本節(jié)重點介紹以環(huán)氧樹脂或環(huán)氧改性樹脂為主基料的潤滑耐磨涂料及以環(huán)氧半酯為主基料的耐磨涂料。
一、潤滑耐磨涂料
1.潤滑耐磨涂料概述
（1）摩擦與磨損
①摩擦與磨損的產(chǎn)生 物體作相對運動時，兩物體接觸的表面產(chǎn)生作用力和反作用力。通常把反作用力稱為界面阻力或摩擦力；由摩擦造成的材料損耗稱磨損，摩擦和磨損是同時發(fā)生的兩種物理現(xiàn)象。世界上由于磨損造成的經(jīng)濟損失是觸目驚心的，如美國機械工業(yè)部門一年由磨損產(chǎn)生的損失達46.8萬美元。隨著近代技術(shù)工程的發(fā)展，潤滑耐磨技術(shù)已日益為人們所關(guān)注。潤滑耐磨涂料是潤滑耐磨技術(shù)領(lǐng)域涉及的一種特殊材料，它是多種學科相互交叉、相互滲透的專用涂料。
②摩擦定律由阿芒湯摩擦定律推導得到如下公式：
 式中 μ———摩擦系數(shù)；
S———剪切強度；
Pm———壓縮流動壓力。
欲降低材料的摩擦系數(shù)μ值，必須降低材料的剪切強度S或增加其壓縮流動壓力Pm，也可使S和Pm相配合變化。值得注意的是，同一種材料同時獲得低的剪切強度和高的流動壓力是不可能的。因為多數(shù)材料若剪切強度低，其流動壓力也低。
（2）潤滑耐磨涂料的功能 在硬底材上涂覆一層剪切強度較低的潤滑耐磨涂料，就可得到低剪切強度和高流動壓力的固體表面。如果在兩個硬的金屬底材表面間涂覆潤滑耐磨涂料，控制涂膜厚度較薄或接近金屬底材表面的粗糙度時，則此時流動壓力Pm接近金屬底材值，而剪切強度S也接近涂膜的低剪切值。所以涂有潤滑耐磨涂膜的金屬底材表面處于低的S值和高的Pm值狀態(tài)，即得到低值的摩擦系數(shù)μ。
（3）潤滑耐磨涂料的發(fā)展 潤滑耐磨涂料的開發(fā)研究已有40多年的歷史。最早研制的潤滑耐磨涂料是采用磷酸鹽、淀粉、酚醛樹脂作基料，以二硫化鉬或石墨為潤滑劑組成的。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對潤滑耐磨技術(shù)提出了更高更新的要求，如潤滑耐磨涂膜應(yīng)具有耐高低溫性、耐輻射性、耐腐蝕性，并適合在高真空和特種介質(zhì)中應(yīng)用。美國開發(fā)了一種新的合成樹脂，其磨損壽命同軸承一樣長；美國Quad Group公司的賴格特，在1977年開發(fā)了一種低摩擦系數(shù)的新型潤滑耐磨涂料，其涂膜在1.6×105r/min速度下可以長期使用；中國開發(fā)出的潤滑耐磨涂料，也在交通等部門應(yīng)用。目前已有多種不同用途的潤滑耐磨涂料問世，并成功地應(yīng)用于航空航天飛行器、原子能設(shè)備、儀器儀表、車輛和船舶等各個領(lǐng)域。
2.環(huán)氧潤滑耐磨涂料的組成
（1）基料及固化劑 基料是潤滑耐磨涂料的主要成分，可分為有機聚合物、無機化合物和金屬類。有機聚合物中又分為熱固性和熱塑性兩種。幾種合成樹脂作基料時，形成涂膜的磨損壽命和摩擦系數(shù)見表7-118。
 ①在磨損試驗中所加的最大PV值系指試驗條件為最大正壓力和最高線速度值。
從表7-118知，環(huán)氧.酚醛樹脂體系和環(huán)氧-聚酰胺體系有較高的PV值和較低的摩擦系數(shù)。由此可知上述體系可作為潤滑耐磨涂料的成膜組分。
幾種合成樹脂的耐磨性如圖7-7所示。
 聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)單元為
 ，其相對分子質(zhì)量高達14萬～15萬、碳一氟鍵能約為442.68J/mol、鍵距為1.36×10-10m、電負性最強、氟原子密集地包圍著碳-碳主鏈，形成螺旋型結(jié)構(gòu)，因而保護了主鏈不被熱沖擊、化學介質(zhì)破壞。由于氟原子遮蔽了碳鏈間的正電效應(yīng)，使它具有較小的內(nèi)聚能和低的表面張力，這種結(jié)構(gòu)具有良好的耐化學藥品性、耐熱性和很低的摩擦系數(shù)。另外，聚四氟乙烯有層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶層，結(jié)晶層之間距離為2.0×10-8m，非結(jié)晶區(qū)域很容易變形和被拉開，在摩擦過程中很快轉(zhuǎn)移到摩擦表面，降低了摩擦系數(shù)、提高了耐磨性，所以聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)最?。ㄐ∮?.2）、耐磨性最好（磨損失量小于0.025mg）。但聚四氟乙烯的加工性及施工性差、固化成膜溫度高達400℃，限制了它的使用。 聚氨基甲酸酯、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的耐磨性較好（磨損失量為0.03～0.035mg），因此環(huán)氧.聚氨酯體系和環(huán)氧.酚醛體系是較多選用的潤滑耐磨涂料的成膜組分。
綜上所述，潤滑耐磨涂料的基料可選擇環(huán)氧樹脂，其固化劑可選用脂肪胺、聚酰胺、酚醛樹脂和異氰酸酯化合物等。
（2）固體潤滑劑 固體潤滑劑也是潤滑耐磨涂料的主要成分，它不僅賦予涂膜低的摩擦系數(shù)和較長的磨損壽命，還能改善涂膜的物理機械性能。
①固體潤滑劑的種類 固體潤滑劑的種類很多，最常用的可分為三類。一是無機化合物，如二硫化鉬、石墨、PbO、NaxMoO4、LaF3和CeF3等；二是有機化合物，如聚四氟乙烯（也能作基料）、酞菁化合物和尼龍等；三是金屬粉及其氧化物，如銀、金、鋁、銦、鋇及其氧
化物等。
二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等是較常用的固體潤滑劑；改性的二硫化鉬（如MoMoS2復合型潤滑劑）、氟化石墨、二硫化鎢等潤滑劑有待推廣應(yīng)用。
②固體潤滑劑的作用
a.固體潤滑劑的性能 采用環(huán)氧樹脂作基料，酚醛樹脂為固化劑、二硫化鉬（MoS2）和石墨為固體潤滑劑組成潤滑耐磨涂料，形成涂膜的磨損壽命較長，適用于大部分金屬底材表面，但會加速底材腐蝕；將上述組成中的石墨用三氧化二銻（Sb203）替換后，形成的涂膜不僅磨損壽命較長，而且提高了抗腐蝕性。
常用的固體潤滑劑的使用溫度、平均摩擦系數(shù)及特點見表7-119。
 b.固體潤滑劑對基料摩擦系數(shù)的影響 在合成樹脂中加入固體潤滑劑后能降低合成樹脂的摩擦系數(shù)，但不同合成樹脂的摩擦系數(shù)降低值不同。如環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的摩擦系數(shù)分別為0.6和0.7；加入20%的固體潤滑劑后，環(huán)氧樹脂涂膜的摩擦系數(shù)降至0.5左右，而酚醛樹脂涂膜的摩擦系數(shù)降至0.4左右。
c.固體潤滑劑及顏填料對涂膜性能的影響采用含羥基的環(huán)氧酯作基料、異氰酸酯加成物作固化劑，加入幾種固體潤滑劑及顏填料組成涂料，形成涂膜的摩擦磨損性列于表7-120。試驗結(jié)果表明，無機及有機潤滑劑主要賦予涂膜較低的摩擦系數(shù)和一定的耐磨性；顏填料的涂膜摩擦系數(shù)較高，但同時賦予涂膜良好的耐磨性；金屬粉潤滑劑可以改善并提高涂膜的耐磨性、導熱性及機械強度。
 隨著二硫化鉬用量的提升，涂膜的摩擦系數(shù)減小，其磨損壽命增加。但二硫化鉬：基料=4：1（質(zhì)量）時，涂膜的摩擦系數(shù)不再降低，磨損壽命開始下降。
（3）活性稀釋性在制造無溶劑型環(huán)氧潤滑耐磨涂料時，應(yīng)選用活性稀釋劑?？晒┻x擇的活性稀釋有660、690、630和X-52等。
（4）添加劑 潤滑耐磨涂料中的添加劑主要是增進潤滑效果、耐磨性、承載能力、防銹性及耐輻射性等。用量占涂料總固體含量的5%～20%。常用的添加劑有鉛、錫、氧化鉛、三氧化二銻、三氧化二鉍、碘化鎘、碘化銀等。有時在涂料中加入氣相SiO2等防沉劑，加入鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯等增韌樹脂。
（5）溶劑 潤滑耐磨涂料有溶劑型或無（少）溶劑型品種。制備以環(huán)氧樹脂為主基料的溶劑型或少溶劑型環(huán)氧潤滑耐磨涂料時，若采用酚醛樹脂或胺類固化劑，可選用芳烴、醇類、酯類和溶纖劑等混合物作溶劑；若采用異氰酸酯化合物固化劑，應(yīng)選擇芳烴、酯類和酮類混合物作溶劑。選擇溶劑時應(yīng)充分考慮其對基料和固化劑的溶解性和溶劑的揮發(fā)性。溶劑揮發(fā)太快，會造成涂料流平性差、起橘皮、針孔等弊??；溶劑揮發(fā)太慢，會影響涂膜干性及使用性。所以應(yīng)適當調(diào)整溶劑揮發(fā)速度。
總之，依據(jù)實際應(yīng)用技術(shù)要求，科學合理地選擇基料、固體潤滑劑、添加劑、固化劑、填充料和溶劑等組分，才會設(shè)計出性能優(yōu)良的潤滑耐磨涂料品種。
3.環(huán)氧潤滑耐磨涂料的制備
（1）環(huán)氧潤滑耐磨涂料配方（見表7-121）。
 （2）生產(chǎn)工藝 以配方1為示例介紹環(huán)氧潤滑涂料生產(chǎn)工藝。
①將E-44環(huán)氧樹脂、660活性稀釋劑和鄰苯二甲酸二丁酯依次加入調(diào)漆罐內(nèi)，攪拌溶解；
②在攪拌下加入氣相SiO2、鈦白粉、石墨、二硫化鉬和鐵粉，充分混合均勻，在室溫下放置24h；
③在三輥研磨機上研磨分散，細度達到≤35μm后，包裝，標明環(huán)氧潤滑耐磨涂料主劑。
（其他配方采用與配方1相同的生產(chǎn)工藝）。
④配制涂料：采用三乙烯四胺（TETA）作固化劑，取環(huán)氧當量：活潑氫當量=1：1。
4.環(huán)氧潤滑耐磨涂料涂裝
（1）被涂底材表面處理
①脫脂除油 可采用有機溶劑法和化學清洗法進行脫脂除油。選用汽油、煤油、酒精、芳烴和鹵代烴等有機溶劑為清洗劑，其中以三氯乙烯熱蒸氣冷凝淋浴法的清洗效率高、不污染環(huán)境、溶劑可回收。選用由NaOH、Na2CO3、Na2SO4和Na2SiO3組成的堿清洗水溶液，在80～90℃清洗10～20min可得到好的脫脂除油效果。
②除銹采用硫酸、鹽酸及其混合酸水溶劑處理表面銹層后，再用堿液中和、水洗處理。
③噴砂處理噴砂處理（機械處理）取決于載流體品種、顆粒度、噴射壓力、距離、角度和噴嘴的直徑大小等因素。載流體品種和顆粒大小對潤滑耐磨涂膜磨損壽命的影響見表7-122。
 ④化學處理對金屬表面的化學處理包括磷化處理和陽極化處理。詳見第五章溶劑型環(huán)氧涂料第三節(jié)溶劑型環(huán)氧涂料涂裝。
（2）涂裝工藝
①涂裝方法環(huán)氧潤滑耐磨涂料可采用刷涂、浸涂和噴涂等涂裝方法。
②涂料配制雙組分環(huán)氧潤滑耐磨涂料在涂裝前應(yīng)檢查主劑和固化劑質(zhì)量；將主劑充分攪拌均勻后，按主劑與固化劑的給定配比稱量、混合；調(diào)整涂料的施工黏度，必要時應(yīng)將涂料熟化30min后再涂裝。
③涂料固化 涂料施工后要經(jīng)過由濕膜轉(zhuǎn)變成干膜的表干、實干和徹底固化過程。室溫固化達到徹底固化的時間需7d；烘烤固化達到徹底固化的時間為1～6h。
④質(zhì)量檢測涂裝過程中應(yīng)嚴格控制涂裝程序和施工規(guī)范；涂膜固化后應(yīng)進行全面質(zhì)量檢測，如涂膜是否有針孔、氣泡和其他弊病，測定涂膜厚度及相關(guān)技術(shù)性能等。參見前面有關(guān)章節(jié)涂裝質(zhì)量內(nèi)容。
二、耐磨涂料
1.磨損與耐磨涂料
（1）磨損環(huán)境人造衛(wèi)星、宇宙飛船、高速列車、汽輪機和發(fā)動機的葉輪、艦船的螺旋槳、水輪發(fā)電機的葉片、船舶的甲板、建筑物的地板等，受到高速氣流和水流的沖刷，會產(chǎn)生沖蝕磨損。尤其是飛機、航天器、高速運輸機械等，在行駛中受到夾雜砂石、風雨的沖刷，水輪機的葉片受到夾雜泥砂的沖蝕，材料的磨損是相當嚴重的，必須采取防護措施。實踐表明，耐磨涂料是防止磨損行之有效的防護材料。
（2）耐磨涂料的作用 專門用于保護材料不被磨損的涂料稱為耐磨涂料。耐磨涂料與潤滑耐磨涂料的差別在于：前者的作用主要是涂膜應(yīng)具有好的耐磨性，涂料組成中所用的顏填料以高硬度的磨料（如剛玉、金剛砂、碳化硼、三氧化二鉻等）為主，不一定要求涂膜有較低的摩擦系數(shù)；而后者的作用主要是涂膜既具有較低的摩擦系數(shù)又具有較好的耐磨性，涂料組成中所用的顏填料以固體潤滑劑為主。兩者相同之處是可以采用相同的基料和溶劑等。
2.影響耐磨涂料性能的因素
（1）基料品種對性能的影響采用相同的磨料和不同的基料組成耐磨涂料形成涂膜后，比較不同基料對耐磨性和附著力的影響，試驗結(jié)果見表7-123。
 由表7-123結(jié)果得知，彈性聚氨酯的耐磨性最好（磨損失量最?。磕饘俚撞母街^差。環(huán)氧樹脂-聚酰胺、環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂和環(huán)氧半酯一異氰酸酯加成物的附著力較好，尤其是后者的耐磨性較好（磨損失量為0.0098g），主要原因是由環(huán)氧半酯.異氰酸酯加成物體系形成的涂膜既呈現(xiàn)環(huán)氧樹脂的優(yōu)良附著性，又呈現(xiàn)聚氨酯的優(yōu)良耐磨性。環(huán)氧半酯的合成反應(yīng)及涂膜結(jié)構(gòu)特點如下。
采用碳18～22的單元脂肪酸與環(huán)氧樹脂進行酯化反應(yīng)：
 上式得到的環(huán)氧半酯與多異氰酸酯進行加成固化反應(yīng)，得到具有聚氨酯結(jié)構(gòu)和環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)的涂膜。該涂膜有一定的彈性。所以，環(huán)氧半酯可作為耐磨涂料的基料。
（2）環(huán)氧半酯的羥基值對涂膜性能的影響 環(huán)氧半酯的羥基值對涂膜耐磨性及附著力的影響，試驗結(jié)果見表7-124。
 （3）NCO/OH比值對涂膜耐磨性的影響 異氰酸酯加成物的NCO與環(huán)氧半酯的OH比值對涂膜耐磨性的影響見表7-125。
 當NCO:OH=1:1時，涂膜的有效交聯(lián)密度相當于理論值，其耐磨性較好。
（4）顏填料對涂膜耐磨性的影響
①顏填料品種對涂膜耐磨性的影響 采用環(huán)氧半酯作基料、TDI-TMP加成物作固化劑，用不同顏填料制成的涂料所形成涂膜的耐磨性具有明顯差別。含剛玉、三氧化二鉻和碳化硅的涂膜耐磨性最好（磨損失量很?。Ｆ浣Y(jié)果見表7-126。
 ②磨料用量對涂膜耐磨性的影響 在100份純環(huán)氧半酯中加入不同量的三氧化二鉻，形成涂膜后測定耐磨性，其結(jié)果列于表7-127。涂膜的耐磨性隨三氧化二鉻的用量增加而提高。但用量達到150份時，其耐磨性下降。
 3.耐磨涂料的制備
（1）耐磨涂料配方 根據(jù)耐磨涂料組成中的基料、顏填料、NCO/OH及顏基比等對涂膜性能的影響，合理地設(shè)計耐磨涂料的配方（見表7-128）。
 （2）生產(chǎn)工藝將配方中的物料依次加入調(diào)漆罐內(nèi)，充分混合后在室溫貯存18h；在三輥機上研磨分散，細度達到≤35μm時，停止研磨、包裝、得到耐磨涂料主劑；配漆時按OH：NCO=1：1（eq）稱量耐磨涂料主劑與異氰酸酯加成物用量，采用給定的溶劑調(diào)整施工黏度。
（3）性能指標耐磨涂料性能指標見表7-129。
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