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本文研究了Si/C/N、SiC纳米粉体在水介质中的分散行为。在取得最佳分散效果的基础上,将Si/C/N、SiC纳米粉体与单组分Z306型弹性聚氨酯涂层进行了复合,制备出了抗冲刷耐磨纳米复合涂层,并对涂层的制备工艺及性能进行了系统的研究。
长期暴露于空气中的Si/C/N、SiC纳米粉体难以在水中进行分散。为改善其分散性,本论文通过添加氨基甲酸乙酯(质量百分数2.5%)和阴离子型聚电解质分散剂73/A(体积百分比0.1%)的方法改善了其润湿性和分散性,讨论了机械搅拌速度、机械搅拌时间、分散剂种类以及pH值变化对Si/C/N、SiC纳米粉体分散效果的影响。
本论文采用激光粒度仪、TEM(透射电子显微镜)分析和沉降实验对Si/C/N、SiC纳米粉体的分散性和稳定性进行了表征。结果表明:
(1)当搅拌速度为22000r/min、搅拌时间为20min时,添加氨基甲酸乙酯(质量百分比2.5%)和73/A分散剂(体积百分比0.1%),并调节pH值至弱碱性范围(pH.7.5~8.5),就可以改善Si/C/N纳米粉体在水溶剂中的分散性和稳定性。制备的Si/C/N纳米粉体分散悬浮液(体积百分比16%)的平均粒度可达25.5nm左右,接近粉体的本征尺寸(25nm),稳定时间达33天;
(2)当搅拌速度为22000r/min、搅拌时间为20min时,添加73/A分散剂(体积百分比0.1%),并调节pH值至9.5~10.5范围,SiC纳米粉体在水溶剂中的分散性和稳定性得到明显改善,在水溶剂中纳米SiC(体积百分比6%)悬浮液的平均粒度可达到24.6nm,接近粉体的本征尺寸(20nm),稳定时间超过一个月。
在获得Si/C/N、SiC纳米粉体良好分散的基础上,本论文分怖制备了Si/C/N和SiC抗冲刷耐磨纳米复合涂层,讨论了添加不同填料对涂层性能的影响。并通过划痕法、冷弯试验和冲刷试验对涂层的性能进行了表征。得到的主要结论如下:
(1)加入体积百分比8%Si/C/N纳米粉体时,涂层性能最佳,增强体含量过高反而会使涂层的成膜性、抗冲刷性以及附着力降低。其原因是当增强体加入量超过其临界值时,粒子间过于接近,涂层受冲击时易产生微裂纹,在较大的塑性变形条件下,裂纹扩展导致开裂,从而使抗冲刷性能下降;
(2)微米粉体作为增强体加入到弹性聚氨酯涂层中时,涂层的各种力学性能均有不同程度的下降,有的甚至无法成膜,这是因为微米粉体分布不均,造成涂层宏观上的不连续性,且微米粉体颗粒较大,易因重力作用而沉积在涂层的底部,而底部微米粉体的富集会降低涂层的附着力。其冲刷寿命仅为原涂层的1/3;
(3)涂层冷弯实验合格,表明涂层韧性好、拉伸强度高,完全适用于较大变形条件的工作环境;
(4)涂层横截面高倍金相显微分析表明,该涂层厚度范围为20μm~80μm;
(5)当在单组分Z306型弹性聚氨酯涂层中添加固含量约为体积百分比8%的Si/C/N纳米粉体时,涂层的抗冲刷寿命提高了15倍,同时涂层的附着力、韧性并没有降低。