环氧树脂耐磨防腐涂层腐蚀性能研究

环氧树脂耐磨防腐涂层腐蚀性能研究

周晓谦

(辽宁工程技术大学材料系，辽宁阜新123000)

E-mail：zxq6558960@

摘要：通过三种不同配方的环氧树脂涂层耐腐蚀性能测试，得到在五种不同介质条件下涂层的拉伸剪切强度数据。由比较可知，通过插层复合的方法制备环氧树脂/纳米蒙脱土/203#PA耐磨防腐涂层的耐腐蚀性能最佳，确定了环氧树脂耐磨防腐涂层的最佳配方。

关键词：环氧树脂涂层，纳米蒙脱土，粉煤灰，腐蚀性能

耐磨胶粘涂层是使用含有耐磨填料的胶粘剂涂敷在零件表面上所形成的一种新型抗磨复合材料，是以修复、防磨或减磨为主的新型涂层，主要用于密封、堵漏、抗腐蚀、抗冲蚀磨损及抗磨粒磨损等工况，在铸造、水泥、铁路、电子等多种行业有广泛应用。

耐磨胶粘涂层的种类和配方不同，但其基本成分可归纳为基体、固化剂、填料和辅助材料等四种组分。以环氧树脂为胶粘剂的涂层在冲蚀磨损条件下，得到了一定程度的应用[1]。环氧树脂耐磨涂层在实际应用过程中可能有腐蚀性介质存在，所以环氧树脂耐磨涂层腐蚀性能研究在理论和实际应用中都很有意义。

1 材料制备与实验方法

1.1 原材料

（1） 冲蚀试样长度为100mm，宽为25mm，厚为3mm的Q235钢片。

（2） 环氧树脂：E-44（沈阳正泰防腐材料有限公司生产）和E51（无锡树脂厂生产）。

（3） 固化剂：T-31（沈阳化工十厂生产）和203#PA（天津延安化工厂生产）。

（4） 增韧剂：DBP（郑州市化学试剂三厂）。

（5） 填料：粉煤灰（阜新热电厂粉磨后的成品）和纳米蒙脱土（中科院化学所）。1.2 样品制备

首先对Q235钢片进行机械磨平，除去其表面污物、氧化皮、锈斑、灰尘等，用丙酮擦洗脱脂后，再用砂纸打磨，将表面处理光滑后再用刀片粗糙钢片表面，严格按照配方称量药品，配胶时的加入顺序为：环氧树脂E-44、E-51、增韧剂、填料、固化剂。采用刮涂法进行涂胶，使试样的五个面均涂上胶层且保持均匀平整，控制胶膜层的厚度为0.8-1.0mm为宜。环氧树脂涂层配比见表1。

表1 环氧树脂涂层配比（质量份数）

Tab. 1 The Mixture Ratio of Epoxy Anti-wear Coatings (Mass Ratio)

配方E-44 E-51 DBP T-31 PA 粉煤灰纳米蒙脱土

A 30 70 14 25 0 150 0

B 30 70 0 0 80 200 0

C 30 70 0 0 80 0 7

* 固化条件为：20℃×24h+120℃×3 h+20℃×24h

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1.3 涂层腐蚀性能测试

首先根据表1的配方和固化条件制备环氧树脂涂层试样。这些试样分别在自来水、机油、10%盐酸水溶液、10%氢氧化钠水溶液、3%氯化钠水溶液中进行耐腐蚀实验。浸泡三天干燥后的试样，测试其拉伸剪切强度，并与对比试样比较。

2 实验结果

被放入腐蚀介质中浸泡后的拉伸剪切强度及其下降率的数据见表2，其中τ表示涂层剪切强度，Δτ%表示剪切强度的下降率，数据中的“-”表示剪切强度的增加率。进而比较三种涂层在腐蚀性介质中的耐腐蚀性能，选出较好的耐腐蚀配方。

表2 三种涂层配方的拉伸剪切强度

Tab. 2 The Tensile Strength of Three Epoxy Anti-wear Coatings

配方A 配方B 配方C

介质名称τΔτ% τΔτ % τΔτ

%

(MPa) (MPa)(MPa) (MPa) (MPa) (MPa)

未被腐蚀试样14.70 0 16.37 0 18.99 0

自来水15.74 -5.24 14.14 13.62 17.95 5.48

机油13.08 11.02 14.95 8.67 17.77 6.42

盐酸水溶液12.93 12.04 13.32 18.63 17.62 7.21

氢氧化钠水溶液13.36 7.07 13.38 15.27 17.99 5.32

氯化钠水溶液12.85 12.59 12.99 20.65 17.46 8.06

3 实验结果分析

3.1水对环氧树脂涂层的腐蚀特性的影响

配方A的涂层在水中浸泡后，测得的剪切强度与对照值增加了，而配方B和配方C涂层的剪切强度下降了，说明配方A的耐水性最好。主要因为T-31是一种水下固化剂，耐水、耐潮性能良好，由于T-31脆性较大，胶层部分存在较多的微裂纹，水对胶层的物理增塑作用使微裂纹尖端钝化，同时材料的抗拉伸剪切性能对缺陷很敏感，所以在缺陷钝化后，以T-31为固化剂的环氧树脂涂层的拉伸剪切强度值增大[2]。而203#PA具有较强的吸水性，因此总体看在水中由203#PA做固化剂的涂层，其拉伸剪切强度会降低些。配方B是由微米级的粉煤灰作填料，它在一定程度上有吸水性，因此对水的腐蚀抵抗能力较弱，配方C则是用纳米蒙脱土作填料的，该蒙脱土由于经过有机化处理，由亲水性变为亲油性，从一定程度上削弱了水对它的腐蚀，因此配方C的耐水性比配方B强。

3.2机油对环氧树脂涂层的腐蚀特性影响

三种配方的涂层在机油中浸泡后，测得的剪切强度与对照值相比均下降了，其中下降幅度最大的是配方A，下降幅度最小是配方C。因为机油属于非极性有机介质，环氧树脂极性也较弱，根据相似相容原理可知，未交联的环氧树脂及其它有机小分子组分易溶于机油中而失去原有的性能，导致交联的环氧树脂的拉伸剪切强度下降[3]。环氧树脂固化后分子长链生成，其最低分子量分级1是环氧树脂的低聚物，分级2是1mol环氧树脂与固化剂的加成产物，分级3是2mol

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环氧树脂与2mol固化剂的加成产物，出现侧链，分级4是含有两个以上侧链的交联产物。机油能溶解分级1和2产物，但很难溶解分级3和分级4的固化产物。由实验数据可知配方A浸泡后的拉伸剪切强度降低得最大，下降了11.02%，说明固化产物中可溶于机油的分级1和分级2的产物较多，耐油性最差。从配方B和配方C的数据比较可知：由于配方B采用的填料为粉煤灰，配方C采用的是纳米级的填料蒙脱土，填料的不同是影响这两个配方剪切强度下降的主要因素。

3.3 氢氧化钠水溶液对环氧树脂涂层的腐蚀特性影响

三种配方的涂层在氢氧化钠溶液中浸泡后，测得的剪切强度与对照值均下降了，其中下降幅度最大是配方B，下降幅度最小是配方C。在碱性环境下，涂层中的酯基容易发生水解，从而使环氧胶粘涂层的剪切强度下降，同时氢氧化钠分子电离出的Na+与水结合后形成了水合Na+，降低了水分子的活度，阻碍了水分子向胶粘涂层的扩散[4]，另外根据水对三种不同胶粘涂层的腐蚀特性分析，可以看出氢氧化钠溶液对T-31固化产物的腐蚀程度较低，而对PA固化产物的腐蚀程度较重。微米级的填料粉煤灰耐氢氧化钠溶液的腐蚀效果不十分明显，而纳米级的填料由于层间无限溶涨的特性，提高了胶粘剂的抗腐蚀特性，因而配方C表现为耐氢氧化钠溶液腐蚀性最强。

3.4 10%盐酸水溶液、3%氯化钠水溶液对环氧树脂涂层的腐蚀特性研究

三种配方的涂层在盐酸溶液中浸泡后，测得的剪切强度与对照值相比均下降了，其中下降幅度最大是配方B，下降幅度最小是配方C。

三种配方的涂层在盐酸溶液中浸泡后，测得的剪切强度与对照值均下降了，其中下降幅度最大是配方B，下降幅度最小是配方C。

由于环氧树脂在生产过程中闭环反应不完全，残留一定量的可水解氯，氯的存在会影响胶粘涂层的性能，因此生产时应当降低环氧树脂中氯的含量。对于这两种介质的浸泡腐蚀，由于氯离子的浓度较高，导致胶粘涂层的强烈腐蚀，因此不论是以何种固化剂固化的环氧树脂涂层在这两种溶液中都腐蚀较重。但可以看出，纳米蒙脱土增强的环氧树脂胶粘涂层抗这两种介质的腐蚀性能要优于其它两种，主要因为聚合物基体中存在着分散的纳米粘土层，这些高度分散的粘土层不能透过水分子，使得溶质要通过围绕粘土层弯曲的路径才能通过薄膜，再加上环氧树脂自身耐介质性能良好，因此渗透与扩散阻力增加，则耐介质性能有明显提高。

4 结论

从三种配方在不同介质存在的条件下拉伸剪切强度的变化数据可知，除了涂层A的耐水性能最好外，涂层C在其它情况下的耐介质性能是最好的。即使在水介质中涂层C的拉伸剪切强度依然高于涂层A。显然涂层耐蚀性对在不同介质条件下发生的冲蚀磨损现象会有直接影响，提高涂层的耐蚀性也是提高抗冲蚀磨损能力的重要途径之一，由于以纳米蒙脱土为填料、203#PA为固化剂的配方C涂层的耐腐蚀性能最好，推荐用于耐腐蚀涂层的配方为E-44:E-51:203#PA:MMT=30:70:80:7（wt%），固化条件是室温预固化一天，高温固化温度为120℃，高温固化时间为3h，随后室温放置一天。

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