基底溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂噴涂層耐磨性的影響

鄭曉華，王 濤，王遵圣，楊偉方，楊芳兒

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2. 浙江金洲管道工業(yè)有限公司，浙江 湖州313000)

隨著21世紀(jì)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，鋼管被更廣泛地應(yīng)用于水、石油和天然氣等流體輸送領(lǐng)域[1-3]，這對(duì)鋼管防腐、耐磨等涂覆工藝性能提出更高的要求。涂層覆蓋在鋼管表面，可延緩或阻止因水和氧接觸鋼管發(fā)生的化學(xué)腐蝕[4]，從而提高鋼管的使用壽命。鋼管涂層的涂覆工藝一般由表面處理、表面涂覆和成品檢驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)組成[5]，其中表面涂覆是決定鋼管防腐壽命和質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。環(huán)氧樹(shù)脂作為一種具有良好的耐腐蝕性能、優(yōu)異的機(jī)械性能和極佳附著力的熱固性樹(shù)脂，其在涂覆過(guò)程中無(wú)三廢污染，可以保護(hù)金屬材料在惡劣的環(huán)境中免受腐蝕，是金屬材料表面涂覆工藝中一種重要的涂料[6-8]。涂覆前先將鋼管加熱至一定溫度，接著將環(huán)氧樹(shù)脂粉末涂料噴涂到管壁上，環(huán)氧樹(shù)脂吸熱先膠化后固化在管壁表面形成環(huán)氧涂層[9]。

目前，涂覆鋼管生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用的基管材質(zhì)為Q235B，環(huán)氧樹(shù)脂涂層在增強(qiáng)鋼管防腐性能方面發(fā)揮了巨大的作用。然而，不同的鋼管加熱溫度將對(duì)鋼管涂層的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。眾所周知，當(dāng)涂層施加到金屬基材上并固化時(shí)，涂層會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力[10-13]。產(chǎn)生應(yīng)力的原因包括交聯(lián)或物理老化過(guò)程中樹(shù)脂的收縮、涂層與基材之間的差熱收縮，隨著物理老化、溫度變化、滲透劑(例如水)膨脹和化學(xué)降解，可能出現(xiàn)應(yīng)力變化、附著力降低、涂層開(kāi)裂等缺陷[14-15]。此外，大型涂覆鋼管的尺寸和重量都很大(直徑可達(dá)1 200 mm、長(zhǎng)度12 m)，涂覆鋼管在運(yùn)輸、施工過(guò)程中出現(xiàn)碰撞、擠壓、局部磨損以及接頭的夾緊等均可能引起涂層性能的顯著下降。因此，涂層的優(yōu)異耐蝕性與良好耐磨性的配合，對(duì)提高環(huán)氧樹(shù)脂涂層的工藝性能及使用壽命具有重要意義。筆者考察不同鋼板試片加熱溫度下環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐磨性能，以便為優(yōu)化涂層綜合性能和鋼管的涂敷工藝、制定野外施工技術(shù)規(guī)范等提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 涂層制備

采用Q235B鋼板(與涂覆鋼管的材質(zhì)相同)為基底噴涂環(huán)氧樹(shù)脂粉末制備涂層試件，實(shí)物如圖1所示，基底的規(guī)格為100 mm×100 mm×8 mm，數(shù)量為5 組。噴涂的原始粉末選用市售二酚基丙烷型環(huán)氧樹(shù)脂(簡(jiǎn)稱(chēng)雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合SY/T0315—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求，固化時(shí)間約為100 s，固化溫度為(230±10) ℃。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂涂覆后的鋼板表面Fig.1 Epoxy resin coated steel plate surface

在涂層制備過(guò)程中，鋼板的表面處理是影響涂層質(zhì)量的重要因素之一。本實(shí)驗(yàn)采用噴砂除銹，除去鋼板表面的鐵銹、氧化皮等，除銹質(zhì)量達(dá)到GB/T 8923.1—2011中規(guī)定的Sa 2.5級(jí)，錨紋深度達(dá)到50～90 μm，以提高涂層和鋼板之間的結(jié)合力。為了除銹過(guò)程中保持鋼板干燥，除銹前需要采用加熱爐將鋼板預(yù)熱至40～60 ℃，從而提高鋼管表面質(zhì)量和改善涂層性能，并在試片噴砂后馬上進(jìn)行預(yù)熱和涂覆。

涂層制備前，采用保護(hù)氣氛加熱爐將5 組鋼板分別加熱至180，190，200，210，220 ℃，隨爐升溫方式，升溫速率約為10 ℃/min，保溫10 min。隨后使用粉末噴槍對(duì)上述鋼板表面噴涂環(huán)氧樹(shù)脂粉末，厚度為500～600 μm，環(huán)氧樹(shù)脂粉末在噴涂溫度下發(fā)生膠化、固化反應(yīng)，固化時(shí)間為2 min。

1.2 涂層固化度、硬度和摩擦學(xué)性能測(cè)試

采用DSC200F3型差示掃描量熱儀檢測(cè)涂層的固化度。稱(chēng)取10 mg涂層樣品置于鋁坩堝中并放入爐體內(nèi)，向爐內(nèi)通入高純氮?dú)?流量為20 mL/min)，升溫速率為20 ℃/min，在298～523 K溫度范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行掃描，最后通過(guò)計(jì)算得到固化度。

采用HX-1000TM型顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的維氏硬度，載荷為25 g，載荷保持時(shí)間為15 s。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)試件選取5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，最后取各點(diǎn)的平均值作為涂層的硬度值。

環(huán)氧樹(shù)脂涂層在大氣環(huán)境(相對(duì)濕度≈45%)中的摩擦磨損性能測(cè)試在WTM-1E型球盤(pán)式微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)使用硬度為HRC 62、直徑為3 mm的GCr15鋼球[16]，法向載荷為1.96 N，電腦程序自動(dòng)記錄涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)。其中，涂層-鋼球的相對(duì)滑動(dòng)速度為0.105 m/s，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為20 min。涂層的磨損體積，采用Dektak3型臺(tái)階儀測(cè)量涂層表面磨痕的橫截面輪廓，并通過(guò)計(jì)算得出，最后計(jì)算出特定磨損率。

1.3 表面形貌觀察

采用日本Hitachi S-4700型掃描電子顯微鏡觀察涂層在磨損前后的表面形貌，采用的加速電壓為5 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層表面形貌

圖2為環(huán)氧樹(shù)脂涂層表面的SEM形貌。從圖2中可以看出：環(huán)氧樹(shù)脂涂層表面狀態(tài)較為相似，相對(duì)比較平整，結(jié)構(gòu)致密，存在團(tuán)聚構(gòu)成的微米級(jí)凸起和雜質(zhì)附著，未出現(xiàn)明顯的孔隙和裂紋等微觀缺陷?？梢?jiàn)，在180～220 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著試片溫度的升高，環(huán)氧涂層的表面狀態(tài)無(wú)明顯變化。

圖2 不同基底溫度環(huán)氧樹(shù)脂涂層的表面形貌SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM morphology images for epoxy coatings on different substrate temperatures

2.2 涂層的固化度和硬度

圖3，4分別為不同基底溫度下環(huán)氧涂層的固化度和維氏硬度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯和繉庸袒群途S氏硬度呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)，均隨著鋼板溫度的增加先升高后降低，并在200 ℃達(dá)到最大值，其值分別為98%和199 MPa。分析認(rèn)為是由于溫度過(guò)高，其固化反應(yīng)速率加快，膠化時(shí)間縮短，同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂在空氣中發(fā)生熱氧化分解，結(jié)構(gòu)中的高極性和活性的環(huán)氧基數(shù)量減少，不利于固化過(guò)程中涂層的流平，從而影響其外觀成形和物理性能，硬度也逐漸下降；溫度過(guò)低，環(huán)氧粉末不能完全固化，形成的涂層致密度降低，且固化時(shí)間增加，無(wú)法形成完整的高分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵，導(dǎo)致硬度值降低。

圖3 不同基底溫度環(huán)氧樹(shù)脂涂層的固化度Fig.3 Crosslinking degree of epoxy coatings on different substrate temperatures

圖4 不同基底溫度環(huán)氧樹(shù)脂涂層的硬度Fig.4 Hardness of epoxy coatings on different substrate temperatures

2.3 涂層的摩擦磨損性能

圖5所示為環(huán)氧涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化(測(cè)試過(guò)程的后10 min)。由曲線(xiàn)變化可以看出：5 個(gè)試樣的摩擦因數(shù)曲線(xiàn)大體上波動(dòng)較小且較為平穩(wěn)，摩擦后期均未出現(xiàn)摩擦因數(shù)的明顯突變，可以推測(cè)環(huán)氧涂層未被磨穿，這是由于涂層厚度較大，且較為耐磨。除此之外，200 ℃的試樣波動(dòng)幅度要大于另外4 個(gè)試樣。

圖5 環(huán)氧樹(shù)脂涂層的即時(shí)摩擦因數(shù)曲線(xiàn)Fig.5 Instantaneous friction coefficient of epoxy coating

圖6為環(huán)氧涂層的磨痕形貌SEM照片及其局部放大圖。從圖6中可以看出：環(huán)氧樹(shù)脂涂層的磨痕清晰，有少量磨屑，無(wú)明顯犁溝產(chǎn)生，疲勞磨損是其主要的失效方式。此外，從方框處的局部放大圖可以看出：試樣磨痕表面均比較平整，180 ℃試樣和220 ℃試樣出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)裂紋，210 ℃試樣出現(xiàn)少量短裂紋。這是由于環(huán)氧涂層的固化度不足，硬度不高，在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生熱量，在較大的載荷(或應(yīng)力)作用下，鋼球與涂層之間相互擠壓，較多的環(huán)氧樹(shù)脂被擠壓到軌道兩側(cè)，發(fā)生塑性變形。此外，磨痕寬度隨著鋼板加熱溫度的升高，先減小后增大，鋼管加熱溫度為200 ℃的試樣，磨痕寬度最小，這與圖3，4中200 ℃的試樣固化度和硬度達(dá)到最大值相吻合。

圖6 環(huán)氧樹(shù)脂涂層摩擦測(cè)試后的磨痕形貌Fig.6 Surface morphologies of epoxy coatings after wear test

圖7為環(huán)氧涂層的平均摩擦因數(shù)和磨損率。由圖7(a)可知：除200 ℃試樣外，其余4 個(gè)試樣的平均摩擦因數(shù)差異不大，其值約為0.62；200 ℃試樣的平均摩擦因數(shù)要低于其余試樣，其值約為0.49，可能原因是該試樣的固化度高，硬度較高，200 ℃試樣與鋼球的真實(shí)接觸面積比其他試樣要小，從而降低滑行阻力。由圖7(b)可知：隨著鋼板加熱溫度的增加，試樣磨損率先減小后增大，這是由于環(huán)氧涂層的承載能力受硬度的影響，先增加后減少；其中，200 ℃的磨損率最低，其值為6 100 μm3/(N·m)。低摩擦因數(shù)意味著涂層受到的剪切應(yīng)力較小，而高硬度能給涂層提供較高的剪切強(qiáng)度，從而涂層表現(xiàn)出低磨損率。

圖7 環(huán)氧涂層的平均摩擦因數(shù)和磨損率Fig.7 Average friction coefficient and wear rate of epoxy coating

3 結(jié) 論

在180～220 ℃工藝溫度范圍內(nèi)，環(huán)氧樹(shù)脂涂層表面平整、結(jié)構(gòu)致密。隨著工藝溫度的增加，涂層的固化度、硬度和耐磨性均先升高后降低。200 ℃時(shí)涂層的綜合質(zhì)量最佳，具有最高的固化度(98%)，最高的硬度(199 MPa)，最低的摩擦因數(shù)(0.53)和磨損率(6 100 μm3/(N·m))。