水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法。本發(fā)明涂層以聚合物為主要材料，分5子層構(gòu)造，即粘接底層、第一過渡層、彈性層、第二過渡層、環(huán)氧樹脂剛性面層，主要原材料為E51環(huán)氧樹脂及固化劑、XCA-2聚氨酯彈性體及固化劑、微膠囊、顆粒填料、偶聯(lián)劑；根據(jù)各層功能采用不同的原材料組合和工藝制備。本發(fā)明仿照沙漠蜥蜴耐沖蝕的體表構(gòu)造特征，將涂層構(gòu)造為表硬內(nèi)軟的多層結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)層能抵御粒子磨削，軟質(zhì)層變形可降低表面沖擊應(yīng)力；同時(shí)仿照貝殼體表材料微觀結(jié)構(gòu)，在硬質(zhì)層中埋置微膠囊，當(dāng)裂紋尖端引裂微膠囊時(shí)可阻止表面裂紋擴(kuò)展，從而構(gòu)建起表面硬質(zhì)層的止裂機(jī)制。
【專利說明】水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種水輪機(jī)、水泵等水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)水力資源豐富，水電站和泵站裝機(jī)容量居世界首位，與此同時(shí)，我國(guó)河流含沙的嚴(yán)重程度名列世界前茅，水機(jī)過流面泥沙沖蝕磨損問題十分突出，一直是影響設(shè)備壽命和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)難題，對(duì)此，還未找到根治方法，采用表面涂層定期保護(hù)和修復(fù)磨損面是處理該問題的主要措施。
[0003]上世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)開始應(yīng)用環(huán)氧樹脂剛性涂層和復(fù)合橡膠彈性涂層保護(hù)和修復(fù)過流面，從目前應(yīng)用情況看，在低水頭環(huán)境中，兩類涂層的維護(hù)周期6-12個(gè)月。研究表明，過流面沖蝕主要成因是水流挾帶沙粒對(duì)材料表面周期性沖擊導(dǎo)致疲勞裂紋并使其不斷擴(kuò)展，次要成因是尖角粒子的磨削。根據(jù)沖蝕成因，理想的抗沖蝕涂層應(yīng)具有以下綜合性能:表面可抵御尖角粒子的小角度磨削，同時(shí)具有阻止裂紋擴(kuò)展的自我保護(hù)功能；足夠的彈性，利用變形降低粒子沖擊應(yīng)力，以減少裂紋發(fā)生。目前應(yīng)用的兩類涂層還未根據(jù)上述綜合性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造。
[0004]仿生研究人員全面研究了沙漠蜥蜴和海洋貝殼體表耐沖蝕磨損的生物耦合機(jī)制:沙漠蜥蜴體表由外部硬質(zhì)相的角質(zhì)層和內(nèi)部軟質(zhì)相的結(jié)締組織層共同形成了一種外硬內(nèi)軟的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示，I表示硬質(zhì)相的角質(zhì)層，2表示軟質(zhì)相的結(jié)締組織層，硬質(zhì)層能抵御磨削，軟質(zhì)層變形緩釋沖擊能量，降低沖擊應(yīng)力；貝殼表面材料微觀結(jié)構(gòu)中近99%是普通陶瓷碳酸鈣晶片，不到1%是以蛋白質(zhì)為主的有機(jī)質(zhì)，如圖2所示，3表示碳酸鈣晶片，4表示粘性蛋白質(zhì)，但具有極強(qiáng)的抗沖擊損傷能力，其原因是受外力沖擊導(dǎo)致的晶片裂紋延伸到有機(jī)質(zhì)處即終止，從而形成抵御沖擊破壞的自我保護(hù)機(jī)制。
[0005]近年的研究表明，在復(fù)合材料中埋置微膠囊可阻止材料微裂紋擴(kuò)展。微膠囊是利用成膜材料把液體或氣體包覆形成的一種“核-殼”結(jié)構(gòu)的微粒子，粒徑在微米-納米量級(jí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于根據(jù)沖蝕成因，綜合沙漠蜥蜴和海洋貝殼體表耐沖蝕磨損的生物構(gòu)造要點(diǎn)并應(yīng)用微膠囊技術(shù)，提供一種水輪機(jī)、水泵等水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法。
[0007]本發(fā)明的方法包括如下順序的步驟:
[0008](I)構(gòu)造粘接底層:將膠料組分E51環(huán)氧樹脂、810固化劑、KH-560偶聯(lián)劑和太白粉混合攪拌成膠料I ;對(duì)需涂層金屬表面噴沙處理；均勻刷涂膠料I到金屬表面，80°c固化I小時(shí)；
[0009](2)構(gòu)造第一過渡層:將膠料組分XCA-2聚氨酯橡膠、XCA-2固化劑、太白粉混合攪拌成膠料2，均勻刷涂膠料2到粘接底層上，120°C固化I小時(shí)；[0010](3)構(gòu)造彈性層:將膠料組分XCA橡膠、XCA-2固化劑、太白粉混合攪拌成膠料3，均勻刷涂膠料3到第一過渡層上，120°C固化4小時(shí)；
[0011](4)構(gòu)造第二過渡層:將膠料組分XCA-2聚氨酯橡膠、XCA-2固化劑、太白粉混合攪拌成膠料4，均勻刷涂膠料4到彈性層上，120°C固化I小時(shí)；
[0012](5)構(gòu)造環(huán)氧樹脂剛性面層:將膠料組分E51環(huán)氧樹脂、810固化劑、碳化硅粒子、微膠囊混合攪拌成膠料5，均勻刷涂膠料5到第二過渡層上，80°C固化2小時(shí)。
[0013]具體地說，所述膠料I中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量是:E51環(huán)氧樹脂占總組分的75-80wt%，810固化劑為E51環(huán)氧樹脂量的10_15wt%，KH-560偶聯(lián)劑為E51環(huán)氧樹脂量的0.05-0.1wt%，太白粉占總組分的10-15wt% ;太白粉的平均粒徑為15微米。
[0014]所述膠料2和膠料4中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量均是:XCA_2聚氨酯橡膠占總組分的60-65wt%，XCA-2固化劑為XCA-2聚氨酯橡膠量的10_15wt%，太白粉占總組分的30-35wt% ;太白粉的平均粒徑為15微米。
[0015]所述膠料3中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量是:XCA橡膠占總組分的80-85wt%，XCA-2固化劑為XCA-2聚氨酯橡膠量的10-15被％，太白粉占總組分的10_15被％ ;太白粉的平均粒徑為15微米。
[0016]所述膠料5中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量是:E51環(huán)氧樹脂占總組分的60-65wt%,810固化劑為E51環(huán)氧樹脂量的10_15wt%，碳化硅粒子占總組分的20_25wt%，微膠囊占總組分的5-10wt%;碳化硅粒子的粒徑為0.05-0.1mm，微膠囊的平均粒徑為10微米。
[0017]所述粘接底層的厚度為0.1-0.15mm ;所述第一過渡層的厚度為0.25-0.3mm ;所述彈性層的厚度為1.2-1.5mm ;所述第二過渡層的厚度為0.25-0.3mm ;所述環(huán)氧樹脂剛性面層的厚度為1.2-1.5mm。
[0018]本發(fā)明仿照沙漠蜥蜴耐沖蝕的體表構(gòu)造特征，將聚合物涂層構(gòu)造為表面硬質(zhì)層和內(nèi)部軟質(zhì)層組合的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)層能抵御粒子磨削，軟質(zhì)層通過變形釋放沖擊能量，降低沖擊應(yīng)力；仿照貝殼體表材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，在表面硬質(zhì)層中埋置微膠囊，當(dāng)材料微裂紋尖端引裂微膠囊時(shí)可阻止其繼續(xù)擴(kuò)展，從而構(gòu)建起表面硬質(zhì)層的止裂保護(hù)機(jī)制。本發(fā)明的涂層施工工藝簡(jiǎn)單，不需撤卸設(shè)備，材料成本低廉，施工過程無環(huán)境污染，涂層表面光滑，不需要再加工。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是沙漠蜥蜴體表層的斷面多層微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是貝殼表面材料微觀組織結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明的仿生聚合物抗沖蝕涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0023]參見圖3，本發(fā)明的仿生聚合物抗沖蝕涂層分5子層構(gòu)造，如圖3中a部分所示，5表不金屬基底，6表不粘接底層,7表不第一過渡層,8表不彈性層,9表不第二過渡層，10表示環(huán)氧樹脂剛性面層，11表示微膠囊，12表示金剛砂；圖3中的b部分，橫坐標(biāo)E代表彈性模量，縱坐標(biāo)代表涂層橫斷面。其中環(huán)氧樹脂剛性面層和彈性層為整個(gè)涂層的主體部分，通過過渡層連接，涂層總厚度為3-4_。
[0024]本發(fā)明所使用的各種原料及各項(xiàng)設(shè)備均為常規(guī)市售產(chǎn)品，能夠通過市場(chǎng)購(gòu)買直接獲得，原材料、施工過程及固化后的涂層無環(huán)境污染。本發(fā)明所用微膠囊采用原位聚合法制備。本發(fā)明采用人工分層刷涂制備涂層，本實(shí)施例的構(gòu)造過程如下:
[0025](I)刷涂粘接底層:本層保證涂層與流道金屬基底的界面結(jié)合強(qiáng)度，厚度為
0.1mm0
[0026]膠料組分:E51環(huán)氧樹脂占總組分的80wt% ；810固化劑占總組分的9.6wt% (為E51環(huán)氧樹脂量的12wt% ) ；KH-560偶聯(lián)劑占總組分的0.04wt% (為E51環(huán)氧樹脂量的
0.05wt% ),太白粉占總組分的10.36wt% (平均粒徑15微米);混合攪拌成膠料I。
[0027]施工工藝:對(duì)需涂層金屬表面噴沙處理；均勻刷涂膠料I到金屬基底上，80°C固化I小時(shí)。
[0028](2)刷涂第一過渡層:本層主要功能是在粘接底層與橡膠彈性層之間建立過渡連接，實(shí)現(xiàn)彈性模量從粘接底層到彈性層的梯度變化。本層厚度為0.3mm。
[0029]膠料組分:XCA_2聚氨酯橡膠占總組分的60wt%，XCA-2固化劑占總組分的9wt%(為XCA-2聚氨酯橡膠量的15wt% )，太白粉占總組分的31wt% (平均粒徑15微米);混合攪拌成膠料2。
[0030]施工工藝:均勻刷涂膠料2到粘接底層上，120°C固化I小時(shí)。
[0031](3)刷涂彈性層:本層主要功能是通過彈性體的變形消耗沖擊功，降低和分散沖擊應(yīng)力。本層厚度為1.5_。
[0032]膠料組分:XCA橡膠占總組分的80wt %，XCA-2固化劑占總組分的9.6wt% (為XCA-2聚氨酯橡膠量的12wt% )，太白粉占總組分的10.4wt% (平均粒徑15微米);混合攪拌成膠料3。
[0033]施工工藝:均勻刷涂膠料3到第一過渡層上，120°C固化4小時(shí)。
[0034](4)刷涂第二過渡層:本層主要功能是在橡膠彈性層與剛性面層之間建立過渡連接，實(shí)現(xiàn)彈性模量從彈性層到剛性層的梯度變化。本層厚度為0.3mm。
[0035]膠料組分:XCA_2聚氨酯橡膠占總組分的60wt%，XCA-2固化劑占總組分的9wt%(為XCA-2聚氨酯橡膠量的15wt% )，太白粉占總組分的31wt% (平均粒徑15微米);混合攪拌成膠料4。
[0036]施工工藝:均勻刷涂膠料4到彈性層上，120°C固化I小時(shí)
[0037](5)刷涂環(huán)氧樹脂剛性面層:其主要功能是抵御粒子的磨削，填充金剛沙增強(qiáng)抗磨削功能，埋置微膠囊構(gòu)建材料止裂增韌機(jī)制。本層厚度為1.2_。
[0038]膠料組分:E51環(huán)氧樹脂占總組分的60wt% ；810固化劑占總組分的7.2wt% (為E51環(huán)氧樹脂量的12wt% );碳化娃粒子占總組分的25wt% (粒徑0.05-0.1mm);微膠囊占總組分的?.8wt% (平均粒徑10微米),混合攪拌成膠料5。
[0039]施工工藝:均勻刷涂膠料5到第二過渡層上，80°C固化2小時(shí)。
[0040]按本發(fā)明構(gòu)造方法制備的聚合物抗沖蝕涂層，應(yīng)用于桂陽水點(diǎn)站水論機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片保護(hù)，在80米水頭，水流含沙濃度12%的工況，涂層維護(hù)周期達(dá)到18個(gè)月。維護(hù)周期比以往應(yīng)用的環(huán)氧金剛沙剛性涂層和復(fù)合橡膠涂層延長(zhǎng)I倍以上。
【權(quán)利要求】
1.一種水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法，其特征在于包括如下順序的步驟: (1)構(gòu)造粘接底層:將膠料組分E51環(huán)氧樹脂、810固化劑、KH-560偶聯(lián)劑和太白粉混合攪拌成膠料I ;對(duì)需涂層金屬表面噴沙處理；均勻刷涂膠料I到金屬表面，80°C固化I小時(shí)； (2)構(gòu)造第一過渡層:將膠料組分XCA-2聚氨酯橡膠、XCA-2固化劑、太白粉混合攪拌成膠料2，均勻刷涂膠料2到粘接底層上，120°C固化I小時(shí)； (3)構(gòu)造彈性層:將膠料組分XCA橡膠、XCA-2固化劑、太白粉混合攪拌成膠料3，均勻刷涂膠料3到第一過渡層上，120°C固化4小時(shí)； (4)構(gòu)造第二過渡層:將膠料組分XCA-2聚氨酯橡膠、XCA-2固化劑、太白粉混合攪拌成膠料4，均勻刷涂膠料4到彈性層上，120°C固化I小時(shí)； (5)構(gòu)造環(huán)氧樹脂剛性面層:將膠料組分E51環(huán)氧樹脂、810固化劑、碳化硅粒子、微膠囊混合攪拌成膠料5，均勻刷涂膠料5到第二過渡層上，80°C固化2小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法，其特征在于:所述膠料I中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量是:E51環(huán)氧樹脂占總組分的75-80wt%,810固化劑為E51環(huán)氧樹脂量的10-15wt%，KH-560偶聯(lián)劑為E51環(huán)氧樹脂量的0.05-0.lwt%，A白粉占總組分的10-15wt% ;太白粉的平均粒徑為15微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法，其特征在于:所述膠料2和膠料4中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量均是:XCA-2聚氨酯橡膠占總組分的60-65wt%，XCA-2固化劑為XCA-2聚氨酯橡膠量的10_15wt %，太白粉占總組分的30-35wt% ;太白粉的平均粒徑為15微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法，其特征在于:所述膠料3中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量是:XCA橡膠占總組分的80-85Wt%，XCA-2固化劑為XCA-2聚氨酯橡膠量的10-15被％，太白粉占總組分的10-15Wt% ;太白粉的平均粒徑為15微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法，其特征在于:所述膠料5中，各膠料組分的質(zhì)量百分含量是:E51環(huán)氧樹脂占總組分的60-65wt%, 810固化劑為E51環(huán)氧樹脂量的10-15wt%，碳化硅粒子占總組分的20-25wt%，微膠囊占總組分的5-10wt% ;碳化娃粒子的粒徑為0.05-0.1mm,微膠囊的平均粒徑為10微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述水機(jī)過流面防泥沙沖蝕涂層的仿生構(gòu)造方法，其特征在于:所述粘接底層的厚度為0.1-0.15mm ;所述第一過渡層的厚度為0.25-0.3mm ;所述彈性層的厚度為1.2-1.5mm ;所述第二過渡層的厚度為0.25-0.3mm ;所述環(huán)氧樹脂剛性面層的厚度為1.2-1.5mm。
【文檔編號(hào)】C09J163/00GK103978761SQ201410227491
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】郭源君, 楊潤(rùn), 吳浩然, 陳友明, 王振生, 李文斌 申請(qǐng)人:湖南科技大學(xué)