼間的剪切強度和拉伸強度,以及改性環(huán)氧樹脂粘接SiC粒子間的彎曲強度。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)氧樹脂,環(huán)氧樹脂固化后進行剪切強度測定。拉伸試樣為20mm×50mm的圓柱試樣,將2個圓柱試樣端部對接,中間充填3mm后的改型環(huán)氧樹脂,環(huán)氧樹脂固化后進行拉伸性能測定。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,固化后進行彎曲強度和沖蝕磨損耐磨性測定。
偶聯(lián)劑在環(huán)氧樹脂膠粘耐磨涂層中的應用
注:原料加入順序環(huán)氧樹脂+增韌劑+偶聯(lián)劑+SiC+固化劑+促進劑。按照表1制備1~10號試樣。熟化一段時間后澆注在處理好的模具中。
剪切強度、拉伸強度及彎曲強度用試樣為3組,在萬能試驗機上測定并最終取3組結(jié)果的平均值。
沖蝕試驗在實驗室自制沖蝕磨損實驗機上進行,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間(1min)的失重量δ來表示:磨損率δ=試樣的失重量/時間。
2試驗結(jié)果及分析
2.1KH-550對基本配方粘接強度的影響(見圖1)
由圖1可以看出:在偶聯(lián)劑使用方法為表面處理法時,所得的彎曲強度不僅強度很低,雜亂無章,而且在KH-550添加量為0時,彎曲強度最高,這也否定了偶聯(lián)劑的作用。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因可能是在硅烷偶聯(lián)劑溶液處理SiC過程中,KH-550緩慢水解縮合而失去與表面作用的能力。相比較1~5號與6~10號,在偶聯(lián)劑的使用方法上,遷移法更實用一些。
偶聯(lián)劑在環(huán)氧樹脂膠粘耐磨涂層中的應用
KH-550的加入提高了膠粘涂層粘接強度,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,粘接強度———剪切、拉伸、彎曲強度都呈現(xiàn)一種趨勢:先增大直至最高值,然后降低。具體為:當KH-550加入量為4.9%時,剪切強度達到最高值30.96MPa,性能提高(相比0%時)達915.1%。當加入量為3.3%時,拉伸強度與彎曲強度都達到最高值,分別為27.18MPa與71.34MPa,性能分別提高達262.9%與19.2%;此時,剪切強度也達到了25.97MPa,性能提高達751.5%。綜上所述:8號試樣(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度是與它的結(jié)構有關[6]。偶聯(lián)劑KH550的結(jié)構式為:H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3(γ-氨丙基三乙氧基硅烷),它的最大特點是分子中包含有性質(zhì)不同的2個基團,一個是親無機物基團—OC2H5,它水解形成硅醇,易與無機材料(如金屬材料或填料)起化學反應生成硅氧烷;另一個是親有機物基團—NH2,它能與有機合成材料(如基料)起反應。有機硅烷偶聯(lián)劑在2個不同材料界面的偶聯(lián)過程,是1個復雜的液-固表面物理化學過程,即浸潤-取向-交聯(lián)過程。由于偶聯(lián)劑黏度低、表面張力小,對金屬等無機材料的表面接觸角很小,所以在它與無機材料的表面上,可以迅速鋪展開來,使其被偶聯(lián)劑潤濕。
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,分子兩端的基團便分別向極性相近的表面擴散。一端的—Si(OH)3基團取向于無機材料表面,同時與取向表面的水分子等發(fā)生水解縮聚,產(chǎn)生化學交聯(lián);有機官能團—NH2則向有機樹脂表面取向,在固化中與膠粘劑中的相應官能團進行化學交聯(lián),使之完成異相表面間的偶聯(lián)過程[6]。
