本节重点介绍以环氧树脂或环氧改性树脂为主基料的润滑耐磨涂料及以环氧半酯为主基料的耐磨涂料。
一、润滑耐磨涂料
1.润滑耐磨涂料概述
（1）摩擦与磨损
①摩擦与磨损的产生 物体作相对运动时，两物体接触的表面产生作用力和反作用力。通常把反作用力称为界面阻力或摩擦力；由摩擦造成的材料损耗称磨损，摩擦和磨损是同时发生的两种物理现象。世界上由于磨损造成的经济损失是触目惊心的，如美国机械工业部门一年由磨损产生的损失达46.8万美元。随着近代技术工程的发展，润滑耐磨技术已日益为人们所关注。润滑耐磨涂料是润滑耐磨技术领域涉及的一种特殊材料，它是多种学科相互交叉、相互渗透的专用涂料。
②摩擦定律由阿芒汤摩擦定律推导得到如下公式：
 式中 μ———摩擦系数；
S———剪切强度；
Pm———压缩流动压力。
欲降低材料的摩擦系数μ值，必须降低材料的剪切强度S或增加其压缩流动压力Pm，也可使S和Pm相配合变化。值得注意的是，同一种材料同时获得低的剪切强度和高的流动压力是不可能的。因为多数材料若剪切强度低，其流动压力也低。
（2）润滑耐磨涂料的功能 在硬底材上涂覆一层剪切强度较低的润滑耐磨涂料，就可得到低剪切强度和高流动压力的固体表面。如果在两个硬的金属底材表面间涂覆润滑耐磨涂料，控制涂膜厚度较薄或接近金属底材表面的粗糙度时，则此时流动压力Pm接近金属底材值，而剪切强度S也接近涂膜的低剪切值。所以涂有润滑耐磨涂膜的金属底材表面处于低的S值和高的Pm值状态，即得到低值的摩擦系数μ。
（3）润滑耐磨涂料的发展 润滑耐磨涂料的开发研究已有40多年的历史。最早研制的润滑耐磨涂料是采用磷酸盐、淀粉、酚醛树脂作基料，以二硫化钼或石墨为润滑剂组成的。随着现代工业的迅速发展，对润滑耐磨技术提出了更高更新的要求，如润滑耐磨涂膜应具有耐高低温性、耐辐射性、耐腐蚀性，并适合在高真空和特种介质中应用。美国开发了一种新的合成树脂，其磨损寿命同轴承一样长；美国Quad Group公司的赖格特，在1977年开发了一种低摩擦系数的新型润滑耐磨涂料，其涂膜在1.6×105r/min速度下可以长期使用；中国开发出的润滑耐磨涂料，也在交通等部门应用。目前已有多种不同用途的润滑耐磨涂料问世，并成功地应用于航空航天飞行器、原子能设备、仪器仪表、车辆和船舶等各个领域。
2.环氧润滑耐磨涂料的组成
（1）基料及固化剂 基料是润滑耐磨涂料的主要成分，可分为有机聚合物、无机化合物和金属类。有机聚合物中又分为热固性和热塑性两种。几种合成树脂作基料时，形成涂膜的磨损寿命和摩擦系数见表7-118。
 ①在磨损试验中所加的最大PV值系指试验条件为最大正压力和最高线速度值。
从表7-118知，环氧.酚醛树脂体系和环氧-聚酰胺体系有较高的PV值和较低的摩擦系数。由此可知上述体系可作为润滑耐磨涂料的成膜组分。
几种合成树脂的耐磨性如图7-7所示。
 聚四氟乙烯结构单元为
 ，其相对分子质量高达14万～15万、碳一氟键能约为442.68J/mol、键距为1.36×10-10m、电负性最强、氟原子密集地包围着碳-碳主链，形成螺旋型结构，因而保护了主链不被热冲击、化学介质破坏。由于氟原子遮蔽了碳链间的正电效应，使它具有较小的内聚能和低的表面张力，这种结构具有良好的耐化学药品性、耐热性和很低的摩擦系数。另外，聚四氟乙烯有层状结构的结晶层，结晶层之间距离为2.0×10-8m，非结晶区域很容易变形和被拉开，在摩擦过程中很快转移到摩擦表面，降低了摩擦系数、提高了耐磨性，所以聚四氟乙烯的摩擦系数最小（小于0.2）、耐磨性最好（磨损失量小于0.025mg）。但聚四氟乙烯的加工性及施工性差、固化成膜温度高达400℃，限制了它的使用。 聚氨基甲酸酯、酚醛树脂和环氧树脂的耐磨性较好（磨损失量为0.03～0.035mg），因此环氧.聚氨酯体系和环氧.酚醛体系是较多选用的润滑耐磨涂料的成膜组分。
综上所述，润滑耐磨涂料的基料可选择环氧树脂，其固化剂可选用脂肪胺、聚酰胺、酚醛树脂和异氰酸酯化合物等。
（2）固体润滑剂 固体润滑剂也是润滑耐磨涂料的主要成分，它不仅赋予涂膜低的摩擦系数和较长的磨损寿命，还能改善涂膜的物理机械性能。
①固体润滑剂的种类 固体润滑剂的种类很多，最常用的可分为三类。一是无机化合物，如二硫化钼、石墨、PbO、NaxMoO4、LaF3和CeF3等；二是有机化合物，如聚四氟乙烯（也能作基料）、酞菁化合物和尼龙等；三是金属粉及其氧化物，如银、金、铝、铟、钡及其氧
化物等。
二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等是较常用的固体润滑剂；改性的二硫化钼（如MoMoS2复合型润滑剂）、氟化石墨、二硫化钨等润滑剂有待推广应用。
②固体润滑剂的作用
a.固体润滑剂的性能 采用环氧树脂作基料，酚醛树脂为固化剂、二硫化钼（MoS2）和石墨为固体润滑剂组成润滑耐磨涂料，形成涂膜的磨损寿命较长，适用于大部分金属底材表面，但会加速底材腐蚀；将上述组成中的石墨用三氧化二锑（Sb203）替换后，形成的涂膜不仅磨损寿命较长，而且提高了抗腐蚀性。
常用的固体润滑剂的使用温度、平均摩擦系数及特点见表7-119。
 b.固体润滑剂对基料摩擦系数的影响 在合成树脂中加入固体润滑剂后能降低合成树脂的摩擦系数，但不同合成树脂的摩擦系数降低值不同。如环氧树脂和酚醛树脂的摩擦系数分别为0.6和0.7；加入20%的固体润滑剂后，环氧树脂涂膜的摩擦系数降至0.5左右，而酚醛树脂涂膜的摩擦系数降至0.4左右。
c.固体润滑剂及颜填料对涂膜性能的影响采用含羟基的环氧酯作基料、异氰酸酯加成物作固化剂，加入几种固体润滑剂及颜填料组成涂料，形成涂膜的摩擦磨损性列于表7-120。试验结果表明，无机及有机润滑剂主要赋予涂膜较低的摩擦系数和一定的耐磨性；颜填料的涂膜摩擦系数较高，但同时赋予涂膜良好的耐磨性；金属粉润滑剂可以改善并提高涂膜的耐磨性、导热性及机械强度。
 随着二硫化钼用量的提升，涂膜的摩擦系数减小，其磨损寿命增加。但二硫化钼：基料=4：1（质量）时，涂膜的摩擦系数不再降低，磨损寿命开始下降。
（3）活性稀释性在制造无溶剂型环氧润滑耐磨涂料时，应选用活性稀释剂。可供选择的活性稀释有660、690、630和X-52等。
（4）添加剂 润滑耐磨涂料中的添加剂主要是增进润滑效果、耐磨性、承载能力、防锈性及耐辐射性等。用量占涂料总固体含量的5%～20%。常用的添加剂有铅、锡、氧化铅、三氧化二锑、三氧化二铋、碘化镉、碘化银等。有时在涂料中加入气相SiO2等防沉剂，加入邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二辛酯等增韧树脂。
（5）溶剂 润滑耐磨涂料有溶剂型或无（少）溶剂型品种。制备以环氧树脂为主基料的溶剂型或少溶剂型环氧润滑耐磨涂料时，若采用酚醛树脂或胺类固化剂，可选用芳烃、醇类、酯类和溶纤剂等混合物作溶剂；若采用异氰酸酯化合物固化剂，应选择芳烃、酯类和酮类混合物作溶剂。选择溶剂时应充分考虑其对基料和固化剂的溶解性和溶剂的挥发性。溶剂挥发太快，会造成涂料流平性差、起橘皮、针孔等弊病；溶剂挥发太慢，会影响涂膜干性及使用性。所以应适当调整溶剂挥发速度。
总之，依据实际应用技术要求，科学合理地选择基料、固体润滑剂、添加剂、固化剂、填充料和溶剂等组分，才会设计出性能优良的润滑耐磨涂料品种。
3.环氧润滑耐磨涂料的制备
（1）环氧润滑耐磨涂料配方（见表7-121）。
 （2）生产工艺 以配方1为示例介绍环氧润滑涂料生产工艺。
①将E-44环氧树脂、660活性稀释剂和邻苯二甲酸二丁酯依次加入调漆罐内，搅拌溶解；
②在搅拌下加入气相SiO2、钛白粉、石墨、二硫化钼和铁粉，充分混合均匀，在室温下放置24h；
③在三辊研磨机上研磨分散，细度达到≤35μm后，包装，标明环氧润滑耐磨涂料主剂。
（其他配方采用与配方1相同的生产工艺）。
④配制涂料：采用三乙烯四胺（TETA）作固化剂，取环氧当量：活泼氢当量=1：1。
4.环氧润滑耐磨涂料涂装
（1）被涂底材表面处理
①脱脂除油 可采用有机溶剂法和化学清洗法进行脱脂除油。选用汽油、煤油、酒精、芳烃和卤代烃等有机溶剂为清洗剂，其中以三氯乙烯热蒸气冷凝淋浴法的清洗效率高、不污染环境、溶剂可回收。选用由NaOH、Na2CO3、Na2SO4和Na2SiO3组成的碱清洗水溶液，在80～90℃清洗10～20min可得到好的脱脂除油效果。
②除锈采用硫酸、盐酸及其混合酸水溶剂处理表面锈层后，再用碱液中和、水洗处理。
③喷砂处理喷砂处理（机械处理）取决于载流体品种、颗粒度、喷射压力、距离、角度和喷嘴的直径大小等因素。载流体品种和颗粒大小对润滑耐磨涂膜磨损寿命的影响见表7-122。
 ④化学处理对金属表面的化学处理包括磷化处理和阳极化处理。详见第五章溶剂型环氧涂料第三节溶剂型环氧涂料涂装。
（2）涂装工艺
①涂装方法环氧润滑耐磨涂料可采用刷涂、浸涂和喷涂等涂装方法。
②涂料配制双组分环氧润滑耐磨涂料在涂装前应检查主剂和固化剂质量；将主剂充分搅拌均匀后，按主剂与固化剂的给定配比称量、混合；调整涂料的施工黏度，必要时应将涂料熟化30min后再涂装。
③涂料固化 涂料施工后要经过由湿膜转变成干膜的表干、实干和彻底固化过程。室温固化达到彻底固化的时间需7d；烘烤固化达到彻底固化的时间为1～6h。
④质量检测涂装过程中应严格控制涂装程序和施工规范；涂膜固化后应进行全面质量检测，如涂膜是否有针孔、气泡和其他弊病，测定涂膜厚度及相关技术性能等。参见前面有关章节涂装质量内容。
二、耐磨涂料
1.磨损与耐磨涂料
（1）磨损环境人造卫星、宇宙飞船、高速列车、汽轮机和发动机的叶轮、舰船的螺旋桨、水轮发电机的叶片、船舶的甲板、建筑物的地板等，受到高速气流和水流的冲刷，会产生冲蚀磨损。尤其是飞机、航天器、高速运输机械等，在行驶中受到夹杂砂石、风雨的冲刷，水轮机的叶片受到夹杂泥砂的冲蚀，材料的磨损是相当严重的，必须采取防护措施。实践表明，耐磨涂料是防止磨损行之有效的防护材料。
（2）耐磨涂料的作用 专门用于保护材料不被磨损的涂料称为耐磨涂料。耐磨涂料与润滑耐磨涂料的差别在于：前者的作用主要是涂膜应具有好的耐磨性，涂料组成中所用的颜填料以高硬度的磨料（如刚玉、金刚砂、碳化硼、三氧化二铬等）为主，不一定要求涂膜有较低的摩擦系数；而后者的作用主要是涂膜既具有较低的摩擦系数又具有较好的耐磨性，涂料组成中所用的颜填料以固体润滑剂为主。两者相同之处是可以采用相同的基料和溶剂等。
2.影响耐磨涂料性能的因素
（1）基料品种对性能的影响采用相同的磨料和不同的基料组成耐磨涂料形成涂膜后，比较不同基料对耐磨性和附着力的影响，试验结果见表7-123。
 由表7-123结果得知，弹性聚氨酯的耐磨性最好（磨损失量最小），但涂膜对金属底材附着力较差。环氧树脂-聚酰胺、环氧树脂，酚醛树脂和环氧半酯一异氰酸酯加成物的附着力较好，尤其是后者的耐磨性较好（磨损失量为0.0098g），主要原因是由环氧半酯.异氰酸酯加成物体系形成的涂膜既呈现环氧树脂的优良附着性，又呈现聚氨酯的优良耐磨性。环氧半酯的合成反应及涂膜结构特点如下。
采用碳18～22的单元脂肪酸与环氧树脂进行酯化反应：
 上式得到的环氧半酯与多异氰酸酯进行加成固化反应，得到具有聚氨酯结构和环氧树脂结构的涂膜。该涂膜有一定的弹性。所以，环氧半酯可作为耐磨涂料的基料。
（2）环氧半酯的羟基值对涂膜性能的影响 环氧半酯的羟基值对涂膜耐磨性及附着力的影响，试验结果见表7-124。
 （3）NCO/OH比值对涂膜耐磨性的影响 异氰酸酯加成物的NCO与环氧半酯的OH比值对涂膜耐磨性的影响见表7-125。
 当NCO:OH=1:1时，涂膜的有效交联密度相当于理论值，其耐磨性较好。
（4）颜填料对涂膜耐磨性的影响
①颜填料品种对涂膜耐磨性的影响 采用环氧半酯作基料、TDI-TMP加成物作固化剂，用不同颜填料制成的涂料所形成涂膜的耐磨性具有明显差别。含刚玉、三氧化二铬和碳化硅的涂膜耐磨性最好（磨损失量很小）。其结果见表7-126。
 ②磨料用量对涂膜耐磨性的影响 在100份纯环氧半酯中加入不同量的三氧化二铬，形成涂膜后测定耐磨性，其结果列于表7-127。涂膜的耐磨性随三氧化二铬的用量增加而提高。但用量达到150份时，其耐磨性下降。
 3.耐磨涂料的制备
（1）耐磨涂料配方 根据耐磨涂料组成中的基料、颜填料、NCO/OH及颜基比等对涂膜性能的影响，合理地设计耐磨涂料的配方（见表7-128）。
 （2）生产工艺将配方中的物料依次加入调漆罐内，充分混合后在室温贮存18h；在三辊机上研磨分散，细度达到≤35μm时，停止研磨、包装、得到耐磨涂料主剂；配漆时按OH：NCO=1：1（eq）称量耐磨涂料主剂与异氰酸酯加成物用量，采用给定的溶剂调整施工黏度。
（3）性能指标耐磨涂料性能指标见表7-129。
 |