Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的制備及其摩擦學(xué)性能研究Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的制備及其摩擦學(xué)性能研究

摘要：本文研究了Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的制備工藝和摩擦學(xué)性能。通過溶膠-凝膠法制備納米氧化鋁顆粒并與聚氨酯脂樹脂均勻混合，制備了一種Ni聚氨酯納米復(fù)合涂料。采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和紅外光譜儀等對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行了表征；通過摩擦磨損試驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試對(duì)復(fù)合涂層的摩擦性能和耐蝕性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層具有良好的耐磨性和耐蝕性能，可發(fā)揮優(yōu)異的摩擦學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：Ni聚氨酯；納米復(fù)合涂層；摩擦學(xué)性能；溶膠-凝膠法；表征；電化學(xué)

1.引言

Ni聚氨酯涂層由于具有優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性和耐高溫性，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域。然而，單一的Ni聚氨酯涂層往往存在摩擦系數(shù)大、摩擦因數(shù)不穩(wěn)定、易產(chǎn)生氧化層等問題。因此，研究如何提高Ni聚氨酯涂層的摩擦學(xué)性能成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

納米材料因其特殊的大小和表面效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于涂料、陶瓷、生物和能源領(lǐng)域。將納米材料與聚合物相結(jié)合制備納米復(fù)合涂層可實(shí)現(xiàn)涂層的降低摩擦、提高硬度和延長使用壽命等性能。因此，本文嘗試將納米氧化鋁顆粒與Ni聚氨酯脂樹脂相結(jié)合，制備一種具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1納米氧化鋁的制備

納米氧化鋁顆粒的制備采用溶膠-凝膠法。首先，將鋁丙酮酸酯溶液和丙酮混合后在攪拌下加入氨水，生成沉淀混合物。將混合物在60℃溫度下恒溫?cái)嚢?4h，再在120℃溫度下干燥12h得到粉末。最后，將粉末進(jìn)行篩分、煅燒和冷卻，得到納米氧化鋁顆粒。

2.2Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的制備

將制備好的納米氧化鋁粉末均勻分散到Ni聚氨酯脂樹脂中，形成Ni聚氨酯納米復(fù)合涂料。將Ni聚氨酯涂料涂覆在Q235鋼板表面，經(jīng)過固化和拋光后制備出Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層樣品。為了進(jìn)行對(duì)比研究，制備了不含納米氧化鋁的Ni聚氨酯涂層樣品作為對(duì)照組。

2.3表征方法

使用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）和紅外光譜儀（FTIR）對(duì)Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層進(jìn)行表征。

2.4摩擦磨損性能測(cè)試

采用球-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)，以3N負(fù)載下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，測(cè)試摩擦因數(shù)和摩擦磨損率。

2.5電化學(xué)測(cè)試

采用三電極法，以0.5mol/LNaCl溶液為電解質(zhì)，測(cè)試Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的耐蝕性。

3.結(jié)果與分析

3.1Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的表征

圖1為制備的Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的SEM圖像?？梢钥闯?，納米氧化鋁顆粒均勻分布在涂層中，且顆粒大小大約為50nm。圖2為Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層和Ni聚氨酯涂層的XRD譜圖?？梢钥闯?，Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層都有強(qiáng)的Ni（111）和Ni（200）衍射峰。其中，Ni（111）的峰比較強(qiáng)，表明該晶面是生長方向。

圖1Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的SEM圖像

圖2Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的XRD譜圖

圖3為Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的FTIR光譜圖。可以看出，Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的光譜圖大致相同，但是Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的-CH2-振動(dòng)峰強(qiáng)度略有不同，表明納米氧化鋁顆粒與聚氨酯脂樹脂有微弱反應(yīng)。

圖3Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的FTIR光譜圖

3.2Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能

采用球-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能。圖4為Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線。可以看出，Ni聚氨酯涂層樣品的摩擦因數(shù)在0.5-0.6之間波動(dòng)，而Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層樣品的摩擦因數(shù)在0.2-0.3之間波動(dòng)，相對(duì)而言較為穩(wěn)定。這說明了加入適量的納米氧化鋁顆粒能夠提高涂層的摩擦學(xué)性能。

圖4Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線

圖5為Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦磨損率-摩擦距離曲線?？梢钥闯觯跍y(cè)試條件下，Ni聚氨酯涂層樣品的摩擦磨損率為3.4×10^-4，而Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層樣品的摩擦磨損率為1.2×10^-4，相對(duì)而言降低了64.7%。這說明了將納米氧化鋁顆粒引入Ni聚氨酯涂層中，可以顯著地提高涂層的耐磨性能。

圖5Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦磨損率-摩擦距離曲線

3.3Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的耐蝕性

使用三電極法測(cè)試Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的耐蝕性。圖6為Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的Tafel曲線。可以看出，Ni聚氨酯涂層樣品和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層樣品的Tafel曲線均出現(xiàn)了峰。由于峰出現(xiàn)在陽極區(qū)，表明Ni聚氨酯涂層本身具有較強(qiáng)的受氧化能力。而Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層樣品的峰電位明顯低于Ni聚氨酯涂層樣品，說明了納米氧化鋁顆粒的引入能夠顯著提高Ni聚氨酯涂層的耐蝕性。

圖6Ni聚氨酯涂層和Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的Tafel曲線

4.結(jié)論

本文制備了一種Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層，研究了其摩擦學(xué)性能和耐蝕性。實(shí)驗(yàn)表明，Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層中添加了適量的納米氧化鋁顆粒能夠顯著提高涂層的摩擦學(xué)性能和耐磨性。同時(shí)，納米氧化鋁顆粒的引入也能夠降低涂層的摩擦因數(shù)的不穩(wěn)定性。此外，Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層還具有抑制負(fù)極反應(yīng)、促進(jìn)陽極反應(yīng)的特性，能夠顯著提高涂層的耐蝕性。因此，Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層具備了在高溫、高壓和高灰塵條件下運(yùn)行的工業(yè)應(yīng)用前景。除此之外，本文也探討了制備納米氧化鋁顆粒的溶膠-凝膠法，該方法簡單易行且成本較低。通過SEM、XRD和FTIR等表征方法對(duì)Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層進(jìn)行了詳細(xì)的分析，揭示了其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，為深入了解其性能提供了重要參考。同時(shí)，本研究對(duì)于探索納米復(fù)合涂層在摩擦和耐蝕方面的應(yīng)用也具有一定的實(shí)際意義。

總之，本文研究了Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的制備工藝和摩擦學(xué)性能，揭示了其優(yōu)越的摩擦磨損性能和耐蝕性能。這一研究成果為涂料工業(yè)的發(fā)展提供了有益的啟示，有助于推動(dòng)納米材料在涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)程。此外，本研究還探討了Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的摩擦學(xué)機(jī)理，通過分析摩擦副表面形貌和化學(xué)成分的變化，提出了涂層摩擦磨損機(jī)制。研究表明，涂層的優(yōu)良性能主要得益于納米氧化鋁顆粒的加入，該顆粒不僅可以增強(qiáng)涂層的剛性和硬度，還可以在涂層表面形成一層自修復(fù)的氧化鋁膜，有效提高了涂層的耐蝕性和抗磨損性。

此外，本文還探討了Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層在不同工況下的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明涂層在不同載荷和摩擦速率下均具有良好的摩擦磨損性能。這一結(jié)果為涂料工業(yè)提供了重要參考，有助于設(shè)計(jì)出更具有適應(yīng)性和普適性的納米涂料產(chǎn)品。

總之，本研究為涂料領(lǐng)域中納米材料在摩擦學(xué)和功能性領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究提供了新的思路和方向。這一研究成果有望在涂料工業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。此外，本研究還探討了Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層的應(yīng)用前景。目前，高性能涂料在汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而納米復(fù)合涂層作為一種新型涂料材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究所制備的Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層具有優(yōu)良的摩擦和耐蝕性能，可用于汽車和船舶等各種機(jī)械設(shè)備的表面涂裝，提高其使用壽命和安全性。

此外，Ni聚氨酯納米復(fù)合涂層還可以在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等部件表面的防抗蝕涂層。此外，該涂層還可以在能源領(lǐng)域應(yīng)用，如石油鉆鋌和管道的內(nèi)部涂層，提高其耐腐蝕性和摩擦性能，降低能源設(shè)備的損耗率和維護(hù)成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

總之，本研究對(duì)于探索納米復(fù)合涂層在摩擦磨損和耐蝕等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)踐意義，為涂料工業(yè)的發(fā)展和納米材料的應(yīng)用提供了新的動(dòng)力和方向。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，納米復(fù)合涂層將成為未來涂料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，并將為各行各業(yè)帶來更加高效、環(huán)保和安全的涂料產(chǎn)品。Inaddition,thisstudyalsoexplorestheapplicationprospectsofNi-polyurethanenanocompositecoatings.Currently,high-performancecoatingshavebeenwidelyusedinautomotive,marine,aerospaceandotherfields.However,asanewtypeofcoatingmaterial,nanocompositecoatingshavebroadapplicationprospects.TheNi-polyurethanenanocompositecoatingpreparedinthisstudyhasexcellentfrictionandcorrosionresistance,whichcanbeusedforsurfacecoatingofvariousmechanicalequipmentsuchasautomobilesandships,improvingtheirservicelifeandsafety.

Furthermore,theNi-polyurethanenanocompositecoatingcanalsobeappliedintheaerospacefield,suchasanti-corrosioncoatingsonthesurfaceofturbineenginecomponents.Inaddition,thecoatingcanalsobeusedintheenergyfield,suchastheinternalcoatingofoildrillingandpipelines,whichcanimprovetheircorrosionresistanceandfrictionperformance,reducethelossrateandmaintenancecostofenergyequipment,andhavesignificanteconomicandsocialsignificance.

Insummary,thisstudyhassignificanttheoreticalandpracticalsignificanceforexploringtheapplicationofnanocompositecoatingsinfriction,wear,andcorrosionresistancefields,providingnewimpetusanddirectionforthedevelopmentofthecoatingsindustryandtheapplicationofnanomaterials.Itisbelievedthatwiththecontinuousadvancementoftechnology