一种兼具耐磨和自修复功能的聚脲复合涂层的制备方法与流程

1.本发明涉及一种聚脲复合涂层，具体是一种兼具耐磨和自修复功能的聚脲复合涂层的制备方法。


背景技术：

2.当前，世界上总能量的1/3～1/2以各种方式耗散于摩擦磨损，为修复以及更换由于摩擦损坏的零部件也造成了大量资源的浪费。近年来，摩擦磨损造成材料失效的问题日益加重，成为各国重视的经济问题。如何对金属进行有效保护是科研工作者不懈的追求，由于在金属表面涂覆耐磨涂层的制备工艺简单、成本低廉、不受地域条件限制，使其成为最简单、快捷、有效的抗冲蚀手段。然而在涂层服役过程中，往往会不可避免地受到各种外界条件侵害，从而产生破损、开裂。如果没有及时、有效的修复，这些缺陷会使涂层对基体的防护作用及涂层的附着力显著降低，从而影响器件的结构或功能，造成经济损失或人员伤害。目前，破损涂层主要通过人为修补或更换，工艺繁琐、造价昂贵。由此，现有开发了一种具有自行修复破损能力的涂层，有利于延长涂层使用寿命。但是上述涂层相比于传统的涂层体系，复合改性后的性能比较单一，往往只能提升某一方面的性能不能同时兼顾各方面性能，如自行修复破损能力的涂层其采用的是微胶囊进行修复，这种微胶囊自修复体系，不仅存在胶囊的分散问题，且微胶囊消耗完后，涂层将不再具有自修复性能。基于以上问题，如何能提供一种复合涂层，使其兼具耐磨和自修复功能，从而有效延长涂覆部件的使用寿命，是本行业的研究方向。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种兼具耐磨和自修复功能的聚脲复合涂层的制备方法，其制备的复合涂层不仅具有较高的力学强度和优异的耐磨性能，而且在涂层受损后，仅需加热就能对受损处完成自修复，从而有效延长涂覆部件的使用寿命。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种兼具耐磨和自修复功能的聚脲复合涂层的制备方法，具体步骤为：
5.步骤1：金属基材的预处理:采用1000～1200目砂纸将金属基材打磨至表面光洁，然后将打磨后的金属基板放入乙醇和丙酮混合溶液中，并使用超声清洗设备对金属基板在进行超声清洗1～2h，清洗结束放入70℃～80℃烘箱烘干1h备用；
6.步骤2：聚脲a组分的制备：将质量份数为30～50份的聚酯多元醇在100℃～120℃温度下脱水处理2～4h，然后加入质量份数为40～50份的二异氰酸酯，将混合物置于具有保护性气体的气氛炉中，以3℃～5℃的升温速率升到70℃～80℃，并在其中保温4～5h，随炉冷却后取出制得聚脲a组分；
7.步骤3：聚脲b组分的制备：将质量份数为20～60份的端氨基聚醚和质量份数为40～60份的胺类扩链剂加入到反应釜中，在50～100r/min的速率下搅拌10～30min使其混合均匀，然后把反应釜加热到100℃～120℃反应3h，待反应结束后冲入保护性气体并打开冷
却水降温至60℃～70℃，降温后取出制得聚脲b组分；
8.步骤4：聚脲复合涂层的制备：将质量份数为1～10份的氟聚合物混入到质量份数为30～40份的b组分中分散均匀制得混合体，然后将质量份数为55～65份的a组分与上述混合体加入连接好的喷涂设备中并加热温度至65～80℃进行喷涂；喷涂聚脲复合涂层时，a组分和混合体的压力表的表压均控制在1200～1500psi之间，且二者压力差控制在200psi以下分别喷涂至步骤1的金属基材表面，凝固后得到复合涂层。
9.进一步，所述步骤2中聚酯多元醇为ppg500、ppg1000、ppg2000、ppg3000、ppg4000、聚四氢呋喃二醇、四氢呋喃
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氧化丙烯共聚二醇中的一种或多种混合；二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、四甲基苯二甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种混合。
10.进一步，所述步骤3中端氨基聚醚为端氨基聚氧化丙烯醚、端氨基聚醚d
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230、端氨基聚醚d
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400、端氨基聚醚d
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2000和端氨基聚醚t
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5000中的一种或多种混合；胺类扩链剂为n,n
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二烷基甲基二胺、二乙酰间苯二胺、二乙基甲苯二胺、二乙酰乙二胺、二烷基甲苯二苯胺、异佛尔酮二胺中的一种或多种混合。
11.进一步，所述步骤4中氟聚合物为聚四氟乙烯改性聚乙烯蜡、聚四氟乙烯改性聚丙烯蜡、聚偏氟乙烯改性聚乙烯共聚物、聚偏氟乙烯改性聚丙烯共聚物、聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物中的一种或多种混合。
12.与现有技术相比，本发明采用在复合涂层制备过程中加入氟聚合物添加剂形成复合涂层，使其在聚脲体系中相互协同起到具有润滑作用且兼具愈合作用，最终形成兼具耐磨和自修复功能的聚脲复合涂层。当涂层受到摩擦磨损时，氟聚合物中的大分子链被迅速拉出结晶区，并向对偶面转移，以库仑力和范德华力在对摩面上形成一层转移膜，从而使摩擦过程由钢珠与涂层对磨转变为转移膜与涂层之间对磨，进而降低了复合涂层的摩擦系数和磨损率；提高复合涂层的耐磨性能。当金属基材表面的涂层受损后，仅需使受损涂层加热超过一定温度，涂层中的低熔点氟聚合物发生相变逐渐熔化并向磨痕处迁移，最终将磨痕填平，完成自修复过程。因此本发明制备的复合涂层不仅具有优异的综合力学性能、较高的强度、优异的耐磨性能、良好的自修复功能、固化速度快，施工效率高、对环境不敏感等优良特性，而且制备工艺简单，操作方便，易于实现工业化，具有很好的应用前景。
附图说明
13.图1是本发明制备的复合涂层喷涂在金属基材上的光学图像；
14.图2是本发明制备的复合涂层在载荷为5n，转速为300r/min条件下进行摩擦试验的摩擦系数曲线图；
15.图3是本发明制备的复合涂层进行划伤试验后的光学图像；
16.图4是图3中划伤后的复合涂层加热一定时间其自动修复后的光学图像。
具体实施方式
17.下面将对本发明作进一步说明。
18.实施例1：其制备的具体步骤为：
19.步骤1：金属基材的预处理:采用1000目砂纸将金属基材打磨至表面光洁，然后将
打磨后的金属基板放入乙醇和丙酮混合溶液中，并使用超声清洗设备对金属基板在进行超声清洗2h，清洗结束放入70℃烘箱烘干1h备用；
20.步骤2：聚脲a组分的制备：将质量份数为50份的ppg2000在120℃温度下脱水处理3h，然后加入质量份数为50份的异佛尔酮二异氰酸酯，将混合物置于具有氮气作为保护性气体的气氛炉中，以3℃的升温速率升到80℃，并在其中保温5h，随炉冷却后取出制得聚脲a组分；
21.步骤3：聚脲b组分的制备：将质量份数为20份的端氨基聚醚d
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2000和质量份数为40份的异佛尔酮二胺加入到反应釜中，在100r/min的速率下搅拌10min使其混合均匀，然后把反应釜加热到100℃反应3h，待反应结束后冲入保护性气体并打开冷却水降温至60℃，降温后取出制得聚脲b组分；
22.步骤4：聚脲复合涂层的制备：将质量份数为1份的聚四氟乙烯改性聚乙烯蜡混入到质量份数为30份的b组分中分散均匀制得混合体，然后将质量份数为65份的a组分与上述混合体加入连接好的喷涂设备中并加热温度至80℃进行喷涂；喷涂聚脲复合涂层时，a组分和混合体的压力表的表压均控制在1200～1500psi之间，且二者压力差控制在200psi以下分别喷涂至步骤1的金属基材表面，凝固后得到实施例1的复合涂层。
23.实施例2：其制备的具体步骤为：
24.步骤1：金属基材的预处理:采用1200目砂纸将金属基材打磨至表面光洁，然后将打磨后的金属基板放入乙醇和丙酮混合溶液中，并使用超声清洗设备对金属基板在进行超声清洗2h，清洗结束放入70℃烘箱烘干2h备用；
25.步骤2：聚脲a组分的制备：将质量份数为30份的ppg4000在120℃温度下脱水处理2h，然后加入质量份数为50份的四甲基苯二甲基二异氰酸酯，将混合物置于具有氮气作为保护性气体的气氛炉中，以3℃的升温速率升到70℃，并在其中保温5h，随炉冷却后取出制得聚脲a组分；
26.步骤3：聚脲b组分的制备：将质量份数为30份的端氨基聚氧化丙烯醚、10份的端氨基聚醚d
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400、30份的二烷基甲苯二苯胺和10份的二乙酰乙二胺加入到反应釜中，在80r/min的速率下搅拌30min使其混合均匀，然后把反应釜加热到120℃反应3h，待反应结束后冲入保护性气体并打开冷却水降温至60℃，降温后取出制得聚脲b组分；
27.步骤4：聚脲复合涂层的制备：将质量份数为5份聚四氟乙烯改性聚乙烯蜡混入到质量份数为35份的b组分中分散均匀制得混合体，然后将质量份数为60份的a组分与上述混合体加入连接好的喷涂设备中并加热温度至65℃进行喷涂；喷涂聚脲复合涂层时，a组分和混合体的压力表的表压均控制在1200～1500psi之间，且二者压力差控制在200psi以下分别喷涂至步骤1的金属基材表面，凝固后得到实施例2的复合涂层。
28.实施例3：其制备的具体步骤为：
29.步骤1：金属基材的预处理:采用1000目砂纸将金属基材打磨至表面光洁，然后将打磨后的金属基板放入乙醇和丙酮混合溶液中，并使用超声清洗设备在70w功率下对金属基板在进行超声清洗1h，清洗结束放入70℃烘箱烘干1h备用；
30.步骤2：聚脲a组分的制备：将质量份数为40份的ppg1000在100℃温度下脱水处理3h，然后加入质量份数为20份的六亚甲基二异氰酸酯和20份的异佛尔酮二异氰酸酯，将混合物置于具有氮气作为保护性气体的气氛炉中，以5℃的升温速率升到80℃，并在其中保温
4h，随炉冷却后取出制得聚脲a组分；
31.步骤3：聚脲b组分的制备：将质量份数为30份的端氨基聚醚d
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2000、30份的端氨基聚醚t
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5000、30份的二乙酰乙二胺和20份的异佛尔酮二胺加入到反应釜中，在50r/min的速率下搅拌30min使其混合均匀，然后把反应釜加热到120℃反应3h，待反应结束后冲入保护性气体并打开冷却水降温至70℃，降温后取出制得聚脲b组分；
32.步骤4：聚脲复合涂层的制备：将质量份数为5份聚四氟乙烯改性聚丙烯蜡和5份聚偏氟乙烯改性聚丙烯共聚物混入到质量份数为40份的b组分中分散均匀制得混合体，然后将质量份数为55份的a组分与上述混合体加入连接好的喷涂设备中并加热温度至70℃进行喷涂；喷涂聚脲复合涂层时，a组分和混合体的压力表的表压均控制在1200～1500psi之间，且二者压力差控制在200psi以下分别喷涂至步骤1的金属基材表面，凝固后得到实施例3的复合涂层。
33.性能验证：
34.从实施例1至3制备的复合涂层中任意选择一个，如图1所示，通过观察可知，该涂层表面平整光滑，没有出现气孔，针眼，突起等缺陷。
35.测试复合涂层的耐磨性能：对该复合涂层在载荷为5n，转速为300r/min条件下进行摩擦性能试验30min，如图2所示，由摩擦曲线可知，该涂层具有很好的耐磨性。涂层经历30min摩擦测试，摩擦系数依然平稳始终保持在0.1左右，说明氟聚合物在摩擦过程中起到了减磨耐磨的作用。
36.测试复合涂层的自修复性能：首次采用小刀在涂层表面等间距的划出几条平行的划痕，然后垂直于已有的划痕继续划出几条等间距的划痕如图3所示，接着将该复合涂层置于120℃的恒温台上，此时复合涂层进行自修复，经过1min后如图4所示，涂层表面划痕消失，涂层恢复光滑平整，由此说明本发明制备的涂层具有很好的自修复功能。
37.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。