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CN112126349A - 一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料 - Google Patents

一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料 Download PDF

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CN112126349A CN202011049955.8A CN202011049955A CN112126349A CN 112126349 A CN112126349 A CN 112126349A CN 202011049955 A CN202011049955 A CN 202011049955A CN 112126349 A CN112126349 A CN 112126349A
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赵志成
李红轩
周惠娣
陈建敏
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Abstract

本发明涉及一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料按重量份计，由20份环氧基聚硅氧烷树脂、9~20份二硫属化合物浆料、1.4~6份氨基固化剂经2800r/min~3500r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。本发明润滑防护涂料极大地改善了现有空间润滑涂层的耐空间环境性能及耐磨性，对金属基材具有良好的附着力，其良好的柔韧性、抗冲击能力、长耐磨寿命及优异的耐空间环境性能等特点，可有效延长相关装备在空间环境中的使用寿命。

Description

一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料
技术领域
本发明涉及润滑防护技术领域，尤其涉及一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料。
背景技术
在近地轨道服役的装备所使用的润滑材料，面临特殊空间环境对润滑材料的破坏，造成空间装备润滑失效。润滑失效是导致空间装备服役寿命短和可靠性低的重要因素，美国NASA、欧洲ESA及俄罗斯宇航局研究表明，相当大比例（超过30%）空间机械部件的失效与润滑失效密切相关。由于近地轨道的高真空、辐射和原子氧等空间环境的作用，润滑油脂发生爬移、挥发，且易分解或交联变质，空间环境适用性差。而粘结固体润滑涂层在空间装备表面成膜，蒸发率低，且其操作简单、厚度可控、耐磨减摩性能优异，在航天工业领域得到了广泛应用。
目前使用的涂层有有机、无机两类润滑防护涂层。有机涂层耐空间环境性能差，尤其是近地轨道环境中的原子氧，对有机涂层侵蚀严重。无机涂层相较于有机涂层，在附着力、抗冲击性能及润滑性能上仍有较大差距。中国专利CN 2018115974781（一种具有优异耐空间环境性能的长效固体润滑防护涂料）采用POSS改性有机粘结剂，提高有机涂层的空间环境适应性，但POSS改性有机涂层依靠表层聚酰胺酰亚胺被侵蚀后暴露的POSS被氧化形成的SiO2防护层提供抗侵蚀能力，原子氧辐照的初期质量损失大。此外，中国专利CN201910305225.0（一种具有优异耐空间环境性能的有机-无机复合润滑防护涂层材料）采用聚四氟乙烯改性聚磷酸盐作为涂层粘结剂，改善了无机涂层柔韧性、润滑性能，但改性聚磷酸盐所用的聚四氟乙烯在空间环境中会分解出小分子，易润滑失效，降低了无机涂层空间环境应用的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料。
为解决上述问题，本发明所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：该涂料按重量份计，由20份环氧基聚硅氧烷树脂、9~20份二硫属化合物浆料、1.4~6份氨基固化剂经2800r/min~3500r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
所述环氧基聚硅氧烷树脂的结构特征是指：R/Si为1.2~1.5；环氧值为0.4~0.6；苯基含量为20~45%。
所述环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷20~40%，二苯基二甲氧基硅烷10~40%，质量浓度为1%的稀磷酸1.5~5.3%，余量为稀释剂；
⑵将所述二苯基二甲氧基硅烷与所述稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入所述稀磷酸，于65±5℃搅拌水解2~4h，得到水解液；
⑶所述水解液中加入所述γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解2~4h，冷却至室温即得。
所述二硫属化合物浆料是指将纯度≥97%、大小为3~7μm的二硫化钼或二硫化钨与稀释剂按1:1的质量比混合均匀制得。
所述氨基固化剂是指纯度≥98%的4,4'-二氨基二苯砜或3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷。
所述稀释剂是指纯度≥98%的甲苯与无水乙醇等质量比混合均匀的溶液。
如上所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料的应用，其特征在于：在无油压缩空气条件下，将该润滑防护涂料喷涂在已处理后的零件表面上；然后在室温下放置1~3 h表干，于100±5℃固化1 h，最后，200±5℃固化1 h后即可。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用环氧基聚硅氧烷树脂作为粘结剂。由于聚硅氧烷树脂主链为Si-O-Si结构，相较于碳链聚合物中的C-C、C-H，具有极佳的稳定性，空间环境适应性优异，但聚硅氧烷涂层存在与金属基底附着力较低、柔韧性较差的问题。因此，本发明通过对聚硅氧烷分子结构的设计，制备了环氧基聚硅氧烷润滑防护涂层，有效解决了聚硅氧烷涂层附着力较低、柔韧性较差的缺陷，实现了具有优异耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂层的制备。
2、将本发明所得涂料喷涂于零件表面后进行性能测试，如表1所示。所得涂层平整光滑无裂纹，附着力0级，柔韧性1 mm，耐冲击性50 cm；经摩擦磨损试验，其摩擦系数0.03~0.04；耐磨寿命≥650000r；经1021atom/cm2原子氧辐照后，辐照过程中涂层质量变化极小（参见图1），相较于有机-无机复合润滑防护涂层质量损失降低了50%（CN201910305225.0），相较于POSS改性亚胺润滑防护涂层质量损失降低了95%（CN2018115974781）。同时，辐照前后涂层形貌变化不大（参见图2），而且辐照前后涂层元素种类无变化（参见图4（a））；涂层在原子氧辐照后，表面聚硅氧烷树脂中Si的化学态发生变化，生成了SiO2防护层，组织原子氧对下层涂层的侵蚀（参见图4（b）），这表明了本发明所制备涂层具有优异的耐原子氧侵蚀能力。另外，原子氧辐照对本发明所制备涂层的真空摩擦性能影响极小（参见图3）。
表1 各实施例的产品的主要性能指标
Figure 188656DEST_PATH_IMAGE001
注：摩擦性能的测试方法：CSM真空栓盘摩擦磨损试验机，上试样为Φ6 mm的GCr15钢球，下试样为复合涂料，涂层厚度为（25 ± 5）μm，基底为1045#不锈钢，摩擦形式为点接触旋转摩擦。真空度：10-6~10-5Mbar，载荷：5 N，旋转半径：5 mm，频率1000r/min。
空间环境适应性：将涂层放入真空腔室，进行原子氧辐照，总辐照剂量1.3×1021atom/cm2。
因此，本发明润滑防护涂料极大地改善了现有空间润滑涂层的耐空间环境性能及耐磨性，对金属基材具有良好的附着力，其良好的柔韧性、抗冲击能力、长耐磨寿命及优异的耐空间环境性能等特点，可有效延长相关装备在空间环境中的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1 为本发明所制备涂层在原子氧辐照过程中的质量变化。
图2为本发明所制备涂层在原子氧辐照前（a）及辐照后（b）的形貌电子显微图。图3为本发明所制备涂层在原子氧辐照前及辐照后的真空摩擦系数曲线。
图4为本发明所制备涂层在原子氧辐照前及辐照后的表面XPS全谱（a）及Si精细谱（b）。
具体实施方式
实施例1一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料18g、4,4'-二氨基二苯砜2g经2800r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷12g，二苯基二甲氧基硅烷6g，质量浓度为1%的稀磷酸0.9g，无水乙醇20.55g，甲苯20.55g；
⑵将二苯基二甲氧基硅烷与稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入稀磷酸，于65±5℃搅拌水解3h，得到水解液；
⑶水解液中加入γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解3h，冷却至室温即得。
实施例2一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料20g、4,4'-二氨基二苯砜6g经3500r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷8g，二苯基二甲氧基硅烷8g，质量浓度为1%的稀磷酸0.3g，无水乙醇1.85g，甲苯1.85g；
⑵将二苯基二甲氧基硅烷与稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入稀磷酸，于65±5℃搅拌水解3h，得到水解液；
⑶水解液中加入γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解3h，冷却至室温即得。
实施例3一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料10g、4,4'-二氨基二苯砜6g经3000r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷12g，二苯基二甲氧基硅烷11g，质量浓度为1%的稀磷酸2.3g，无水乙醇9g，甲苯9g；
⑵将二苯基二甲氧基硅烷与稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入稀磷酸，于65±5℃搅拌水解3h，得到水解液；
⑶水解液中加入γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解3h，冷却至室温即得。
实施例4一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料10g、4,4'-二氨基二苯砜1.4g经2800r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷8g，二苯基二甲氧基硅烷11g，质量浓度为1%的稀磷酸1.9g，无水乙醇9g，甲苯9g；
⑵将二苯基二甲氧基硅烷与稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入稀磷酸，于65±5℃搅拌水解2h，得到水解液；
⑶水解液中加入γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解2h，冷却至室温即得。
实施例5一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料12g、4,4'-二氨基二苯砜1.4g经3200r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷9g，二苯基二甲氧基硅烷13g，质量浓度为1%的稀磷酸1.9g，无水乙醇9g，甲苯9g；
⑵将二苯基二甲氧基硅烷与稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入稀磷酸，于65±5℃搅拌水解4h，得到水解液；
⑶水解液中加入γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解4h，冷却至室温即得。
实施例6一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料12g、4,4'-二氨基二苯砜5g经3500r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂同实施例5。
实施例7一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料15g、4,4'-二氨基二苯砜1.8g经2800r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂同实施例5。
实施例8一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，该涂料由环氧基聚硅氧烷树脂20g、经锥形磨研磨的二硫化钼浆料9g、4,4'-二氨基二苯砜1.4g经2800r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
其中：环氧基聚硅氧烷树脂同实施例5。
上述实施例1~8中，环氧基聚硅氧烷树脂的结构特征是指：R/Si为1.2~1.5；环氧值为0.4~0.6；苯基含量为20~45%。
二硫化钼浆料是指将纯度≥97%、大小为3~7μm的二硫化钼与稀释剂按1:1的质量比混合均匀制得。二硫化钼还可以用二硫化钨代替。
4,4'-二氨基二苯砜还可以用3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷代替，其纯度≥98%。
稀释剂是指甲苯与无水乙醇等质量比混合均匀的溶液。
甲苯或无水乙醇的纯度≥98%。
上述实施例1~8所得的具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料的应用：在无油压缩空气条件下，将该润滑防护涂料喷涂在已处理后的零件表面（零件表面需预先除油、除锈、喷砂、超声等表面处理）上；然后在室温下放置1~3 h表干，于100±5℃固化1h，最后，200±5℃固化1 h后即可。

Claims (7)

1.一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：该涂料按重量份计，由20份环氧基聚硅氧烷树脂、9~20份二硫属化合物浆料、1.4~6份氨基固化剂经2800r/min~3500r/min的转速搅拌分散均匀，使其固体组分含量为35±10%制得。
2.如权利要求1所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：所述环氧基聚硅氧烷树脂的结构特征是指：R/Si为1.2~1.5；环氧值为0.4~0.6；苯基含量为20~45%。
3.如权利要求1或2所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：所述环氧基聚硅氧烷树脂是指按下述方法制得：
⑴按下述原料重量百分比称量：γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷20~40%，二苯基二甲氧基硅烷10~40%，质量浓度为1%的稀磷酸1.5~5.3%，余量为稀释剂；
⑵将所述二苯基二甲氧基硅烷与所述稀释剂混合，在油浴条件下加热至65±5℃，然后加入所述稀磷酸，于65±5℃搅拌水解2~4h，得到水解液；
⑶所述水解液中加入所述γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，于65±5℃搅拌水解2~4h，冷却至室温即得。
4.如权利要求1所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：所述二硫属化合物浆料是指将纯度≥97%、大小为3~7μm的二硫化钼或二硫化钨与稀释剂按1:1的质量比混合均匀制得。
5.如权利要求1所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：所述氨基固化剂是指纯度≥98%的4,4'-二氨基二苯砜或3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷。
6.如权利要求3或4所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料，其特征在于：所述稀释剂是指纯度≥98%的甲苯与无水乙醇等质量比混合均匀的溶液。
7.如权利要求1所述的一种具有耐空间环境性能的聚硅氧烷长效润滑防护涂料的应用，其特征在于：在无油压缩空气条件下，将该润滑防护涂料喷涂在已处理后的零件表面上；然后在室温下放置1~3 h表干，于100±5℃固化1 h，最后，200±5℃固化1 h后即可。
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