提高环氧耐磨涂层材料抗冲蚀磨损性能的方法_佟凤宇.pdf

第 52 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.52 No.3Mar.2023化工技术与开发Technology&Development of Chemical Industry提高环氧耐磨涂层材料抗冲蚀磨损性能的方法佟凤宇，贾金锋，曹法凯，隗小山（湖南石油化工职业技术学院，湖南 岳阳 414000）摘要：环氧耐磨涂层材料广泛应用于渣浆泵、固-液颗粒浆料输送管道等冲蚀磨损工况下的设备修复与预防护中。为了提高材料的抗冲蚀磨损性能，延长使用寿命，根据材料磨损失效的机理分析，本文系统总结了近年来针对环氧耐磨涂层材料的改性方法，包括增韧改性法、短纤维改性法与填料改性法等。以上改性方法均提高了材料的力学性能，降低了冲蚀介质对材料表面的切削作用，提高了材料的抗冲蚀磨损性能。关键词：环氧耐磨涂层材料；冲蚀磨损；增韧改性法；短纤维改性法；填料改性法中图分类号：TQ 637.2 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2023)03-0034-04基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（21C1268）；湖南石油化工职业技术学院科研项目（SHKX20220812）作者简介：佟凤宇（1987-），男，硕士，主要研究方向为功能涂料通信联系人：贾金锋（1988-），男，硕士，讲师，主要从事应用化工/石油化工专业教学及科研工作收稿日期：2022-09-14耐磨涂层材料常用于固-液颗粒浆料冲蚀磨损工况下的设备修复和预防护，可有效延长设备及备件的使用寿命，节约维护成本，缩短停产检修时间，因此广泛用于采矿、选矿、油田、冶金、水泥生产、发电厂等设备及管道的耐磨预涂覆和修复，如水泵、渣浆泵、风机、水轮机、净化管道、物料输料管道等1-2。行业内常用的耐磨涂层材料，通常由环氧树脂、氧化铝陶瓷微球、碳化硅等耐磨颗粒复配而成。环氧耐磨涂层材料为 AB 双组分产品，使用时按比例将 AB 组分混合均匀后，用刮刀将其涂抹在抛磨处理过的表面上，1224h 常温固化后，涂覆了耐磨材料的设备即可投入正常运行，非常适合于易磨损设备的预防护和现场的修复维修3-4。环氧耐磨涂层材料是一类既环保节能又有经济潜力的抗冲蚀磨损复合材料，历经多年的迭代发展，该材料已逐渐被工业、矿业、电业等企业接受。但目前现有产品的整体抗冲蚀磨损性能仍不尽理想，有很大的提升空间。材料的抗冲蚀磨损性能不足，主要表现为材料固化后因脆性大而易产生裂纹，抗冲击性能较差，耐磨填料与树脂的界面相容性差而易脱落等，这对环氧耐磨涂层材料更为广泛的推广应用提出了挑战5-6。为了提高环氧耐磨涂层材料的抗冲蚀磨损性能，本文从材料抗冲蚀磨损的失效机理分析和材料抗冲蚀磨损性能的改善方法两方面展开论述。1耐磨涂层材料磨损失效机理的分析对耐磨涂层材料失效机理进行分析，有利于用户依据磨损失效过程，采取针对性的抗磨损解决方案。耐磨材料的应用工况，为携带小颗粒的液体-固体粒子混合浆料介质。快速流动的浆料介质会对耐磨材料表面造成持续的冲刷，既存在机械冲击，又存在化学腐蚀，此外还有摩擦热量造成的热冲击。影响冲蚀磨损程度的还有很多的变量因素，比如介质温度、酸碱度、冲击角度、磨损时间、介质中固体粒子的种类及粒度等。因此，材料的冲蚀磨损失效机理异常复杂7。多年来，国内外学者针对冲蚀磨损原理展开了广泛的研究，主要分为塑性冲蚀机理和脆性冲蚀机理两大理论。根据以上理论，耐磨涂层材料的失效机理及模型可描述为 3 个阶段8-10：潜伏阶段。介质中的固体颗粒会对耐磨涂层材料表面进行持续的冲击，由于颗粒的刚性大，一部分颗粒会切削材料的表层，另一部分颗粒由于冲蚀角度较大，会陷入材料中。这些颗粒与材料中的填料协同抵御介质的冲击，因此这一阶段表现为耐磨涂层材料的整35第 3 期 体重量有轻微增加。平稳阶段。由于介质中颗粒的切削作用，材料表面的粗糙度逐渐增大，切削作用导致的材料的失重量更大，此时陷入材料中的固体颗粒与切削作用的失重量基本相等。磨损阶段。这是冲蚀磨损工况下耐磨涂层材料发生磨损失效的主要阶段。由于介质中固体颗粒对材料表面的切削作用，材料中的硬质填料会逐渐凸出，粘结面积逐渐减少，硬质填料与树脂基体界面的结合力变得薄弱，当切削作用发展到一定程度，硬质填料与基体间的结合力不足以抵抗介质冲击时，硬质填料就会脱落。因此，提高硬质填料与基体树脂间的界面结合力，可以延长硬质填料脱落的时间，进而提高材料整体的抗冲蚀磨损性能。另外，由于环氧树脂基材的韧性较差，当介质中的固体颗粒陷入耐磨涂层材料表面后，会在其周围形成微小裂纹，持续的介质冲击使得陷入的颗粒与树脂间发生持续的相对震动，使得裂纹扩大，导致材料内部的结合强度急剧下降，材料发生小面积的整体脱落。因此，提高耐磨涂层材料整体的韧性和抗冲击性能，可以有效减少微小裂纹的产生，降低因微小裂纹扩大而导致材料小面积整体脱落的风险，对提高材料的抗冲蚀磨损性能具有重要价值。耐磨涂层材料磨损失效机理，将失效的主要原因归纳为两类：1）树脂基体的韧性和整体材料的力学强度不足；2）耐磨填料在整体材料中的填充比例不合适，存在过大面积裸露的树脂基体，填料颗粒与树脂基体间的界面结合力不足。2提高抗冲蚀磨损性能的方法为了提高环氧耐磨涂层材料的抗冲蚀磨损性能，延长材料的使用寿命，近年来，科研人员针对材料的失效机理，开展了大量的研究工作。本文对环氧耐磨涂层材料的改性方法进行了系统总结，主要有增韧改性法、短纤维改性法、填料改性法等。2.1增韧改性法在尽可能保持环氧树脂其他优异性能的同时，对其进行增韧改性，以改善其脆性缺陷，是一个持续了多年的研究课题。在抗冲蚀磨损涂层材料领域，增韧改性主要是通过弹性体或柔性分子链段来改性，比如聚氨酯增韧改性、液体丁腈橡胶增韧改性、其他商品化的高分子增韧剂改性等。邢志国等人11在常规的 E44/E51 环氧树脂中加入含异氰酸酯基团的聚氨酯增韧剂，以改善环氧树脂/SiC 颗粒耐磨涂层的耐冲蚀性能。增韧剂加入量为 15%时，材料的粘接强度最高，抗弯强度也较好。从增韧剂添加量-冲蚀磨损率的测试数据可以发现，冲蚀角分别为 30和 90时，随着增韧剂的含量增加，冲蚀磨损率均为先减小后增加，5%35%为最优添加量，冲蚀磨损率均低于白口铸铁。添加量为 5%30%时，材料适合于小角度的冲蚀工况；添加量为 30%35%时，材料适合于大角度的冲蚀工况。丁军12用甲苯二异氰酸酯 TDI 与端羟基液体丁腈橡胶进行反应，得到含异氰酸酯基的液体丁腈橡胶增韧剂。用改性后的液体丁腈橡胶对环氧树脂E51 进行增韧改性，以四乙烯五胺和聚酰胺 651 为固化剂，碳化硅、氧化铝陶瓷微珠及二硫化钼等为耐磨填料，使用高速环块摩擦磨损试验机进行实验，采用扫描电镜观察材料磨损后的形貌。当陶瓷微珠/碳化硅混合填料的质量为树脂基体材料的 150%时，耐磨材料的磨损量最少，耐磨性能最好。易红玲等人13发明了一种液体橡胶插层改性蒙脱土纳米复合增韧剂。将该增韧剂加入环氧树脂中，添加比例为 3%30%，在 5070条件下混合均匀，即得到改性环氧树脂。增韧改性后的环氧树脂，用低分子聚酰胺、酚醛胺、咪唑类，酸酐类固化剂中的 1 种或 2 种进行固化，固化后的复合材料其耐磨损性提高了 30%以上。环氧耐磨涂层材料基体树脂的韧性改善后，降低了磨损阶段基体微小裂缝的产生，并能有效防止因微小裂缝扩大导致的材料的小面积整体脱落，提高了耐磨材料的抗冲蚀磨损性能。2.2短纤维改性法通过添加短纤维来提高环氧树脂的模量和强度，是一类较常用的方法。在改善环氧耐磨涂层材料的抗冲蚀磨损性能的研究中，主要采用短玻纤、碳纤维、植物纤维、矿物纤维等进行改性。为了提高短纤维与树脂基体的界面结合力，可采用偶联剂等表面改性剂，对纤维进行表面处理。董梦瑶等人14制备了一种碳纳米纤维/玻纤改性的环氧耐磨复合材料。碳纳米纤维选用气相生长的管状高石墨化碳纳米纤维，添加量分别为玻纤质量的 1%和 3%。研究中测试了材料的机械强度和固体粒子的冲蚀磨损率，结果表明，与改性前佟凤宇等：提高环氧耐磨涂层材料抗冲蚀磨损性能的方法36化工技术与开发 第 52 卷 相比，碳纳米纤维的添加量分别为 1%和 3%时，改性材料的抗冲蚀磨损率分别降低了 75%和 86.7%。在对材料的拉伸强度和弯曲强度等力学性能的影响较小的前提下，改性可较大幅度地提高材料的抗冲蚀磨损性能。于湘等人15制备了一种玄武岩纤维增强环氧树脂复合涂层。将预处理后的玄武岩纤维加入环氧树脂中，添加量分别为 0%、5%、10%、15%、20%，固化剂选用低分子量的聚酰胺固化剂。采用摩擦磨损试验机对材料的抗磨损性能进行表征，结果表明，添加量为 15%的玄武岩纤维改性涂层材料，其抗磨损性能最优。Gupta 等人16制备了一种竹纤维增强环氧树脂复合材料，研究了在不同的冲蚀条件（磨粒粒径、冲蚀速率、冲蚀角度）下，该材料的抗冲蚀磨损性能。实验结果表明，竹纤维的加入显著改善了材料的抗冲蚀磨损性能，并提高了材料的硬度、拉伸强度、弯曲强度等力学性能。Vivek 等人17制备了一种短黄麻纤维改性的环氧树脂复合涂层材料。抗冲蚀磨损性能测试数据表明，短黄麻纤维的加入有效提高了涂层的抗磨损性，随着添加量的增加，材料的硬度、拉伸强度、弯曲强度等力学性能随之提高。添加量为 20%时，材料的弯曲强度最大，添加量为 40%时，材料的拉伸强度最大。短纤维的加入有助于提高环氧耐磨涂层材料的抗冲蚀磨损性能，原因是纤维的加入提高了材料的力学性能，降低了因微小裂纹而导致的材料脆性断裂失效的可能。从相关研究可以发现，将纤维均匀分散于基体树脂中，以及提高纤维与树脂界面的结合强度，是提高短纤维改性效果的关键因素。2.3填料改性法填料是环氧耐磨涂层材料中的关键组分。大粒径的刚性填料如碳化硅、氧化铝陶瓷微珠、钛酸锆陶瓷微珠、玻璃微珠等，可以有效抵御冲蚀介质中固体颗粒对材料的切削作用。相关的研究与实践结果表明，对不同粒径的刚性填料进行合理级配，可以提高环氧耐磨涂层材料中刚性颗粒的堆积密度，进而提高材料整体的耐磨性。一些小尺寸的无机填料如纳米二氧化硅、纳米氧化铝、石墨等，可以提高耐磨涂层材料的韧性、拉伸强度、弯曲强度等力学性能，起到阻止微裂纹扩展、吸收冲击能量的作用，从而在冲蚀磨损工况下，降低切削作用对耐磨涂层材料的磨损，同时避免脆性断裂失效的发生。刘洋等人18对不同粒度的碳化硅进行级配，并用硅烷偶联剂对其进行表面处理后，与环氧树脂混合，制备了耐磨涂层材料。为了获得更大的堆积密度，研究者借鉴了设计骨架密实混凝土的粗集料孔隙填充法，并通过正交实验，对不同比例的配方进行了冲蚀磨损测试。结果表明，将 0.5mm 与 0.1mm 的碳化硅按 73 进行级配，填充量为 80%时，环氧耐磨涂层材料的抗冲蚀磨损性能最佳。陈平等人19选用高铝粉煤灰中提取的空心微珠作为耐磨填料，用于改性环氧耐磨材料。粉煤灰中所含的空心微珠是一种类球形中空无机固体微粒，具有密度轻、耐磨性强、防腐、耐温等特点。研究者用硅烷偶联剂 KH550 对空心微珠进行表面改性处理后，将其填充到环氧树脂-聚酰胺体系中，制得了耐磨涂层材料。用冲蚀磨损试验机对材料的体积磨损量进行测试，并对空心微珠添加量不同的材料的冲蚀磨损测试数据进行比较。空心微珠添加量为 3%4%时，材料具有更低的体积磨损量，耐冲蚀磨损性能更优。张瑞珠等人20在环氧树脂中加入纳米氧化铝，制备了防腐耐磨涂料。研究者选用粒径 3050nm的纳米氧化铝，用硅烷偶联剂对其进行表面处理。实验中，对不同添加量的耐磨涂料的硬度和耐磨性能进行了测试。添加量为 5%时，涂层的硬度最大，涂层的磨损质量损失率最小。纳米氧化铝粒子的加入提高了材料的内聚力，在磨损过程中阻碍了微小裂纹的延展扩大，从而提高了材料的耐磨损性能。焦晓岚等人21制备了一种改性石墨填充环氧复合材料。研究者用甲苯二异氰酸酯和硅烷偶联剂KH550 对石墨进行复合改性，用端羧基液体丙烯腈橡胶对环氧树脂进行增韧改性，再将改性后的石墨与环氧树脂共混，用 2-乙基-4-甲基咪唑作为固化剂。石墨添加量为 6%的改性复合材料，其耐冲击强度得到显著提高，抗磨损性能最优。填料的加入可以有效提高复合材料的力学性能和抗冲蚀磨损性能，原因主要有以下几点：填料的硬度大于树脂基体，通过不同粒径的合理级配，可显著降低冲蚀介质对材料的切削作用；填料粒子作为连接质点，阻止了微小裂缝的扩大，间接提高了材料的韧性，避免了脆性断裂失效的发生；填料的加入提高了材料的拉伸强度、弯曲强度等力学性能，降37第 3 期 （下转第91页）佟凤宇等：提高环氧耐磨涂层材料抗冲蚀磨损性能的方法低了因流动介质冲蚀而导致材料小面积整体脱落的可能。填料颗粒分散的均匀性，以及其与基体树脂的界面结合力，是改性方法得以实现的关键因素，因此，对填料进行表面改性，是必要的工艺环节。3结语更优异的抗冲蚀磨损性能是环氧耐磨涂层材料发展的必然趋势，为此研究人员做了大量的工作。近年来，环氧耐磨涂层材料的改性方法主要有增韧改性法、短纤维改性法与填料改性法。这 3 类改性方法均能较好地提高材料的抗冲蚀磨损性能，原因在于这些改性方法提高了材料的力学性能，降低了冲蚀介质对材料表面的切削作用。对环氧耐磨涂层材料的改性方法与机理进行总结分析，有助于提高材料的抗冲蚀磨损等综合性能。后续的研究工作可以从以下方面展开：通过界面改性技术，实现高硬度耐磨填料的更高填充量与保持材料整体力学性能的平衡，以使冲蚀介质对材料表面的切削作用进一步降低；对材料抗冲蚀磨损性能的评价方法尚无行业内的统一标准，因此，各研究中的不同材料的性能很难做出横向比较，极大限制了材料改性的研发速度；环氧树脂、纤维及填料的种类还需进一步丰富，比如最新的研究已采用多官能度的环氧树脂、特种胺固化剂、立方氮化硼、石墨烯、六方碳化硼、晶须等对材料进行改性研究。参考文献：1 河北清华发展研究院.一种具有耐磨的环氧树脂涂层及其制备方法：CN，201710838828.8P.2018-07-20.2 三联泵业股份有限公司.一种修复渣浆泵过流部件的耐磨涂层材料：CN，202010896684.3P.2020-12-29.3 新疆赛克隆耐磨科技有限公司.一种有机高分子与 碳 化 硅 复 合 的 耐 磨 材 料 及 其 制 备 方 法：CN，201110378595.0P.2012-06-20.4 北京天山新材料技术有限公司.耐高温耐磨环氧胶粘涂层及制备方法：CN，201410667378.7P.2015-02-04.5 于晶晶，赵文杰，王德亮，等.液-固两相流环境中环氧树脂抗冲蚀磨损研究进展 J.中国材料进展，2019，38(6)：594-601.6 王莉容，陈小明，吴燕明，等.WC 陶瓷/环氧树脂复合涂层的抗泥沙冲蚀磨损性能 J.电镀与涂饰，2017，36(14)：741-744.7 李力，魏天酬，刘明维，等.冲蚀磨损机理及抗冲蚀涂层研究进展 J.重庆交通大学学报(自然科学版)，2019，38(8)：70-74.8 张昆，李美求，魏轲，等.抗冲蚀磨损涂层制备技术及机理的研究进展 J.焊接，2022(4)：9-16.9 刘娟，许洪元，罗先武，等.固液冲蚀材料表面冲击波纹的形成机理 J.清华大学学报(自然科学版)，2006，46(8)：1426-1429.10 于晶晶，吴杨敏，赵文杰，等.纤维增强环氧树脂复合材料抗固体颗粒流冲蚀磨损研究进展 J.表面技术，2017，46(11)：29-36.11 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种是成品弯头焊接，焊接的工作量较小。焊接完成后使用盲盖进行封堵，以后需要使用此处小接管排凝时，可拆卸盲盖后作为排凝管使用。采用哪种焊接方案，需要根据现场小接管的腐蚀部位、小接管直管段的长度、现场焊接位置等多方面因素，进行综合考虑。4油品管线小接管的日常管理1）安装前，必须对小接管的所有弯头、直管段、阀门等进行喷砂除锈，再按照防腐工艺的要求进行防腐。2）对每条压力管道的小接管建立台帐，包括小接管的位置、介质、管径、腐蚀状态、检查日期、检查人、确认人等。选取一定比例的小接管，定期、定点进行壁厚测量并存档，实行动态控制管理。3）在日常巡检过程中，要重点、严格检查每条小接管的在用状态，并如实记录在案，发现问题要及时汇报。4）对小接管的根部和焊缝部位用金属修补剂进行二次保护，从而有效保护小接管，预防腐蚀。在小接管投用前先进行金属修补剂补强，再进行防腐处理，做到预先性保护，从而更好地确保小接管的使用安全。5）在建的压力管道在安装小接管时，根部要采用标准的支管台焊接件进行焊接，以期对小接管的根部起到较好的保护作用。5结论油品压力管道的小接管是油品码头安全生产中的一项重点检查内容，小接管发生泄漏而导致油品流入大海，将会造成重大的安全环保事故。在进行日常巡检和专项检查时，要对压力管道的小接管部位进行重点检查。同时要建立完整的巡检制度，严抓施工和防腐质量，以消除小接管的安全隐患，保证码头船舶装卸生产的“安、稳、长、满、优”。参考文献：1 刘民.石化装置压力容器、压力管道小接管隐患及管理J.石油化工设备，2012，41(3)：94-96.2 陶建山.石化装置压力容器、压力管道小接管隐患及管理 J.山东工业技术，2014(6)：65.3 王剑波，陈振友，窦志宽.成品油管内腐蚀的危害分析及对策 J.石油规划设计，2008(2)：39-41.4 江旭，柳伟，路民旭.钢铁海洋大气腐蚀试验方法的研究进展 J.腐蚀科学与防护技术，2007(4)：282-286.5 胡永.压力管道小接管隐患分析及管理对策 J.广东化工，2016，43(3)：105.Leakage Risk Analysis and Countermeasures of Small Pipeline in Oil TerminalGE Pin(Guangxi Petrochemical Company,CNPC,Qinzhou 535008,China)（上接第37页）Methods to Improve Erosion Resistance of Epoxy Wear-resistant Coating MaterialsTONG Fengyu,JIA Jinfeng,CAO Fakai,KUI Xiaoshan(Hunan Petrochemical Vocational Technology College,Yueyang 414000,China)Abatract:Epoxy wear-resistant coating materials were widely used in equipment repair and prevention protection under erosion wear conditions such as slurry pump and solid-liquid particle slurry conveying pipeline.In order to improve the erosion resistance and prolong the service life of the material,based on the analysis of the wear failure mechanism of the material,the modification methods of epoxy wear-resistant coating materials in recent years,included toughening modification,short fiber modification and filler modification were systematically summarized.The above modification methods could improve the mechanical properties of the epoxy wear-resistant coating material and reduce the cutting effect of the erosion medium on the surface,so as to improve the erosion resistance of the material.Key words:epoxy wear-resistant coating materials;erosion wear;toughening modification method;short fiber modification method;filler modification method