FEP及FEP-PPS共混涂層與金屬基體結(jié)合機(jī)理及性能研究.pdf

1、高溫、高壓以及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境下運(yùn)行的化工設(shè)備的防腐問題一直是腐蝕與防護(hù)界所關(guān)注的焦點(diǎn)。調(diào)查表明，很多設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，更換周期短，普通的高分子材料防腐處理已無法勝任。在新型高分子防腐蝕涂料中，氟樹脂涂料具有最好的耐蝕性，若采用氟樹脂為表面防腐層，從材料本身的耐蝕性來說，完全可以滿足要求。但氟樹脂具有不粘性，與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度低，降低了防腐效果。因此要發(fā)揮氟樹脂優(yōu)異的耐蝕性，關(guān)鍵在于提高氟樹脂涂層與金屬基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。針對(duì)上述研究目標(biāo)，

2、我們以聚全氟乙丙烯(FEP)為防腐蝕涂層的主要組分，首先探討了不同基體表面預(yù)處理工藝對(duì)FEP涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響；其次，在涂層中引入綜合性能優(yōu)異且與金屬粘合性很強(qiáng)的聚苯硫醚(PPS)作為共混組分，形成FEP/PPS共混改性涂層，利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子探針(EPMA)、X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)和電子拉伸試驗(yàn)機(jī)等檢測手段，系統(tǒng)地研究了FEP/PPS共混改性涂料的熱學(xué)行為，共混涂層的組

3、織形貌、成分分布、相組成以及涂層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度，探討了相關(guān)結(jié)合機(jī)理；此外，本課題組還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種用于粉末涂料厚涂層結(jié)合強(qiáng)度測定的試驗(yàn)方法—鼓脹剝離檢測法，文中對(duì)此新型檢測法的總體設(shè)計(jì)、檢測結(jié)果的分析評(píng)價(jià)以及用于實(shí)際涂層結(jié)合強(qiáng)度測定等方面進(jìn)行了討論。 研究表明，對(duì)于本身具有不粘性的氟樹脂涂層，基體具有一定表面粗糙度且分布均勻的表面結(jié)構(gòu)，能顯著增強(qiáng)涂層與基體間的機(jī)械錨合作用，從而增加涂層附著力。在本試驗(yàn)條件下，噴砂處理對(duì)提高鋼

4、基體與FEP粉末涂料涂層的結(jié)合強(qiáng)度最為有效。隨著噴砂粒度的增加，基體獲得了更為粗糙的各向異性表面，涂層附著力明顯上升，鋼基體經(jīng)40目噴砂后涂層的結(jié)合強(qiáng)度最高，達(dá)到12.96MPa。當(dāng)基體表面粗糙度繼續(xù)增加時(shí)，表面上的凹坑數(shù)量減少且分布變得很不均勻，從而導(dǎo)致涂層結(jié)合強(qiáng)度下降。文中采用熱噴涂工藝在鋼基體上制備了鋁過渡層，研究表明，鋁過渡層具有粗糙多孔表面結(jié)構(gòu)，雖然其孔隙形態(tài)及分布與理想的多孔過渡層有一定差距，但已經(jīng)明顯提高了FEP涂層與鋼基

5、體的結(jié)合強(qiáng)度，經(jīng)20目噴砂+鋁過渡層處理后涂層平均結(jié)合強(qiáng)度為8.18MPa，比機(jī)械打磨和酸洗處理的效果好。 熱分析表明，F(xiàn)EP/PPS體系為一不相容共混體系，其熱熔融行為是兩組分各自熱熔融轉(zhuǎn)變的簡單疊加，F(xiàn)EP和PPS只是機(jī)械共混，在分子水平上是不相容的；在惰性氣氛中，F(xiàn)EP/PPS共混粉末涂料有相當(dāng)好的熱穩(wěn)定性，在380℃以前沒有出現(xiàn)分解，超過此溫度開始失重。FEP/PPS共混涂料的熱分解包含兩個(gè)階段，第一階段失重主要為FEP

6、的熱分解，第二階段主要為PPS的分解，隨著共混涂料中PPS組分的增加，第二階段失重率增加，且測試終止時(shí)殘重增加，共混涂料熱穩(wěn)定性提高。 組織結(jié)構(gòu)分析表明，F(xiàn)EP/PPS共混涂層具有兩相結(jié)構(gòu)，當(dāng)PPS含量較少時(shí)，分散相為PPS，連續(xù)相為FEP和填料，分散相的形態(tài)近乎于圓球形，隨著PPS組分的增加，分散相形態(tài)變?yōu)椴灰?guī)則顆粒狀，并且其粒徑逐漸增大，其分布也趨于均勻。當(dāng)共混涂層中PPS的含量達(dá)到75％時(shí)，共混涂層由典型的“海-島結(jié)構(gòu)”變

7、為兩相連續(xù)的“海-海結(jié)構(gòu)”。從相組成來看，F(xiàn)EP/PPS共混涂層由晶相及非晶FEP、晶相及非晶PPS和晶相TiO2組成，共混涂層中PPS的結(jié)晶度與共混涂料粉末相比有大幅度降低，這是由于涂層制備過程對(duì)PPS的熔融結(jié)晶行為造成了一定影響。 共混組分的加入明顯改善了氟樹脂涂層與鋼基體的結(jié)合力。在FEP/PPS共混單層涂層中，隨著PPS組分的逐漸增加，猶如在FEP涂層與鋼基體之間形成了無數(shù)粘合點(diǎn)，使涂層/鋼基體結(jié)合強(qiáng)度有大幅度提高，配方

8、為60％PPS，25％FEP，15％TiO2的共混涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)16.34MPa，在配方為75％PPS，5％FEP，20％TiO2的共混涂層中，具有強(qiáng)大粘結(jié)性的PPS成為連續(xù)分布的基體，從而導(dǎo)致涂層/鋼基體結(jié)合強(qiáng)度較前有更大幅度的躍升(＞26.33MPa)。應(yīng)用梯度功能材料的設(shè)計(jì)思想，文中成功制備了FEP/PPS共混梯度結(jié)構(gòu)涂層，隨著中間過渡層數(shù)的增加，涂層主要組分的分布在整個(gè)橫截面上呈現(xiàn)連續(xù)變化，從底層以PPS為主過渡到面層純FE

9、P涂層，從而有效減小了復(fù)合涂層的層間差別，充分發(fā)揮出PPS組分與基體高粘著性的特點(diǎn)，六層梯度涂層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)15.7MPa。 FEP/PPS共混涂層中各組分的分布是不均勻的，涂層極表層存在一個(gè)純FEP區(qū)，這是由于FEP/PPS不相容共混體系中發(fā)生了相分離，在熔融過程中FEP從PPS分離出來形成了涂層最外層。界面XPS分析表明，涂層剝離后的基體界面上出現(xiàn)了明顯的F1s和S2p的譜峰，這說明共混涂層的主要組成元素已經(jīng)吸附到

10、鋼基體表面，與基體形成了牢固的粘合。同時(shí)通過對(duì)S的化學(xué)環(huán)境的分析，證實(shí)了共混涂層經(jīng)320℃高溫固化過程中，PPS發(fā)生了氧化反應(yīng)，PPS主鏈結(jié)構(gòu)中的硫醚被部分氧化成了亞砜。 文中提出了評(píng)定有效涂層附著力檢測法的第4個(gè)條件，那就是：涂層試樣設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能符合實(shí)際涂層的邊界條件，即存在一個(gè)自由表面，否則不但影響測量的準(zhǔn)確度，而且會(huì)改變實(shí)際涂層應(yīng)有的破壞模式。在遵循4個(gè)基本原則的基礎(chǔ)上，本課題組設(shè)計(jì)的新型涂層鼓脹剝離檢測法，可以有效測定環(huán)

11、境介質(zhì)、溫度和交變載荷作用下的涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度(干、濕附著力)。文中提出剝離強(qiáng)度(包括線剝離強(qiáng)度和面剝離強(qiáng)度)作為表征和評(píng)價(jià)涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的重要參數(shù)指標(biāo)，并推導(dǎo)出相應(yīng)計(jì)算公式，試驗(yàn)中直接測得涂層中心鼓脹位移—鼓脹壓力關(guān)系曲線，通過有限元輔助分析間接得到涂層剝離半徑和剝離帶寬度，從而計(jì)算得到涂層的剝離強(qiáng)度。 鼓脹剝離檢測法用于PE粉末涂料涂層結(jié)合強(qiáng)度測定的試驗(yàn)研究表明，鼓脹剝離檢測法適合檢測厚涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度，檢測過程簡單，