有机硅改性聚酯树脂耐磨涂料的研制
张全伟，张剑飞，李斌，王进忠，马艳青（中昊北方涂料工业研究设计院有限公司，兰州730020）
0 引言
随着科技的进步，各种机械设施及其零部件的工作环境变得日益严酷，而且人造卫星、高速列车、宇宙飞船、发动机和汽轮机的叶轮、舰船的螺旋桨、船舶的甲板以及水轮发电机的叶片、路标漆、建筑物的地板等，经常受到气流、砂石和水流的冲蚀、撞击、摩擦等的作用，一段时间后，基材表面会出现一定程度的破坏或磨损，从而影响设备的使用安全和使用寿命。在机械设备表面涂装耐磨涂料，是一种具有应用前景和发展前途的表面强化技术。材料表面在经过耐磨涂料涂装后，不仅可以防止零部件等的磨损、延长设备的使用寿命，还可以对基体材料起到防腐蚀保护作用。由于该技术具有简单、快速、费用低、适合现场作业等特点，从而成为了提高机械设备耐磨性能的主要手段之一。
根据市场需求，我们设计并研发了新一代耐磨涂料，其具有优异的耐磨性能和良好的防腐蚀性能。工业设备经过该涂料涂装后，可以在很大程度上提高金属接触面的耐磨性能，在对机械设备的关键部位进行保护的同时，还提高了设备的防腐蚀性能，延长了机械设备的实际使用寿命。
1 试验部分
1.1 主要原材料
1，6-己二醇、三羟乙基异氰脲酸酯、环己烷二甲酸酐、三羟甲基丙烷、1，4-环己烷二甲醇、有机硅树脂、N-3390、SiC、石墨、二硫化钼、助剂、催化剂、紫外线吸收剂、溶剂，以上均为工业原材料。
1.2 耐磨树脂的研制
首先用自主合成的高羟值聚酯树脂作为主体树脂，它与异氰酸酯树脂反应生成聚氨酯，副产物较少，因此体积收缩率小，固化后产生的内应力也较小，并且在涂膜中提供耐磨以及韧性的作用。为了使涂膜具有更好的硬度和耐磨性，选用高交联的有机硅树脂来共聚改性聚酯树脂。由于聚酯树脂耐热温度是155 ℃，而有机硅树脂耐热温度为300 ℃，有机硅树脂共聚改性聚酯树脂的耐热温度为200 ~ 250 ℃，因此加入有机硅树脂，可以提高涂膜的耐热性能，同时还可以提高涂膜的耐水性能、耐候性能以及与基材的附着力。该树脂体系在耐磨涂料中提供了极好的耐磨性能以及其他综合性能。
聚酯树脂分子式如图1 所示，其中：R1、R2、R3 为烷基取代基， 为图2 示意的结构。
如图1 ~ 2 所示，合成聚酯树脂时采用了脂肪族和环酯族酸和醇，可以使涂膜获得较好的耐候性。树脂中引入了三羟乙基异氰脲酸酯，提高了涂膜的耐磨性和硬度。采用这些耐水解稳定性良好的单体制备的聚酯树脂固体树脂羟值为（250±10）mgKOH/g，该树脂与HDI 三聚体固化后能够获得耐水性良好的涂膜，为使这种高交联密度的涂膜具有很好的耐冲击性和柔韧性，在合成树脂时采用了线型结构的1，6-己二醇，并且通过分步合成工艺，使每个聚酯树脂分子中都含有1，6-己二醇结构单元，涂料固化后保证了涂膜的柔韧性。图3 为有机硅树脂改性聚酯树脂的结构示意。
高羟值聚酯树脂与HDI 三聚体的固化反应为R1—OH+OCN—R2→R1—O—OCHN—R2。
1.3 耐磨填料及润滑填料的选择
耐磨填料提供硬度和耐热性的作用，耐磨涂层与设备表面接触产生相对运动时因摩擦而使接触点处温度升高。高温会影响分子间的范德华力，导致分子间内聚能下降，表面材料抗剪切强度下降，加剧涂层的磨损，因此选用高硬度、高强度、耐热性好的填料SiC 和氧化铝作为耐磨填料。润滑填料主要选择二硫化钼和石墨。二硫化钼分子是六角形层状结构，其分子排列是中间为钼原子，外层为硫原子，微观上，由于S 原子在分子层之间的结合能力较弱，从而形成了分子层间极易移动的润滑条件，这使得二硫化钼在涂膜中起到优良的润滑作用，从而使2 个接触面满足良好的润滑要求，达到减小磨损与摩擦的效果。
1.4 耐磨涂料的制备
本文选用有机硅改性高羟值聚酯树脂和反应速度较快的异氰酸树脂HDI 三聚体N-3390 作为该涂料的成膜树脂，该成膜树脂硬度与柔韧性兼具，在耐磨涂料中起着关键性作用。选择SiC 等作为耐磨填料，具有抗磨损的作用；选用二硫化钼和石墨作为润滑填料，达到减小摩擦的效果；选择适合的助剂使得涂层表面光滑平整，颜色均一，耐磨性能更加突显；选择合适的溶剂能够使树脂、填料以及助剂极好地溶解和润湿。
2 结果与讨论
2.1 有机硅改性聚酯树脂的研究
用有机硅改性聚酯树脂，不仅可以提高涂膜的硬度，还可以改善涂膜在基材上的附着力，同时也提高了涂膜的耐热性能以及耐介质性能。聚酯树脂用有机硅树脂改性后还提高了耐水性，因为改性后的聚酯树脂表面自由能随着有机硅含量的增加而减小，使用少量有机硅就能很大程度上减小聚酯树脂的表面自由能，而降低表面自由能有利用于涂膜耐水性能的改善。表1 为在聚酯多元醇中有机硅树脂的不同加量对耐磨性能及其他性能的影响。
通过上述试验数据可以看出：当聚酯多元醇与有机硅树脂按照2 ∶ 1 共聚时，涂膜的耐磨性能优异，机械性能良好。
2.2 填料的加量及复配对耐磨性能的影响
由于传统耐磨涂料没有考虑到耐磨过程会产生热，本文通过添加耐磨耐热填料SiC，既可以提高涂膜的耐热性能，又对耐磨性能有很大的改善。表2 为耐磨和润滑填料加量对耐磨性能的影响，表3 为耐磨和润滑填料复配对耐磨性能的影响。
通过上述试验数据可以看出：当SiC 颜基比为0.5 ∶1.0、二硫化钼颜基比为0.4 ∶ 1.0 时，涂膜的耐磨性能优异，表干速度和机械性能良好。
通过上述关于耐磨与润滑填料的复配试验，终确定m（SiC）∶ m（二硫化钼）为5 ∶ 2，且颜基比为0.7 ∶1.0 时，涂膜的耐磨、表干和机械性能综合优。
2.3 耐磨涂料的防腐蚀性能
耐磨涂料具有优良的耐湿热、耐盐雾和耐老化性能。涂有耐磨涂料的样板在湿热箱中放置30 d 涂膜表面不起泡，在中性盐雾箱中放置7 d 涂膜表面不起泡，涂层无变化，样板耐紫外老化30 d 涂膜无粉化、保光率≥90%、ΔE≤3。说明该涂层不仅具有优异的耐磨性能，同时具有良好的防腐蚀性能，可以延长基材以及机械设备的使用寿命。
2.4 涂料助剂的选择以及对涂层质量的影响
涂料的树脂、溶剂、颜填料体系确定后，为提高涂层的性能，在涂料中选用了适宜的分散剂用于颜料的分散，并且可以降低涂料的黏度；选择BYK-066N、BYK-054 作为消泡剂，可以在涂料喷涂施工时快速脱泡和破泡；BYK-410 作为防沉剂和防流挂助剂，这种改性脲类型的助剂使涂料施工时可以厚涂，并且不影响涂膜的光泽；加入适当的二月桂酸二丁基锡使涂料达到所需的干性和适用期；BYK-378 作为流平剂，可明显增进涂膜的表面滑爽性，提高涂层的耐沾污性和耐磨性；为保证面漆具有更好的耐候性，制漆时还加入了紫外线吸收剂。
3 结语
1）通过采用1，6-己二醇、三羟乙基异氰脲酸酯、环己烷二甲酸酐、1，4-环己烷二甲醇合成高羟值韧性聚酯树脂，然后对聚酯树脂用有机硅树脂进行改性。该成膜树脂柔韧性与硬度兼具，具有极好的耐磨性能，在耐磨涂料中起到关键性作用。
2）选择适合的耐磨填料及润滑填料，其中耐磨填料选用SiC 可以提高涂膜的抗磨损性，选用二硫化钼、石墨等润滑填料起到减少摩擦的作用。当m（SiC）∶m（二硫化钼）为5 ∶ 2，且颜基比为0.7 ∶ 1.0 时，涂膜的耐磨、表干和机械性能优。
3）本文研制的耐磨涂料既有优异的耐磨性能，又有良好的防腐蚀性能和机械性能，因此涂装该涂料可以提高机械设备的安全可靠性，延长设备的实际使用寿命。
