铸造楔齿滚刀表面纳米SiO2超疏水涂层的制备工艺的制作方法

铸造楔齿滚刀表面纳米sio2超疏水涂层的制备工艺
技术领域
1.本发明涉及矿山设备技术领域。具体地说是铸造楔齿滚刀表面纳米sio2超疏水涂层的制备工艺。


背景技术：

2.随着我国矿井建设向更大直径深厚表土层发展，对滚刀的耐磨性和使用寿命提出了更高要求。如何提高破岩楔齿滚刀的钻井效率，已经成为制约钻井法推广与应用的重要瓶颈，其使用寿命的延长不仅可有效提高钻井工程中的纯钻进时间，缩短钻井工期，且可大大降低钻井成本。
3.煤矿立井钻井过程中遇到的黏土层和砂质黏土层比较多，部分黏土、砂质黏土易吸水膨胀，具有较强的可塑性。在黏性地层钻进时，钻头切削下来的黏土不能及时被排上来时，将会黏附于钻头体上变成大泥团，甚至连刀具都包在里面，导致泥包钻头。此外，钻进过程中利用黏性土层自然造浆时，泥浆本身属细分散泥浆，细颗粒多且难以清除，黏度较高，也是产生泥包钻头的主要原因之一。泥包钻头现象的频繁发生将直接影响钻进速度，降低钻进效率。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种无毒、环保、步骤简单的铸造楔齿滚刀表面纳米sio2超疏水涂层的制备工艺。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.铸造楔齿滚刀表面纳米sio2超疏水涂层的制备工艺，包括以下步骤：
7.s1：以纳米级二氧化硅(sio2)、氢氧化钠和十二烷基三乙氧基硅烷为原料，制备超疏水二氧化硅纳米粒子；
8.s2：以双氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷(a-pdms)为原料，制备超支化pdms溶液；
9.s3:以超疏水二氧化硅纳米粒子和超支化pdms溶液为原料，制备sio2/pdms混合分散液；
10.s4：将sio2/pdms混合分散液喷涂到处理好的楔齿滚刀表面，之后加温固化涂层。
11.进一步的，步骤s1中，称取一定量纳米级二氧化硅完全分散于乙醇中，并在乙醇溶液中加入氢氧化钠和十二烷基三乙氧基硅烷，70℃反应5h以上，之后调节溶液ph值为6-7，并用乙醇离心洗涤沉淀，最后烘干得到超疏水二氧化硅纳米粒子。
12.进一步的，每分散1g纳米级二氧化硅至少需要50ml乙醇，纳米级二氧化硅、氢氧化钠的质量比为4:1，氢氧化钠的质量与十二烷基三乙氧基硅烷的体积比为1g：1.2ml。
13.进一步的，步骤s2中，超支化pdms的制备包括以下步骤：在正己烷中加入二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂，并超声震荡30min以上使二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂充分溶解；二甲基硅氧烷(pdms)与固化剂的质量比为10:1。
14.进一步的，步骤s3中，将超疏水二氧化硅纳米粒子加入超支化pdms溶液中超声震
荡1h以上以制备sio2/pdms混合分散液；其中，超疏水二氧化硅纳米粒子与二甲基硅氧烷(pdms)的质量比为3:10，且超疏水二氧化硅纳米粒子与超疏水二氧化硅纳米粒子的质量为sio2/pdms混合分散液质量的10％。
15.进一步的，步骤s4，喷涂时，喷嘴距楔齿滚刀表面约15cm-20cm，喷涂时间为2s，喷涂三次，每次时间间隔为10min；采用等离子喷涂；将喷涂后的楔齿滚刀在150℃环境下加热2h，以固化涂层。
16.进一步的，滚刀的表面在喷涂前，经过清洗去油、去杂质、去表面氧化层。
17.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
18.本技术在滚刀的表面制备超疏水涂层，且该超疏水涂层中添加有超疏水二氧化硅纳米粒子，能够在构筑超疏液表面粗糙结构的同时，提升涂层的耐老化性能；除了大程度地缓解钻进过程中的泥包钻现象外，还能够最大限度的抵抗滚刀钻井过程中的磨损和破坏。
19.本技术通过制备sio2/pdms混合分散液，并用喷涂法在铸造楔齿滚刀表面以制备超疏水涂层，极大程度地缓解钻进过程中的泥包钻现象，提高了钻进效率。
附图说明
20.图1为本发明实施例的简易工艺流程图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
22.如图1所示，铸造楔齿滚刀表面纳米sio2超疏水涂层的制备工艺，包括以下步骤：
23.s1：以纳米级二氧化硅(sio2)、氢氧化钠和十二烷基三乙氧基硅烷为原料，制备超疏水二氧化硅纳米粒子；本步骤中，通过对纳米级二氧化硅表面改性使原本不具有超疏水性的二氧化硅具备了超疏水性能；与普通的超疏水材料相比，sio2无毒、环保、物理化学性质稳定，平均莫氏硬度为7，作为楔齿滚刀的表面涂层材料可以最大限度的抵抗钻井过程中的磨损和破坏；
24.s2：以双氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷(a-pdms)为原料，引入多元酰氯合成超支化pdms，制备超支化pdms溶液；
25.s3:以超疏水二氧化硅纳米粒子和超支化pdms溶液为原料，制备sio2/pdms混合分散液；超支化pdms溶液在不添加固化剂的情况下可在基底上直接成膜固化，提高了涂层的施工性；再引入具有良好耐候性的超疏水二氧化硅纳米粒子，在构筑表面粗糙结构获得疏水性的同时，还可提升涂层的耐老化性能；
26.s4：将sio2/pdms混合分散液喷涂到处理好的楔齿滚刀表面，之后加温固化涂层，涂层厚度6μm-12μm，以取得最佳的疏水效果；
27.本技术通过制备sio2/pdms混合分散液，并用喷涂法在铸造楔齿滚刀表面以制备超疏水涂层，极大程度地缓解钻进过程中的泥包钻现象，提高了钻进效率；泥浆在超疏水涂层表面的粘附力非常低，极易脱离涂层表面，因此可以有效缓解泥包钻对铸造楔齿滚刀的破坏。
28.进一步的，本技术中的铸造楔齿滚刀采用高强度耐磨钢与低碳合金钢的双金属复
合材料离心铸造工艺制作而；在各种物理和化学制备方法中，物理喷涂法是直接将特定的材料喷涂在工件表面而得到超疏水涂层的方法，因而物理喷涂法更适用于有多个凹槽的铸造楔齿滚刀表面。
29.进一步的，步骤s1中，超疏水二氧化硅纳米粒子的制备包括以下步骤：
30.根据超疏水二氧化硅纳米粒子的需用量，称取一定量纳米级二氧化硅分散于无水乙醇(99.5％)中，70℃搅拌回流3min以上以确保二氧化硅完全分散，之后加入氢氧化钠活化二氧化硅，最后再在溶液中加入十二烷基三乙氧基硅烷，之后70℃反应5h以制备超疏水二氧化硅纳米粒子；
31.反应结束后，加入适量浓盐酸调节溶液的ph值为6-7，室温下，用乙醇以3500r/min-4500r/min的速度离心洗涤纳米粒子，最后经烘干得到超疏水二氧化硅纳米粒子；
32.其中，每分散1g纳米级二氧化硅至少需要50ml乙醇，纳米级二氧化硅、氢氧化钠的质量比为4:1，氢氧化钠的质量与十二烷基三乙氧基硅烷的体积比为1g：1.2ml。
33.在一个实施例中，称取1.0g的纳米级二氧化硅溶解于50.0ml乙醇中，70℃搅拌回流3min，然后依次加入0.25g氢氧化钠和0.3ml十二烷基三乙氧基硅烷，70℃反应5h；反应结束后，用浓盐酸调节ph值范围为6-7，室温下用乙醇以4500r/min的速度离心洗涤纳米粒子，最后经烘干得到超疏水二氧化硅纳米粒子。
34.进一步的，步骤s2中，超支化pdms的制备包括以下步骤：在正己烷中加入二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂，固化剂采用环氧树脂固化剂，并超声震荡30min以上使二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂充分溶解，超声震荡的功率为200w；二甲基硅氧烷(pdms)与固化剂的质量比为10:1；
35.步骤s3中，将超疏水二氧化硅纳米粒子加入超支化pdms溶液中超声震荡1～2h、或更长时间以制备sio2/pdms混合分散液，超声震荡的功率为200w；其中，超疏水二氧化硅纳米粒子与二甲基硅氧烷(pdms)的质量比为3:10，且超疏水二氧化硅纳米粒子与超疏水二氧化硅纳米粒子的质量为sio2/pdms混合分散液质量的10％。
36.进一步的，步骤s4，喷涂时，喷嘴距楔齿滚刀表面约15cm-20cm，喷涂时间为2s，喷涂三次，每次时间间隔为10min；喷涂时的温度没有太严格的要求，在常温下即可；这样喷涂的涂层可以将基底完全地覆盖，并且楔齿滚刀表面上的混合液不至于大量流失；采用等离子喷涂，喷涂的最佳电流、氩气流量、电压和喷涂距离分别为450a、45l/min、60v和90mm，在这个喷涂条件下，最终可获得厚度约为6～12μm；
37.将喷涂后的楔齿滚刀放置在烘箱中，150℃环境下烘干2h，让聚二甲基硅氧烷(a-pdms)完全固化，增加涂层的稳定性
38.进一步的，楔齿滚刀的表面在喷涂前，经过清洗去油、去杂质，去除滚刀表面的氧化层等处理。
39.在实际的应用中，应用在钻头上的一般涂层在使用过程中不可避免的受周围环境影响造成机械磨损或化学腐蚀等损伤，会造成涂层老化、开裂甚至脱落，缩短了涂层的使用寿；本技术中，在一般超疏水涂层的基础上引入自修复功能，涂层受到损伤后可经过简单的处理，即可恢复到原始的超疏水状态；
40.具体的，在步骤s2中，多元酰氯为1,3,5-苯三甲酰氯(均苯三甲酰氯，tmc,纯度≥98％)，超支化pdms作为柔性基底和低表面能物质，构造了大量氢键活性位点，有助于构建
自修复性能，在链间氢键断裂后，在简单的处理后利用氢键自修复恢复；在超疏水涂层的基础上引入自修复功能，涂层受到损伤后可经过简单处理恢复到原始的超疏水状态，延长了涂层的使用寿命。
41.性能测试实验
42.超疏水性表面是指涂层表面与水的静态接触角大于150
°
且滚动角小于10
°
的表面，研究表明物质要具有超疏水性能，其表面须存在多级微纳结构或者低表面能物质。本实施例中，对喷涂超疏水层前后的滚刀进行性能测试，结果如下表：
[0043] 摩擦系数接触角表面粗糙度喷涂前0.387.5
°
1.6喷涂后0.1156.3
°
50
[0044]
通过上表以及可知，喷涂超疏水涂层后，接触角顿时150
°
属于超疏水性表面，从而能够大大的降低泥浆在铸造楔齿滚刀表面的粘附力，增加滚刀的施工性，并一定程度增加铸造楔齿滚刀的耐磨性。
[0045]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。