水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法
【专利摘要】本发明公开了一种水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法。本发明涂层以聚合物为主要材料，分5子层构造，即粘接底层、第一过渡层、弹性层、第二过渡层、环氧树脂刚性面层，主要原材料为E51环氧树脂及固化剂、XCA-2聚氨酯弹性体及固化剂、微胶囊、颗粒填料、偶联剂；根据各层功能采用不同的原材料组合和工艺制备。本发明仿照沙漠蜥蜴耐冲蚀的体表构造特征，将涂层构造为表硬内软的多层结构，硬质层能抵御粒子磨削，软质层变形可降低表面冲击应力；同时仿照贝壳体表材料微观结构，在硬质层中埋置微胶囊，当裂纹尖端引裂微胶囊时可阻止表面裂纹扩展，从而构建起表面硬质层的止裂机制。
【专利说明】水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种水轮机、水泵等水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法。
【背景技术】
[0002]我国水力资源丰富，水电站和泵站装机容量居世界首位，与此同时，我国河流含沙的严重程度名列世界前茅，水机过流面泥沙冲蚀磨损问题十分突出，一直是影响设备寿命和安全经济运行的技术难题，对此，还未找到根治方法，采用表面涂层定期保护和修复磨损面是处理该问题的主要措施。
[0003]上世纪90年代，国内开始应用环氧树脂刚性涂层和复合橡胶弹性涂层保护和修复过流面，从目前应用情况看，在低水头环境中，两类涂层的维护周期6-12个月。研究表明，过流面冲蚀主要成因是水流挟带沙粒对材料表面周期性冲击导致疲劳裂纹并使其不断扩展，次要成因是尖角粒子的磨削。根据冲蚀成因，理想的抗冲蚀涂层应具有以下综合性能:表面可抵御尖角粒子的小角度磨削，同时具有阻止裂纹扩展的自我保护功能；足够的弹性，利用变形降低粒子冲击应力，以减少裂纹发生。目前应用的两类涂层还未根据上述综合性能要求进行设计和构造。
[0004]仿生研究人员全面研究了沙漠蜥蜴和海洋贝壳体表耐冲蚀磨损的生物耦合机制:沙漠蜥蜴体表由外部硬质相的角质层和内部软质相的结缔组织层共同形成了一种外硬内软的多层复合结构，如图1所示，I表示硬质相的角质层，2表示软质相的结缔组织层，硬质层能抵御磨削，软质层变形缓释冲击能量，降低冲击应力；贝壳表面材料微观结构中近99%是普通陶瓷碳酸钙晶片，不到1%是以蛋白质为主的有机质，如图2所示，3表示碳酸钙晶片，4表示粘性蛋白质，但具有极强的抗冲击损伤能力，其原因是受外力冲击导致的晶片裂纹延伸到有机质处即终止，从而形成抵御冲击破坏的自我保护机制。
[0005]近年的研究表明，在复合材料中埋置微胶囊可阻止材料微裂纹扩展。微胶囊是利用成膜材料把液体或气体包覆形成的一种“核-壳”结构的微粒子，粒径在微米-纳米量级。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于根据冲蚀成因，综合沙漠蜥蜴和海洋贝壳体表耐冲蚀磨损的生物构造要点并应用微胶囊技术，提供一种水轮机、水泵等水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法。
[0007]本发明的方法包括如下顺序的步骤:
[0008](I)构造粘接底层:将胶料组分E51环氧树脂、810固化剂、KH-560偶联剂和太白粉混合搅拌成胶料I ;对需涂层金属表面喷沙处理；均匀刷涂胶料I到金属表面，80°c固化I小时；
[0009](2)构造第一过渡层:将胶料组分XCA-2聚氨酯橡胶、XCA-2固化剂、太白粉混合搅拌成胶料2，均匀刷涂胶料2到粘接底层上，120°C固化I小时；[0010](3)构造弹性层:将胶料组分XCA橡胶、XCA-2固化剂、太白粉混合搅拌成胶料3，均匀刷涂胶料3到第一过渡层上，120°C固化4小时；
[0011](4)构造第二过渡层:将胶料组分XCA-2聚氨酯橡胶、XCA-2固化剂、太白粉混合搅拌成胶料4，均匀刷涂胶料4到弹性层上，120°C固化I小时；
[0012](5)构造环氧树脂刚性面层:将胶料组分E51环氧树脂、810固化剂、碳化硅粒子、微胶囊混合搅拌成胶料5，均匀刷涂胶料5到第二过渡层上，80°C固化2小时。
[0013]具体地说，所述胶料I中，各胶料组分的质量百分含量是:E51环氧树脂占总组分的75-80wt%，810固化剂为E51环氧树脂量的10_15wt%，KH-560偶联剂为E51环氧树脂量的0.05-0.1wt%，太白粉占总组分的10-15wt% ;太白粉的平均粒径为15微米。
[0014]所述胶料2和胶料4中，各胶料组分的质量百分含量均是:XCA_2聚氨酯橡胶占总组分的60-65wt%，XCA-2固化剂为XCA-2聚氨酯橡胶量的10_15wt%，太白粉占总组分的30-35wt% ;太白粉的平均粒径为15微米。
[0015]所述胶料3中，各胶料组分的质量百分含量是:XCA橡胶占总组分的80-85wt%，XCA-2固化剂为XCA-2聚氨酯橡胶量的10-15被％，太白粉占总组分的10_15被％ ;太白粉的平均粒径为15微米。
[0016]所述胶料5中，各胶料组分的质量百分含量是:E51环氧树脂占总组分的60-65wt%,810固化剂为E51环氧树脂量的10_15wt%，碳化硅粒子占总组分的20_25wt%，微胶囊占总组分的5-10wt%;碳化硅粒子的粒径为0.05-0.1mm，微胶囊的平均粒径为10微米。
[0017]所述粘接底层的厚度为0.1-0.15mm ;所述第一过渡层的厚度为0.25-0.3mm ;所述弹性层的厚度为1.2-1.5mm ;所述第二过渡层的厚度为0.25-0.3mm ;所述环氧树脂刚性面层的厚度为1.2-1.5mm。
[0018]本发明仿照沙漠蜥蜴耐冲蚀的体表构造特征，将聚合物涂层构造为表面硬质层和内部软质层组合的多层复合结构，硬质层能抵御粒子磨削，软质层通过变形释放冲击能量，降低冲击应力；仿照贝壳体表材料的微观组织结构，在表面硬质层中埋置微胶囊，当材料微裂纹尖端引裂微胶囊时可阻止其继续扩展，从而构建起表面硬质层的止裂保护机制。本发明的涂层施工工艺简单，不需撤卸设备，材料成本低廉，施工过程无环境污染，涂层表面光滑，不需要再加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是沙漠蜥蜴体表层的断面多层微观结构示意图。
[0020]图2是贝壳表面材料微观组织结构示意图。
[0021]图3是本发明的仿生聚合物抗冲蚀涂层结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0023]参见图3，本发明的仿生聚合物抗冲蚀涂层分5子层构造，如图3中a部分所示，5表不金属基底，6表不粘接底层,7表不第一过渡层,8表不弹性层,9表不第二过渡层，10表示环氧树脂刚性面层，11表示微胶囊，12表示金刚砂；图3中的b部分，横坐标E代表弹性模量，纵坐标代表涂层横断面。其中环氧树脂刚性面层和弹性层为整个涂层的主体部分，通过过渡层连接，涂层总厚度为3-4_。
[0024]本发明所使用的各种原料及各项设备均为常规市售产品，能够通过市场购买直接获得，原材料、施工过程及固化后的涂层无环境污染。本发明所用微胶囊采用原位聚合法制备。本发明采用人工分层刷涂制备涂层，本实施例的构造过程如下:
[0025](I)刷涂粘接底层:本层保证涂层与流道金属基底的界面结合强度，厚度为
0.1mm0
[0026]胶料组分:E51环氧树脂占总组分的80wt% ；810固化剂占总组分的9.6wt% (为E51环氧树脂量的12wt% ) ；KH-560偶联剂占总组分的0.04wt% (为E51环氧树脂量的
0.05wt% ),太白粉占总组分的10.36wt% (平均粒径15微米);混合搅拌成胶料I。
[0027]施工工艺:对需涂层金属表面喷沙处理；均匀刷涂胶料I到金属基底上，80°C固化I小时。
[0028](2)刷涂第一过渡层:本层主要功能是在粘接底层与橡胶弹性层之间建立过渡连接，实现弹性模量从粘接底层到弹性层的梯度变化。本层厚度为0.3mm。
[0029]胶料组分:XCA_2聚氨酯橡胶占总组分的60wt%，XCA-2固化剂占总组分的9wt%(为XCA-2聚氨酯橡胶量的15wt% )，太白粉占总组分的31wt% (平均粒径15微米);混合搅拌成胶料2。
[0030]施工工艺:均匀刷涂胶料2到粘接底层上，120°C固化I小时。
[0031](3)刷涂弹性层:本层主要功能是通过弹性体的变形消耗冲击功，降低和分散冲击应力。本层厚度为1.5_。
[0032]胶料组分:XCA橡胶占总组分的80wt %，XCA-2固化剂占总组分的9.6wt% (为XCA-2聚氨酯橡胶量的12wt% )，太白粉占总组分的10.4wt% (平均粒径15微米);混合搅拌成胶料3。
[0033]施工工艺:均匀刷涂胶料3到第一过渡层上，120°C固化4小时。
[0034](4)刷涂第二过渡层:本层主要功能是在橡胶弹性层与刚性面层之间建立过渡连接，实现弹性模量从弹性层到刚性层的梯度变化。本层厚度为0.3mm。
[0035]胶料组分:XCA_2聚氨酯橡胶占总组分的60wt%，XCA-2固化剂占总组分的9wt%(为XCA-2聚氨酯橡胶量的15wt% )，太白粉占总组分的31wt% (平均粒径15微米);混合搅拌成胶料4。
[0036]施工工艺:均匀刷涂胶料4到弹性层上，120°C固化I小时
[0037](5)刷涂环氧树脂刚性面层:其主要功能是抵御粒子的磨削，填充金刚沙增强抗磨削功能，埋置微胶囊构建材料止裂增韧机制。本层厚度为1.2_。
[0038]胶料组分:E51环氧树脂占总组分的60wt% ；810固化剂占总组分的7.2wt% (为E51环氧树脂量的12wt% );碳化娃粒子占总组分的25wt% (粒径0.05-0.1mm);微胶囊占总组分的?.8wt% (平均粒径10微米),混合搅拌成胶料5。
[0039]施工工艺:均匀刷涂胶料5到第二过渡层上，80°C固化2小时。
[0040]按本发明构造方法制备的聚合物抗冲蚀涂层，应用于桂阳水点站水论机转轮叶片保护，在80米水头，水流含沙浓度12%的工况，涂层维护周期达到18个月。维护周期比以往应用的环氧金刚沙刚性涂层和复合橡胶涂层延长I倍以上。
【权利要求】
1.一种水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法，其特征在于包括如下顺序的步骤: (1)构造粘接底层:将胶料组分E51环氧树脂、810固化剂、KH-560偶联剂和太白粉混合搅拌成胶料I ;对需涂层金属表面喷沙处理；均匀刷涂胶料I到金属表面，80°C固化I小时； (2)构造第一过渡层:将胶料组分XCA-2聚氨酯橡胶、XCA-2固化剂、太白粉混合搅拌成胶料2，均匀刷涂胶料2到粘接底层上，120°C固化I小时； (3)构造弹性层:将胶料组分XCA橡胶、XCA-2固化剂、太白粉混合搅拌成胶料3，均匀刷涂胶料3到第一过渡层上，120°C固化4小时； (4)构造第二过渡层:将胶料组分XCA-2聚氨酯橡胶、XCA-2固化剂、太白粉混合搅拌成胶料4，均匀刷涂胶料4到弹性层上，120°C固化I小时； (5)构造环氧树脂刚性面层:将胶料组分E51环氧树脂、810固化剂、碳化硅粒子、微胶囊混合搅拌成胶料5，均匀刷涂胶料5到第二过渡层上，80°C固化2小时。
2.根据权利要求1所述水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法，其特征在于:所述胶料I中，各胶料组分的质量百分含量是:E51环氧树脂占总组分的75-80wt%,810固化剂为E51环氧树脂量的10-15wt%，KH-560偶联剂为E51环氧树脂量的0.05-0.lwt%，A白粉占总组分的10-15wt% ;太白粉的平均粒径为15微米。
3.根据权利要求1所述水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法，其特征在于:所述胶料2和胶料4中，各胶料组分的质量百分含量均是:XCA-2聚氨酯橡胶占总组分的60-65wt%，XCA-2固化剂为XCA-2聚氨酯橡胶量的10_15wt %，太白粉占总组分的30-35wt% ;太白粉的平均粒径为15微米。
4.根据权利要求1所述水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法，其特征在于:所述胶料3中，各胶料组分的质量百分含量是:XCA橡胶占总组分的80-85Wt%，XCA-2固化剂为XCA-2聚氨酯橡胶量的10-15被％，太白粉占总组分的10-15Wt% ;太白粉的平均粒径为15微米。
5.根据权利要求1所述水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法，其特征在于:所述胶料5中，各胶料组分的质量百分含量是:E51环氧树脂占总组分的60-65wt%, 810固化剂为E51环氧树脂量的10-15wt%，碳化硅粒子占总组分的20-25wt%，微胶囊占总组分的5-10wt% ;碳化娃粒子的粒径为0.05-0.1mm,微胶囊的平均粒径为10微米。
6.根据权利要求1所述水机过流面防泥沙冲蚀涂层的仿生构造方法，其特征在于:所述粘接底层的厚度为0.1-0.15mm ;所述第一过渡层的厚度为0.25-0.3mm ;所述弹性层的厚度为1.2-1.5mm ;所述第二过渡层的厚度为0.25-0.3mm ;所述环氧树脂刚性面层的厚度为1.2-1.5mm。
【文档编号】C09J163/00GK103978761SQ201410227491
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】郭源君, 杨润, 吴浩然, 陈友明, 王振生, 李文斌 申请人:湖南科技大学