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滑板作为滑动水口中控制钢水流量的滑动部件,在使用过程中滑板接触面因频繁摩擦而磨损,滑动动作的灵活程度及滑板的抗侵蚀能力降低。国外在20世纪80年代就开展了滑板润滑涂料的研究工作。例如,日本大新化工株式会社研制的DSS滑板润滑涂料可以使滑板表面光滑平整,减小滑板接触面的摩擦力,并且提高其防粘渣性能[1-3],从而使滑板获得更优的使用性能和更长的使用寿命。但是,国外对滑板润滑涂料的配方和生产工艺严格保密,进口涂料的价格非常昂贵。为此,国内也开展了这方面的研究,例如,欧阳德刚[4]等以天然鳞片石墨、膨润土、水溶性分散剂、硅溶胶、水溶性聚丙烯酸树脂或聚氨酯乳胶、三乙醇胺、碳化硅微粉和氧化铝微粉等为原料制备的滑板润滑剂,可以将滑板寿命提高1次。但是,由于所采用的天然鳞片石墨的抗氧化性能差,该涂料对滑板的保护能力有限。此外,石墨的表面张力小,大面积无缺陷,其表面还存在一定量的挥发性有机物,因此呈现出强疏水性[5],很难在水中将其分散开。在本工作中,通过在石墨表面包覆一层金属铜层,拟提高石墨的亲水性,并提高其抗氧化性,以提高润滑涂料对滑板的保护能力。

1·试验

1.1原料与仪器

试验用石墨为上海一帆石墨有限公司提供的石墨粉,平均粒度为2μm,纯度(w)大于99.2%。采用的分散介质为饮用纯净水。采用的其他原料有羧甲基纤维素钠(CMC)、锂基膨润土、硫酸铜、锌粉(1000目,10μm)、无水乙醇,并且均为化学纯的化学试剂。羧甲基纤维素钠(CMC)不仅可以赋予涂料一定的黏度,而且本身对于石墨具有较好的分散性,因此本试验选用CMC作为涂料的增稠剂和分散剂。锂基膨润土是采用天然膨润土经碳酸锂改性而成的,既具有钠基膨润土浸水水化膨胀的特性,又具有有机膨润土在水和极性有机溶剂(如乙醇)中均能溶解成胶体或充分溶胀的特性,使涂料黏度增大,并在基料粒子表面形成溶剂化薄膜及立体网络结构,以支撑和阻止颗粒下沉,提高水基涂料的稳定性。试验用仪器设备包括:行星式球磨机、强力搅拌机、721型可见分光光度计、高速离心机、扫描电子显微镜、数码相机。

1.2试验过程

1.2.1铜包石墨粉的制备

在烧杯中将一定量的硫酸铜用一定量的纯净水配制成一定浓度的硫酸铜水溶液,然后加入一定量的石墨粉,采用强力搅拌机充分搅拌均匀。按照反应方程式CuSO4+ZnCu+ZnSO4的化学计量比称取一定量的金属锌粉,分次加入到硫酸铜-石墨的水系浆料中,并采用强力搅拌机以200r·min-1的速度搅拌(搅拌头为聚四氟乙烯材质),金属锌粉与硫酸铜反应生成的金属铜包覆在石墨颗粒表面。通过控制硫酸铜与石墨的加入比例,可以得到铜含量(质量分数)分别为44%、47%、49%、52%和57%的铜包石墨粉。采用抽滤的方法将铜包石墨粉分离出来,用纯净水洗涤5次,再用无水乙醇洗涤2次,然后在烘箱中于70℃烘干24h,获得铜包石墨粉。

1.2.2涂料的制备

分别以未包铜石墨粉和铜包石墨粉为原料,以纯净水为分散介质,以羧甲基纤维素钠(CMC)为增稠剂,以锂基膨润土为悬浮剂,在行星式球磨机(球磨罐为自行加工的尼龙球磨罐,磨球为10mm的玛瑙球)中以200r·min-1的速度混合30min,制成固相(未包铜石墨或铜包石墨)质量分数分别为10%和30%的涂料。

1.2.3性能表征

采用JEM21200EX型扫描电子显微镜观察未包铜石墨和铜包石墨的形貌。

在离心管中分别加入一定量的未包铜石墨涂料和铜含量(质量分数)分别为44%、47%、49%、52%和57%的铜包石墨涂料,用高速离心机以3000r·min-1的速度离心1min,然后采用721型分光光度计测定离心管上部液体的吸光度。

采用NDJ-型数字黏度计测定涂料在不同切变速率(6、12、30、60r·min-1)下的表观黏度。将未包铜石墨涂料、铜包石墨涂料和国产的某市售涂料刷涂在玻璃板表面,在温度为10℃,相对湿度约55%的环境条件下分别干燥30、60、90min后,观察涂层的干燥情况,并以数码相机拍照记录。

将未包铜石墨涂料、铜包石墨涂料和国产的某市售涂料刷涂在陶瓷基片上,干燥后置于马弗炉内,分别于700、800和900℃保温1h,冷却后测定涂层的质量损失率。

2结果与讨论

2.1未包铜石墨和铜包石墨的形貌

未包铜石墨和w(Cu)=52%的铜包石墨颗粒的SEM照片见图1。可以看出:未包铜石墨颗粒呈透明状,而铜包石墨颗粒则呈现不透明状;铜包石墨颗粒表面所包敷的铜是由许多细小铜颗粒堆积而成的,表明铜层的结构较为疏松,这也是化学置换法制备金属包敷无机颗粒的特点[6]。