湿热老化对尼龙减摩涂料性能影响的研究*

孙东洲，吕 虎，于国良，李 岳，孔宪志

（黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

引 言

减摩涂料是一类应用于金属表面形成涂层的高分子材料[1～3]，起到减小摩擦、降低磨损和防止腐蚀的作用。很多有机和无机材料都具有减摩抗磨性能，其中应用较多的是高分子聚合物材料。高分子材料制成的粉末涂料，可用于制备在干摩擦或边界摩擦条件下工作的摩擦副表面涂层。摩擦副的摩擦与磨损，是影响机器设备的工作效率和使用寿命的主要因素[4～7]。

高分子粉末涂料分为热固性粉末涂料和热塑性粉末涂料两大类。热固性粉末涂料主要有环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂等几大类，主要起绝缘、防腐和装饰作用，摩擦系数高、耐磨性差，无法作为减摩材料使用。用作减摩材料的高分子粉末涂料主要为热塑性材料[8～11]，即各类工程塑料，主要有聚酰胺树脂（尼龙）、氯化聚醚树脂、聚四氟乙烯树脂（PTFE）等几类，其中聚四氟乙烯，化学稳定性、热稳定性和电性能优良，摩擦系数低。其缺点是与金属粘接附着力差、耐磨性差、机械强度低、易变形、线膨胀系数大，作为减摩材料，通常以填料形式加入其它塑料中，无法单独作为减摩涂料使用。氯化聚醚作为主体树脂的减摩涂层出现受压开裂的情况。综合考虑，聚酰胺树脂作为涂层受压时减摩涂层的主体树脂为较佳的选择。

本研究考察了经过湿热条件老化后，尼龙粉末涂料塑化后的硬度、塑化后的吸水率、塑化后涂层的干摩擦系数及粘接试片的拉伸剪切强度等性能变化，明确了尼龙减摩涂料涂覆零件的环境适应能力，扩展了尼龙减摩涂料涂覆零件的应用范围。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

尼龙减摩涂料，市售、自制；γ- 氨丙基三乙氧基硅烷（工业品），南京曙光硅烷化工有限公司；无水乙醇（化学纯），国药集团化学试剂有限公司。

电热鼓风干燥箱，型号DHG-9055A，上海一恒科学仪器有限公司；万能拉力机，（型号INSTRON-5969），美国Instron 公司；滑动摩擦磨损试验机，（型号SS-3070HMC），台湾松恕检测仪器有限公司。

1.2 试片制备粘接塑化

1.2.1 粘接用试片表面制备

试片材质：0Cr15Ni5Cu2Ti 沉淀硬化型马氏体不锈钢，规格尺寸为60mm×20mm×3.0mm。试片待粘接表面使用36#白刚玉进行喷砂处理。喷砂后使用乙酸乙酯擦拭金属试片待粘接表面清除油脂及灰尘。

1.2.2 试片粘接塑化

试片粘接塑化按下列步骤进行：

a）将两片表面制备好的试片放入235℃鼓风干燥箱中，保温5min。

b）迅速取出试片，蘸取粉末涂料，轻轻敲击试片非粘接表面振掉多余粉末涂料，放入235℃鼓风干燥箱中，保温5min。

c）重复b）操作一次后，迅速取出两片试片，趁热搭接贴合，施加0.03MPa 压力，放入235℃鼓风干燥箱中，保温15min 后关闭鼓风干燥箱电源。试片在鼓风干燥箱内冷却至室温。

1.3 分析测试

硬度测试：粉末涂料塑化后，样块的硬度测定按“GB/T 2411-2008 塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）”的规定执行，采用D 型硬度计检测。

吸水率测试：粉末涂料塑化后，样块的吸水率测定按“GB/T 1034-2008 塑料吸水性的测定”的方法2 规定执行。

干摩擦系数测试：粉末涂料塑化后，样块的干摩擦系数测定按“GB/T 3960-2016 塑料滑动摩擦磨损试验方法”的规定执行。

剪切强度测试：依照“GB/T7124-2008 胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）”规定的测试方法进行测试，测试速率为5mm/s。

1.4 湿热老化试验

按照“GB/T1740-2007 漆膜耐湿热测定法”规定的条件，塑化后的试样及粘接后的试片在47℃、R.H.95%的试验箱内，进行湿热老化试验。连续试验500h后，在（23±2）℃放置48h 后进行测试。

2 结果与讨论

2.1 湿热老化对涂层硬度的影响

粉末涂料塑化后形成减摩涂层，涂层的起始压痕硬度是涂层滑动摩擦时工作状态的保证。涂层需要保持合适的硬度，满足工件的运动性能要求。涂层硬度湿热老化前后的数据见表1。

表1 尼龙减摩涂料的涂层硬度Table 1 The coating hardness of nylon antifriction coatings

尼龙减摩涂料的主体材料为尼龙树脂，塑化后的样块在潮湿条件下能保持良好的尺寸稳定性，高温高湿环境对尼龙树脂的化学结构无明显影响。因此，经过湿热老化后，市售及自制涂料的涂层硬度均无明显变化。

2.2 湿热老化对涂层吸水率的影响

涂层吸水率是表征一定湿度条件下涂料塑化后的吸水量，是涂层是否憎水的标志。涂层吸水率湿热老化前后的数据见表2。

表2 尼龙减摩涂料的涂层吸水率Table 2 The water absorption of nylon antifriction coating

尼龙树脂吸水率低，涂层经过湿热老化试验后，憎水性能无明显变化。通过考察涂层硬度和吸水率两项性能发现，高温高湿环境对涂层本体的性能影响甚微。

2.3 湿热老化对涂层干摩擦系数的影响

涂层干摩擦系数表征了涂层的滑动摩擦磨损性能，是涂层减摩耐磨能力的具体体现。干摩擦系数湿热老化前后的数据见表3。

表3 尼龙减摩涂料的涂层干摩擦系数Table 3 The dry friction coefficient of nylon antifriction coating

湿热老化500h 后，涂层干摩擦系数稍有增加，推测温度升高时水蒸气使涂层表面的粗糙程度增加，表现为涂层干摩擦系数略有增大。这一现象不影响涂层的工作状态，涂层干摩擦系数增大后仍满足技术指标要求。

2.4 湿热老化对涂料粘接试片拉伸剪切强度的影响

涂料粘接试片的拉伸剪切强度是塑化后涂料对基体附着能力的表征，其数值大小关系到涂覆后工件的运动工作状态。强度低于设计值时，涂层容易出现开裂、脱落，导致设备无法正常运行。拉伸剪切强度湿热老化前后的数据见表4。

表4 尼龙减摩涂料的拉伸剪切强度Table 4 The tensile shear strength of nylon antifriction coatings

两种涂料、四种粘接状态粘接的试片，经过500h湿热老化后拉伸剪切强度均满足技术指标要求。市售涂料不使用底涂进行粘接时，强度保持率最高；自制涂料使用底涂进行粘接时，拉伸剪切强度最大。此现象说明以尼龙树脂作为涂料的主体材料，涂料涂覆后，涂层与基材间的界面能够耐受高温水蒸气的侵蚀。涂层很好地起到了保护基材的作用。

3 结 论

塑化后的尼龙减摩涂料经过湿热老化500h后，涂层的邵氏D 硬度为78、吸水率为0.1176%、干摩擦系数为0.047、粘接试片的拉伸剪切强度为33.67MPa、强度保持率为81.31%。经上述研究，说明涂料涂覆后，涂层与基材间的界面强度能够耐受高温水蒸气的侵蚀。涂层很好地起到保护基材的作用。扩展了尼龙减摩涂料的应用环境范围。