一种金属保护膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种金属保护膜及其制备方法 (Metal protective film and preparation method thereof ) 是由 孙大陟 刘源 李丹丹 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种金属保护膜及其制备方法。所述金属保护膜包括层叠的至少一层编织纤维,含浸所述编织纤维的基体树脂,以及分散在所述基体树脂中的石墨。所述金属保护膜是通过在金属基体上依次交替铺设编织纤维/树脂复合膜和涂布石墨分散液,然后抽真空、固化的方法制备得到。本发明提供的金属保护膜具有良好的抗冲击、耐磨性和耐久性,可以承受较大的外界冲击、摩擦作用而不发生变形、开裂,可用于齿轮、刹车板、车轨等工作强度较大且不易更换的金属部件的防护。(The invention provides a metal protective film and a preparation method thereof. The metal protective film includes at least one layer of laminated woven fibers, a matrix resin impregnated with the woven fibers, and graphite dispersed in the matrix resin. The metal protective film is prepared by alternately laying a woven fiber/resin composite film and coating graphite dispersion liquid on a metal matrix in sequence, and then vacuumizing and curing. The metal protective film provided by the invention has good impact resistance, wear resistance and durability, can bear larger external impact and friction without deformation and cracking, and can be used for protecting metal parts such as gears, brake plates and rails, which have higher working strength and are difficult to replace.)
技术领域
本发明属于金属防护技术领域，具体涉及一种金属保护膜及其制备方法。
背景技术
齿轮、刹车板、车轨等金属零件经常面临着较严峻的磨损问题，且特定的零件价格昂贵，制作成本高。为了提高金属零件的耐用性，很多零件表面都需要涂覆各种耐磨涂层来进行保护。由于此类金属零件的工作强度较大且承受的载荷变化较复杂，因此对涂层的强度、耐磨性等性能有较高要求。
CN 109722145A公开了一种汽车金属件高强度耐磨涂层，按重量份数计包括：改性醇酸树脂30-40份、聚氨酯改性氨基树脂20-30份、乙二醇***醋酸酯20-25份、二甲基硅氧烷10-15份、磷酸铵盐10-15份、蜡液8-10份、流平剂0.4-0.6份、成膜助剂4-6份和聚氨酯35-45份。该涂层具有制作成本低廉、强度高、耐磨效果好的优点。
CN 108485508A公开了一种金属件用耐磨抗腐蚀UV固化复合涂层的制备方法，其先通过粘度适中和稳定性好的聚酯树脂和纳米粉体混合，树脂用以提高纳米浆体的分散稳定性，以避免在研磨过程中因撞击产生的局部过热使树脂发生反应或黄变，并能提高纳米粉体相对含量；同时选择丙二醇甲醚醋酸酯作为溶剂，可以防止研磨过程中局部过热引起的溶剂挥发，同时分散剂，研磨和超声分散的配合使用提高涂层的稳定性；适当添加纳米填料，可以提高涂层耐磨性。
CN 109554014A公开了一种金属件用耐磨抗腐蚀UV固化复合涂层的制备方法，其将不可食用的可再生的油脂废料充分利用，合成制得的树脂具有UV固化和热固化特性；同时在热固化促进剂的作用下能够降低热固化温度，使得涂层固化的条件较低；添加改性金属铝粉、石墨粉及纳米碳酸钙能够增加涂层的耐腐蚀性能和耐磨性能。
上述文件均是通过在高分子基体中填充无机粉体的方法来制备耐磨涂层，虽然能够达到较高的耐磨性能，但由于此类涂层的主体是高分子材料，其内聚力有限，在齿轮、刹车板、车轨等的高强度工作环境中，很容易发生变形或开裂而失去保护作用，有待于改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种金属保护膜及其制备方法。所述金属保护膜具有良好的抗冲击、耐磨性和耐久性，可用于齿轮、刹车板、车轨等工作强度较大且不易更换的金属部件的防护。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种金属保护膜，所述金属保护膜包括层叠的至少一层编织纤维，含浸所述编织纤维的基体树脂，以及分散在所述基体树脂中的石墨。
需要说明的是，本发明中所述编织纤维是指采用纤维编织而成的纤维布材。
本发明提供的金属保护膜中，多层编织纤维对基体树脂起到加固、支撑作用，防止保护膜受力时产生变形和裂纹；基体树脂主要起粘结各组分，并承受摩擦的作用；石墨对基体树脂具有润滑作用，可以提高保护膜的耐磨性。这种结构的金属保护膜可以承受较大的冲击、摩擦应力，而不发生破坏，可用于齿轮、刹车板、车轨等工作强度较大的金属部件的防护。
作为本发明的优选技术方案，所述编织纤维的总质量与所述基体树脂的质量之比为(6-8):(2-4)；例如可以是8:2、7.8:2.2、7.5:2.5、7.2:2.8、7:3、6.8:3.2、6.5:3.5、6.2:3.8或6:4等。
若编织纤维的含量过少，基体树脂的含量过多，则得到的金属保护膜承受冲击、摩擦的能力较弱，工作时容易变形、产生裂纹，甚至被破坏；若编织纤维的含量过多，基体树脂的含量过少，得到的金属保护膜虽然抵抗变形、开裂的能力提升，但其基体树脂更易磨损失效。
作为本发明的优选技术方案，每一层所述编织纤维各自独立地为碳纤维布、玻璃纤维布或玄武岩纤维布。
由于本发明中编织纤维需要对基体树脂起到加固支撑作用，因此其材料更优选碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等硬质纤维，而非尼龙纤维、芳纶纤维等软质纤维。
作为本发明的优选技术方案，所述编织纤维的总厚度为0.7-1.2mm；例如可以是0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm、0.95mm、1mm、1.05mm、1.1mm、1.15mm或1.2mm等。
作为本发明的优选技术方案，所述基体树脂为环氧树脂或酚醛树脂，更优选为环氧树脂。
作为本发明的优选技术方案，所述金属保护膜表层的基体树脂的厚度为0.2-0.4mm；例如可以是0.2mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm或0.4mm等。
需要说明的是，本发明中所述“表层的基体树脂”是指从金属保护膜表面到最外侧一层编织纤维之间的基体树脂。本发明中金属保护膜的“外侧”、“表面”均是指金属保护膜远离所保护的金属基底的一侧。表层的基体树脂是金属保护膜用于承受摩擦的一面，若其厚度过低，则容易被磨穿导致金属保护膜失效；若其厚度过大，则会失去编织纤维的支撑作用，发生变形、开裂。
作为本发明的优选技术方案，所述石墨占所述编织纤维和基体树脂总质量的百分比为4-5％。
第二方面，本发明提供一种上述金属保护膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在金属基体表面铺设一层编织纤维/树脂复合膜，然后在所述编织纤维/树脂复合膜表面涂布一层石墨分散液，重复铺设编织纤维/树脂复合膜和涂布石墨分散液，直至预设层数，作为金属保护膜前体薄膜；
(2)将涂覆了脱模剂的聚合物薄膜覆盖在所述金属保护膜前体薄膜上，抽真空，将所述编织纤维/树脂复合膜中的部分树脂抽至所述金属保护膜前体薄膜表面，固化，去除所述涂覆了脱模剂的聚合物薄膜，得到金属保护膜。
需要说明的是，本发明中所述编织纤维/树脂复合膜是编织纤维含浸在树脂之中的薄膜。
作为本发明的优选技术方案，所述制备方法还包括：在步骤(1)之间，对所述金属基体进行表面清理。所述表面清理可以是除锈、除油脂、除污渍等。
优选地，步骤(1)中所述编织纤维为碳纤维布、玻璃纤维布或玄武岩纤维布。
优选地，步骤(1)中所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂。
优选地，步骤(1)中所述石墨分散液中石墨的浓度为20-40g/L；例如可以是20g/L、22g/L、25g/L、28g/L、30g/L、32g/L、35g/L、38g/L或40g/L等。
优选地，步骤(1)中所述石墨分散液的溶剂为丙酮。
作为本发明的优选技术方案，步骤(2)中所述聚合物薄膜为PET薄膜。
优选地，步骤(2)中所述抽真空的方法为：将覆盖聚合物薄膜的金属保护膜前体薄膜放置在玻璃板上，再在其上放置透气棉布；然后，使用真空密封胶与软质聚合物薄膜将样品密封在玻璃板和软质聚合物薄膜之间；最后，将真空泵的管子***密封区域并再次密封好，开始抽真空。
优选地，所述抽真空的真空度0.08-0.10MPa。
本发明中，下层的基体树脂并不直接承受摩擦，其含量能够保证编织纤维之间有效粘结即可，因此可以通过抽真空的方式将下层的基体树脂抽至表层，以增加表层基体树脂的厚度，降低成本。
优选地，步骤(2)中所述固化的方法为在120-135℃(例如可以是120℃、122℃、125℃、128℃、130℃、132℃或135℃等)下加热25-50min(例如可以是25min、28min、30min、32min、35min、38min、40min、42min、45min、48min或50min)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的金属保护膜中，多层编织纤维对基体树脂起到加固、支撑作用，防止保护膜受力时产生变形和裂纹；基体树脂主要起粘结各组分，并承受摩擦的作用；石墨对基体树脂具有润滑作用，可以提高保护膜的耐磨性。本发明设计的这种结构的金属保护膜的冲击强度达到40J·m2/kg以上，在2m/s速度和30N载荷下摩擦1000m后，磨损体积为(0.3-0.6)×103mm3，维氏(HV)硬度为21-25，且在冲击、摩擦作用下，不发生变形、开裂现象，可用于齿轮、刹车板、车轨等工作强度较大的金属部件的防护。
附图说明
图1为本发明实施例提供的金属保护膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明实施例中采用的原料来源如下：
碳纤维布/环氧树脂复合膜：鲁晨新材公司的快速固化预浸料C6442P1-200，碳纤维与环氧树脂的质量比为6:4，碳纤维布的厚度为0.8mm，环氧树脂厚度为0.2mm；
玻璃纤维布/环氧树脂复合膜：鲁晨新材公司的快速固化预浸料G6433P1-200，玻璃纤维与环氧树脂的质量比为6.5:3.5，玻璃纤维布的厚度为0.75mm，环氧树脂厚度为0.25mm；
玄武岩纤维布/环氧树脂复合膜：鲁晨新材公司的快速固化预浸料B6433P1-200，玄武岩纤维与环氧树脂的质量比为6.5:3.5，玄武岩纤维布的厚度为0.8mm，环氧树脂厚度为0.2mm。
实施例1
本实施例提供一种金属保护膜，如图1所示，包括层叠的至少一层编织纤维，含浸所述编织纤维的基体树脂，以及分散在所述基体树脂中的石墨。
本实施例中金属保护膜的制备方法如下：
(1)取不锈钢基体，对其表面进行除锈、除油脂和除污渍处理；
(2)在步骤(1)处理后的不锈钢基体表面铺设一层玻璃纤维布/环氧树脂复合膜；
(3)将石墨(粒径10μm)分散于丙酮中，超声震荡30min，形成40g/L的石墨分散液，在步骤(2)铺设的玻璃纤维布/环氧树脂复合膜上喷涂10mL石墨分散液，干燥后再次铺设玻璃纤维布/环氧树脂复合膜和喷涂石墨分散液，重复上述步骤，共铺设5层玻璃纤维布/环氧树脂复合膜，作为金属保护膜前体薄膜；
(4)在PET薄膜上喷涂一层脱模剂，干燥后覆盖在步骤(3)得到的金属保护膜前体薄膜上，将覆盖聚合物薄膜的金属保护膜前体薄膜放置在玻璃板上，再在其上放置透气棉布；然后，使用真空密封胶与软质聚合物薄膜将样品密封在玻璃板和软质聚合物薄膜之间；最后，将真空泵的管子***密封区域并再次密封好，抽真空至真空度为0.1MPa，将玻璃纤维布/环氧树脂复合膜中的部分环氧树脂抽至金属保护膜前体薄膜表面，然后在120℃下加热固化50min，去除PET薄膜，得到金属保护膜(厚度为1mm)。
实施例2
本实施例提供一种金属保护膜，其制备方法与实施例1的区别在于，将玻璃纤维布/环氧树脂复合膜替换为碳纤维布/环氧树脂复合膜，且碳纤维布/环氧树脂复合膜铺设的层数为4层。
实施例3
本实施例提供一种金属保护膜，其制备方法与实施例1的区别在于，将玻璃纤维布/环氧树脂复合膜替换为玄武岩纤维布/环氧树脂复合膜，且玄武岩纤维布/环氧树脂复合膜铺设的层数为6层。
实施例4
本实施例提供一种金属保护膜，其制备方法与实施例1的区别在于，玻璃纤维布/环氧树脂复合膜铺设的层数为2层。
对比例1
以环氧树脂涂层作为对比，在除锈、除油脂和除污渍处理后的不锈钢基体表面直接涂布一层环氧树脂(与玻璃纤维布/环氧树脂复合膜中的环氧树脂种类相同)，喷涂一层石墨分散液，然后在120℃下加热固化50min，形成环氧树脂涂层(厚度0.2mm)。
性能测试：
对上述实施例1-4提供的金属保护膜和对比例1提供的环氧树脂涂层的耐磨性、抗冲击性、硬度进行测试，测试方法如下：
冲击性能测试：将未附着在金属上的保护膜样品固定在靶子上，通过气控高速发射装置发射钢弹对其进行冲击性能测试，并通过测量子弹初速和末速来计算其抗冲击性能指数。
耐磨性测试：将完整样品固定在MET-5000多功能摩擦磨损仪器的夹具上，设置好2m/s速度和30N载荷摩擦1000m后，将样品取出，通过3D轮廓仪来拍摄并计算其磨损体积，并通过SEM观测其摩擦表面形貌。
维氏(HV)硬度测试：将完整样品固定在维式硬度仪样品台上，将相对面夹角为136°的方锥形金刚石用0.98N的力压入金属保护膜表面，保持30s后，测量压痕对角线长度，再按如下公式来计算硬度的大小：
其中，F为压力的大小，α为相对面夹角，d为压痕对角线长度。
上述性能的测试结果如下表1所示：
表1
由表1的测试结果可以看出，与不含编织纤维的环氧树脂涂层相比，本发明提供的金属保护膜明显具有更好的抗冲击和耐磨性，可用于齿轮、刹车板、车轨等工作强度较大的金属部件的防护。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。