八氨基倍半硅氧烷改性聚酰胺酰亚胺基润滑涂层的性能研究

八氨基倍半硅氧烷改性聚酰胺酰亚胺基润滑涂层的性能研究俞传永;陈磊;李红轩;周惠娣;陈建敏

【摘要】为开发苛刻服役环境下高性能、长寿命的有机润滑涂层,以氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)为原料制备了八氨基倍半硅氧烷(NH2-POSS),并将其添加到聚酰胺酰亚胺基涂层(HM-1100A)中,研究了改性前后涂层的结构、力学性能和摩擦性能.结果表明:经NH2-POSS改性后的HM-1100A涂层相比原始涂层具有更高的硬度、内聚强度及较低的表面能,并且涂层的摩擦性能有显著提高.通过对比HM-1100A、KH550改性HM-1100A及NH2-POSS改性HM-1100A 3种涂层的热重、硬度、表面能和摩擦性能,研究了其作用机理,分析发现NH2-POSS独特的中空笼形结构和八官能团的引入有效提高了涂层的物理机械性能和摩擦性能.

【期刊名称】《涂料工业》

【年(卷),期】2019(049)005

【总页数】8页(P8-15)

【关键词】硅烷偶联剂;多面体低聚倍半硅氧烷;杂化改性;机械性能;摩擦性能

【作者】俞传永;陈磊;李红轩;周惠娣;陈建敏

【作者单位】中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州730000;中国科学院大学,北京100049;中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州730000;中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州730000;中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州730000;中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州730000

【正文语种】中文

【中图分类】TQ637.2

有机润滑涂层主要是利用有机树脂对基材表面优良的粘结能力把分散于树脂体系中的固体润滑剂及抗磨、防腐等功能填料粘结到摩擦部件的表面上，从而起到减摩抗磨、防腐等作用［1］。其中，树脂粘结剂是有机润滑涂层的基本组分之一，它是构成涂层的基础，其性能在很大程度上决定了涂层的附着力、强度、耐温性和固化特性等基本性能［2-3］。近年来，聚酰胺酰亚胺（PAI）因具有突出的热稳定性、机械性能、抗辐射性和耐磨损性能，使得其在摩擦学领域受到了广泛的关注［4-8］。目前已有大量关于PAI 基润滑涂层的研究与应用，如，通过PAI 树脂复合PTFE、二硫化钼或石墨［9-12］等固体润滑剂制备具有良好综合性能的润滑防护

涂层，并在航空、航天等高技术装备中取得了广泛的应用。但是随着现代科技的发展，发展中的高技术装备不仅服役环境越来越苛刻，同时为了满足长寿命、高可靠性的要求，对涂层的综合性能也提出了更高的要求。因此，赋予润滑涂层更佳的综合性能是急需解决的关键问题之一。

多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是近年来出现的一种新型的纳米结构有机/无机

杂化材料，由于其独特的纳米、有机/无机杂化以及中空笼型的结构特点，具有较

好的耐热性和阻燃性［13-16］。并且POSS 可以在分子水平上对聚合物进行改性，不仅使聚合物保留了高分子材料优良的加工性、韧性与低成本等特性，同时也赋予其无机材料突出的耐热、耐氧化性、防腐性及优异的力学性能［17-19］。与传统的物理共混改性的复合材料相比，它在结构上和性能上具有明显的优越性。目前已有大量关于POSS 改性聚合物的研究，但是研究方向主要集中在改善聚合物整体

材料的机械性能［20］、热稳定性［21］等，而针对功能涂层特别是润滑防护涂

层方面的研究相对较少。

基于此，本文制备了NH2-POSS 改性HM-1100A润滑涂层，研究了改性涂层的

机械性能和摩擦性能，并探讨了八氨基POSS在涂层中的作用机理。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚酰胺酰亚胺（PAI）：黄色黏稠液体，固含量（30±3）%，华通瑞驰材料科技有限公司；二硫化钼：粒径≤10 μm，纯度≥98%，本溪鑫利源金属有限公司；石墨：粒径≤10 μm，纯度≥95%，上海胶体化工厂（华谊集团化原化工）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮、盐酸：化学纯，东方仪器化学试剂有限公司；硅烷偶

联剂（KH-550）：分析纯，萨恩化学技术有限公司；八氨基 POSS 以 KH-550 为原料按照文献［22］合成，合成路线如图1所示。

图1 八氨基POSS的合成路线Fig.1 The synthesis route of NH2-POSS

1.2 样品制备

以KH550 为原料，采用溶胶凝胶法制备了NH2-POSS。称取适量的二硫化钼和

石墨，经球磨罐研磨48 h，加入到适量胶粘剂聚酰胺酰亚胺中，以DMF 为溶剂，经机械搅拌均匀得到HM-1100A 涂料；称取定量 HM-1100A 涂料（根据之前的工作［23］，NH2-POSS 的添加量为涂料中PAI 树脂质量的7%，并根据合成路线计算所需KH550 的质量），按比例称取原料，分别将称取好的NH2-POSS 和KH550 改性剂添加到称量好的HM-1100A 涂料中，并充分搅拌均匀，得到3 种

不同的HM-1100A 涂料。使用荷花牌喷枪将3 种涂料分别喷涂在经除油、喷砂、超声清洗等处理后的试样表面。喷涂好的试样在室温下放置表干，然后分别在

150 ℃和280 ℃下固化1 h。采用测厚仪测得涂层固化后的厚度为30～35 μm。1.3 结构表征

采用Nexus 870 红外光谱仪（美国Nicolet 公司）对改性前后的PAI 树脂的结构

进行红外分析；采用STA449F3 型同步热分析仪（德国NETZSCH 公司）对

KH550 和NH2-POSS 改性前后的PAI 树脂进行热重分析（TGA），检测条件：氮气保护，升温速率为10 ℃/min，温度范围25～800 ℃；采用 JSM-5600 LV 型扫描电子显微镜（SEM）（日本电子公司）观察涂层表面、截面以及磨痕表面形貌。

1.4 性能测试

采用MH-5-VM 型显微硬度计（北京沃威科技有限公司）测定涂层的显微硬度，载荷0.5 N，加载时间5 s，每个试样重复测定5 次取平均值。采用DSA型接触角测量仪（德国KRUSS 公司）测量改性前后涂层的水接触角，水滴为5 μL，每个试样重复测量5次取平均值，测试标准GB/T 30447—2013；采用英国易高ELCOMETER 公司F506～20D 型附着力测试仪测试涂层附着力，测试标准GB/T 5210—2006；采用MicroXAM-800 型三维表面轮廓仪（美国KLATencor 仪器制造公司）测量涂层表面的粗糙度、磨痕三维形貌和磨损率；采用MHK-500A 型环-块磨擦磨损试验机（济南试验机厂）对涂层的摩擦性能进行评价，摩擦副的接触形式为线接触，其中上试样为GCr15 钢环，下试样为喷有涂层的45 钢块，环-块摩擦试验机滑动速度为2.56 m/s，载荷为320 N；采用CSM 摩擦磨损试验机（球盘式摩擦试验机，美国安东帕股份有限公司）表征了3 种涂层的摩擦性能，实验条件：钢球 6 mm，振幅 2.5 cm，速率 10 cm/s，载荷5 N。

2 结果与讨论

2.1 NH2-POSS改性PAI树脂的结构表征

NH2-POSS 的红外光谱和29Si 核磁共振波谱如图2所示。

图2 八氨基POSS的红外光谱和29Si核磁共振波谱Fig.2 FT-IR and 29Si NMR spectra of NH2-POSS

由图2（a）可以看出，在1 109 cm-1处出现最强的吸收峰，是典型的Si—O—