一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料及其制備和使用方法
【專利摘要】本發明涉及環氧樹脂復合涂層，特指一種改性環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組分的組成及質量百分比為：環氧樹脂5～15％，自潤滑添加劑45～75％，有機溶劑為10～50％；B組分的組成及質量百分比為：固化劑15～30％，有機溶劑為70～85％。在使用時，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改性環氧樹脂耐磨涂層材料，本發明提高了NbSe2在環氧樹脂中的分散性，所制備的耐磨涂層具有較低的摩擦系數(0.059)和較高的耐磨性(其磨損率相對未加添加劑的環氧樹脂涂層提高了70％)。本發明的制備方法簡單易行、適合大規模生產。
【專利說明】
一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料及其制備和使用方法
技術領域
[0001]本發明涉及環氧樹脂復合涂層，本發明涉及二維NbSe2填充環氧樹脂復合涂層，本發明還涉及二維NbSe2的制備，本發明還涉及該涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]環氧樹脂是一種強度高、粘結性能好、具有優良耐熱性、防腐性和承載能力的熱固性高分子材料，在現代工業中的用途日益廣泛。近幾十年來耐磨及自潤滑環氧復合材料的發展很快，可替代金屬材料制作齒輪、軸承、滑輪、導軌、活塞環、密封圈等。但是由于環氧樹脂脆而硬，斷裂能較低，易磨損，為了改善其摩擦學性能，通常需要添加納米、微米級粒子對其共混、填充等增強改性處理，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的環氧樹脂，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，其結構與石墨相似，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致了低的抗剪切力從而賦予了這種材料在固體狀態較好的潤滑性能。二維的NbSe2納米片具有高的比表面積、高強度、高模量等特點在機械、電子、信息、能源和材料等領域備受關注，有望應用于聚合物材料的增強方面。
[0004]近年來環氧樹脂復合涂層的制備方法報道較多，但是在現有技術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。本發明技術區別于現有技術的主要特征在于通過行星式球磨機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盤軸公轉的同時又圍繞自身軸心自轉，作行星式運動。球磨罐的公轉可以產生數倍，甚至數十倍于重力加速度的向心加速度，在強大的離心力作用下，磨球與物料在研磨罐內高速翻滾，相互摩擦，進而對物料產生強烈的剪切力，這種剪切力能夠克服NbSe2層間弱的范德華力從而實現NbSe2的剝離。在球磨時加入有機溶劑，溶劑與納米片相互作用可以平衡對于NbSe2層擴張的能量消耗和防止NbSe2片的再團聚。此外，該涂層的制備方法具有較高的穩定性，可以噴涂在不同材質的材料上，且工藝簡單，易于大面積制備耐磨表面，易于實現工業化制造。
【發明內容】
[0005]本發明的目的之一在于提供一種二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層材料。
[0006]本發明的目的之二在于提供該涂層的制備方法。
[0007]為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0008]一種NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層材料，為A、B雙組分涂層材料;所述A組分的組成及質量百分比為:環氧樹脂5?15%，自潤滑添加劑45?75%，有機溶劑為10?50% ;B組分的組成及質量百分比為:固化劑15?30%，有機溶劑為70?85 %。
[0009]上述的環氧樹脂為雙酸A型環氧樹脂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組分中環氧樹脂的質量比為1:1。
[0012]上述的有機溶劑，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法制備:將鈮粉和砸粉按1:2.2的化學計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。使用行星式球磨機球磨，球磨時間為10小時，轉速為200轉每分鐘。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以10°C每分鐘的升溫速率升至750°C保溫2小時合成。
[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，使用行星式球磨機球磨20小時;行星式球磨機的轉速設為250轉每分鐘，磨球為鋼球，直徑為8mm，球料比為20:1，最終得到二維NbSe2納米片分散液。
[0016]3，稱取一定質量的環氧樹脂，使用A組分的有機溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻得到低粘度環氧樹脂溶液。
[0017]4，將步驟3所得低粘度環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改性環氧樹脂耐磨涂層材料的A組分。
[0018]5，按與A組分中環氧樹脂質量比1:1的比例稱取固化劑使用B組分的有機溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻作為B組分。
[0019]在使用時，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，或者進行磷化處理，自然風干后使用，玻璃基材只需用丙酮清洗干凈即可。噴涂時，在0.02?0.05Mpa的氮氣壓力下，采用空氣噴槍將涂層材料噴涂到預處理后待涂覆的基材上，自然干燥后置入鼓風干燥箱進行固化處理，固化條件為100°C下固化兩小時，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得二維NbSe2高分散改性環氧樹脂耐磨涂層。
[0020]本發明提高了NbSe2在環氧樹脂中的分散性，所制備的耐磨涂層具有較低的摩擦系數(0.059)和較高的耐磨性(其磨損率相對未加添加劑的環氧樹脂涂層提高了 70%)。本發明的制備方法簡單易行、適合大規模生產。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例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為本發明實施例1中二維NbSe2納米片的掃描電鏡(SEM)圖。
[0023]圖3為本發明實施例1中二維NbSe2納米片的透射電鏡(TEM)圖。
[0024]圖4為本發明實施例2中二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層在不同載荷下的摩擦系數與磨損率。
[0025]圖5為本發明實施例1，2，3中二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層的平均摩擦系數。
[0026]圖6為本發明實施例1，2，3中二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層的磨損率。
【具體實施方式】
[0027]為了更好地理解本發明，下面結合實施例對本發明作進一步說明，但是本發明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0028]實施例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，得到二維NbSe2納米片分散液(7.6g)。
[0030]第二步，稱取1.5g環氧樹脂，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氮氣下將步驟三得到的材料噴涂在步驟四經處理過的基材上，膜厚20μπι，自然風干后，置入鼓風干燥箱內100°C固化2小時，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即到二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層。
[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明顯的分層現象，這說明二維的NbSe2納米片在環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，當二維NbSe2分散液在硅襯底上干燥時，NbSe2納米片具有結合成重疊結構的顯著傾向。
[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納米片具有相當薄的二維平面結構。
[0037]實施例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，得到二維NbSe2納米片分散液(15.4g)。
[0039]第二步，稱取2g的環氧樹脂，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，取出自然風干4小時后方可使用。
[0042]第五步，在0.03Mpa氮氣下將步驟三得到的材料噴涂在步驟四經處理過的基材上，膜厚5wii，自然風干后，置入鼓風干燥箱內100°C固化2小時，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得到二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層。
[0043]圖4為二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層的不同載荷下的摩擦系數與磨損率，從圖中可以看出摩擦系數隨著載荷的增加逐漸減小，在高載荷下，二維NbSe2能夠更快轉移到的鋼球接觸區域形成表面保護和潤滑膜，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，這將導致嚴重的磨損。
[0044]實施例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，得到二維NbSe2納米片分散液(11.55g)。
[0046]第二步，稱取3g的環氧樹脂，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氮氣下將步驟三得到的材料噴涂在步驟四經處理過的基材上，膜厚ΙΟμπι，自然風干后，置入鼓風干燥箱內100°C固化2小時，隨爐冷卻后使用600號金相砂紙精磨即得到二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層。
[0050]圖5為本發明實施例1，2，3中二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層的平均摩擦系數，從圖中可以看出，NbSe2/環氧樹脂耐磨涂層的平均摩擦系數相對于純的環氧樹脂涂層降低了80%?85%，穩定在0.059?0.07，這說明該涂層具有較好的減磨效果。
[0051 ]圖6為本發明實施例1，2，3中二維NbSe2改性環氧樹脂耐磨涂層磨損率，從圖中可以看出，NbSe2/環氧樹脂耐磨涂層的磨損率相對于純的環氧樹脂涂層降低了 70%左右，這說明該涂層具有較好的耐磨性。
【主權項】
1.一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:所述改性環氧樹脂耐磨涂層材料為A、B雙組分涂層材料;所述A組分的組成及質量百分比為:環氧樹脂5?15%，自潤滑添加劑.45?75%，有機溶劑為10?50% ;B組分的組成及質量百分比為:固化劑15?30%，有機溶劑為70?85%。2.如權利要求1所述的一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:所述環氧樹脂為雙酸A型環氧樹脂E44。3.如權利要求1所述的一種改性環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.如權利要求1所述的一種改性環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組分中環氧樹脂的質量比為1:1。5.如權利要求1所述的一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:上所述的有機溶劑，A組分中為丙酮，B組分中為無水乙醇。6.如權利要求3所述的一種改性環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，使用行星式球磨機球磨20小時，最終得到二維NbSe2納米片分散液。7.如權利要求6所述的一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料，其特征在于:行星式球磨機的轉速設為250轉每分鐘，磨球為鋼球，直徑為8_，球料比為20:1。8.如權利要求1所述的一種改性環氧樹脂耐磨涂層材料的制備方法，其特征在于步驟如下: (1)稱取一定質量的環氧樹脂，使用A組分的有機溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻得到低粘度環氧樹脂溶液； (2)將所得低粘度環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改性環氧樹脂耐磨涂層材料的A組分； (3)按與A組分中環氧樹脂質量比1:1的比例稱取固化劑使用B組分的有機溶劑稀釋，室溫下攪拌均勻作為B組分。9.如權利要求1所述的一種改性環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，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，或者進行磷化處理，自然風干后使用，玻璃基材只需用丙酮清洗干凈即可；噴涂時，在0.02?0.05Mpa的氮氣壓力下，采用空氣噴槍將涂層材料噴涂到預處理后待涂覆的基材上，自然干燥后置入鼓風干燥箱進行固化處理，固化條件為100°C下固化兩小時，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
【發明人】唐華, 萇樹方, 楊進, 李長生
【申請人】江蘇大學