張迎平，劉蘭軒，汪洋，陶業(yè)立，劉秀生

    （武漢材料保護研究所，湖北武漢430030）

    摘要：利用酚醛改性環(huán)氧樹脂為基料，同時添加固體自潤滑材料、硬質(zhì)抗磨材料、助劑等研制出一種耐磨防腐涂料。該涂料除具有良好的防腐蝕性，還具有優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性及水潤滑性，是抽油管桿等惡劣腐蝕條件下較理想的耐磨防腐涂料。

    關(guān)鍵詞：酚醛改性環(huán)氧樹脂；抽油管桿；耐磨防腐性；防腐涂料

    中圖分類號：TQ637 文獻標識碼：A 文章編號：1009-1696（2014）04-0010-04

    0 引言

    我國各油田的生產(chǎn)井中大部分使用抽油機井采油技術(shù)，抽油機井采油技術(shù)在我國石油開采中占據(jù)重要的地位。目前我國許多主力油田已進入中高含水開發(fā)期，綜合含水量甚至達到90%以上，當井液含水量大于60％時，井液物性由油包水型轉(zhuǎn)換為水包油型。此時，管桿壁失去了原油的保護作用，直接與水接觸，腐蝕速度加快，同時潤滑劑由原油變成水，管壁失去了原油的潤滑作用，磨損速度加快。同時由于側(cè)鉆井、斜井的增多等多種因素的綜合作用，使得抽油機井管桿偏磨問題越來越嚴重，已成為高含水期抽油機井開采的主要矛盾之一。因此，研制一種防腐蝕性好并具良好耐磨性的防護涂層，以提高油管、抽油桿的耐磨防腐性，對延長偏磨油井免修期、節(jié)約作業(yè)費用及管、桿投入費用具有重大意義［1-2］。

    本文以酚醛改性環(huán)氧樹脂為基料，同時添加多種固體自潤滑材料、硬質(zhì)耐磨材料、助劑等研制出一種耐磨防腐涂料，并對其性能進行了研究［3-4］。試驗結(jié)果表明：該涂料除具有良好的防腐蝕性，還具有優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性及水潤滑性

    1 實驗部分

    1.1 涂料的配制

    1.1.1 主要原料

    環(huán)氧樹脂：岳陽石化總廠環(huán)氧樹脂廠；酚醛樹脂：新鄉(xiāng)市伯馬風(fēng)帆實業(yè)有限公司；石墨粉：上海膠體化工廠；二硫化鉬粉：上海膠體化工廠；氧化鋯粉：800目，市售品；硅微粉：1000目，市售品；偶聯(lián)劑：KH-560，南京經(jīng)緯化工有限公司；流平劑：433，消泡劑：6500，德謙化學(xué)有限公司。

    1.1.2 涂料的配制

    先將環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂按比例混合均勻，在高速分散攪拌的過程中，按比例依次加入其他原料，混合攪拌后，用砂磨機研磨3~4遍，過濾后即得涂料成品。酚醛改性環(huán)氧樹脂耐磨防腐涂料的配方組成（質(zhì)量份）如表1所示。

表1 涂料配方

    1.2 性能試驗

    1.2.1 涂層耐介質(zhì)腐蝕性

    試樣制備：采用Ф10mm×120mm普通低碳鋼試棒，試棒一端為半球面，另一端距端面5mm處開一小孔用于懸掛。試棒經(jīng)噴砂處理后，用浸涂的方法制備防腐涂層，共浸涂3次。第1、2次浸涂后先晾置15min，再經(jīng)60℃×15min，120℃×30min干燥后，浸涂第3次，晾置15min，經(jīng)60℃×15min，120℃×15min，170℃×30min干燥后即可。涂層總厚度≥250μm。

    試驗方法：按GB1763—1989標準，將制好涂層的試棒分別放入腐蝕介質(zhì)中進行浸泡試驗。

    1.2.2 涂層耐磨性

    試樣制備：采用100mm×8mm×5mm普通玻璃板，經(jīng)溶劑清洗處理后，用噴涂的方法制備防腐涂層，共噴涂3次。第1、2次噴涂后先晾置15min，再經(jīng)60℃×15min，120℃×30min干燥后，噴涂第3次，晾置15min，再經(jīng)60℃×15min，120℃×15min，170℃×30min干燥后即可。涂層總厚度≥60μm。

    試驗方法：采用JM-IV型漆膜磨耗儀，在750g負荷、75r/min的試驗條件下進行測試，用漆膜的失重表示漆膜的耐磨性（GB/T1768—2006）。

    1.2.3 涂層摩擦系數(shù)

    試樣制備：采用48mm×5mm×5mm普通低碳鋼板，經(jīng)砂紙打磨處理后，用噴涂的方法制備防腐涂層，共噴涂3次。第1、2次噴涂后先晾置15min，再經(jīng)60℃×15min，120℃×30min干燥后，噴涂第3次，晾置15min，再經(jīng)60℃×15min，120℃×15min，170℃×30min干燥后即可。涂層總厚度≥60μm。

    試驗方法：采用往復(fù)摩擦磨損試驗機，在500g負荷、往復(fù)頻率1.5Hz的試驗條件下，分別在干摩擦和水潤滑的條件下測定摩擦系數(shù)。

    2·結(jié)果與討論

    2.1 成膜基料的選擇

    環(huán)氧樹脂因含有活性極大的環(huán)氧基、羥基，以及醚、胺、酯等極性基團，因此賦予環(huán)氧樹脂固化物對金屬、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等極性基材優(yōu)良的附著力，以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和抗化學(xué)藥品性，耐酸、堿、鹽、機械油等多種介質(zhì)腐蝕，但環(huán)氧樹脂的耐熱性較差；而酚醛樹脂具有良好的耐酸性、力學(xué)性能、耐熱性。通過將酚醛樹脂中的羥甲基與環(huán)氧樹脂中的羥基及環(huán)氧基進行化學(xué)反應(yīng)，以及酚醛樹脂中的酚羥基與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基進行化學(xué)反應(yīng)，使高分子網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)形成更為復(fù)雜的體型結(jié)構(gòu)，而使材料的內(nèi)部聯(lián)結(jié)更加緊密，耐腐蝕性有所提高。這種混合物具有環(huán)氧樹脂優(yōu)良的黏結(jié)性，改進了酚醛樹脂的脆性，同時具有酚醛樹脂優(yōu)良的耐熱性，也改進了環(huán)氧樹脂耐熱性較差的缺點。選用酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂共混改性，可使漆膜具有良好的物理、機械性能和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性。涂層耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕情況見表2。

表2 涂層耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性

    2.2 偶聯(lián)劑的選擇

    偶聯(lián)劑由兩部分組成：一部分是親無機基團，可與無機填料或增強材料作用；另一部分是親有機基團，可與合成樹脂作用。為了增加樹脂與填料之間的黏結(jié)力，應(yīng)當采用偶聯(lián)劑進行處理，在樹脂和填料之間形成化學(xué)鍵結(jié)合，提高涂膜的內(nèi)聚強度，并達到屏蔽或阻止腐蝕因子滲透的目的，從而提高涂膜的耐腐蝕性和耐磨性。硅烷類偶聯(lián)劑其結(jié)構(gòu)的一端有能與環(huán)氧、酚醛等合成樹脂分子反應(yīng)的活性基團，如氨基、環(huán)氧基等，另一端是與硅相連的烷氧基（如甲氧基、乙氧基等），這些基團在水溶液或空氣中水分的存在下，水解生成反應(yīng)性硅醇，可與玻璃、礦物質(zhì)、無機填料表面的羥基反應(yīng)。因此，硅烷類偶聯(lián)劑常用于無機填料填充的環(huán)氧、酚醛等體系。本研究選用KH-560作偶聯(lián)劑。

    2.3 固體自潤滑材料的選擇

    常用的固體自潤滑材料有石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯微粉等。這些固體自潤滑材料，在摩擦的條件下由于會富集在摩擦物件表面并形成轉(zhuǎn)移膜，所以用其填充的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)可大幅下降，并可降低復(fù)合材料的磨損率。石墨化學(xué)性能穩(wěn)定，耐溫性好，具有良好的耐腐蝕性，但石墨的水潤滑性不夠理想，并且對金屬有電化學(xué)腐蝕傾向；聚四氟乙烯微粉自潤滑性很好，但它表面能低，表面的黏附性較差，當其含量較少時，不足以形成完整的轉(zhuǎn)移膜，自潤滑效果不好，摩擦系數(shù)較大；當其含量大時會降低材料的內(nèi)聚強度，涂層耐磨性差，防腐蝕性下降。本試驗選用二硫化鉬作為自潤滑減摩材料。二硫化鉬（MoS2）用量對摩擦系數(shù)的影響見圖1。

圖1 不同MOS用量對摩擦系數(shù)的影響

    由圖1可見：二硫化鉬可明顯提高涂層的減摩性，隨著二硫化鉬用量的增加，涂層摩擦系數(shù)逐步下降。水對涂層有顯著的潤滑作用，可大幅降低摩擦系數(shù)。

    不同MoS2用量的摩擦表面狀態(tài)見圖2。

圖2 不同MoS2用量的摩擦表面狀態(tài)

    由圖2可見：當二硫化鉬用量為0時，摩擦表面粗糙無光澤；當其用量達到6%時，摩擦表面明顯為光滑的狀態(tài)，說明摩擦表面形成了很好的潤滑轉(zhuǎn)移膜。

    2.4 耐磨填料的選擇

    耐磨填料一般是硬質(zhì)材料，如陶瓷粉等，在涂層中主要起骨架的作用。本研究采用氧化鋯陶瓷粉和硅微粉配用作為耐磨填料，它們是無機惰性填料，不參與涂料的固化反應(yīng)，可以降低固化收縮率，并能與基體樹脂緊密結(jié)合，形成致密的保護層，提高涂料內(nèi)聚力和耐磨性等。不同填料用量對涂層耐磨性的影響見圖3。

圖3 不同填料用量對涂層耐磨性的影響

    3·結(jié)語

    本文討論了酚醛樹脂、二硫化鉬及耐磨填料對環(huán)氧樹脂耐磨防腐涂料性能的影響，其主要結(jié)論如下：

    （1）酚醛改性環(huán)氧樹脂經(jīng)170℃×30min固化后漆膜具有良好的物理、機械性能和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性，是抽油管桿耐磨防腐涂層較理想的成膜物質(zhì)；

    （2）二硫化鉬對涂層的減摩性具有明顯的改善作用，其用量大于4%時，涂層自潤滑性較好；當其用量達到6%時，摩擦表面會形成很好的自潤滑轉(zhuǎn)移膜，具有良好的自潤滑性；

    （3）水是酚醛改性環(huán)氧樹脂涂層良好的潤滑劑，這對涂層的實際應(yīng)用是一種有利因素；

    （4）加入耐磨填料可提高涂膜的耐磨性，隨其用量的增大，涂層耐磨性變好，但當其用量大于40%后，磨損開始增大，耐磨填料用量以20%~40%為宜。

    參考文獻

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    [3]陳姝帆，李朗晨，洪海霞.環(huán)氧改性酚醛樹脂的耐腐蝕性能研究［J］.化工新材料，2009，37（06）：104-109.

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