环氧复合材料在水运输领域，如何提升船舶防腐性，以降低货物损耗

腐蚀破坏和水磨料磨损是机器零件和输水机构运行中的一个严重问题，因此开发具有改进性能的新型复合材料，以提高船舶运输的可靠性势在必行。

鉴此，我们将通过使用耐腐蚀研究方法，以及将样品浸入水和10%硫酸溶液的方法，来优化填料的含量，以获得能增强操作特性的环氧复合材料，以及基于它们的保护涂层。

而开发环氧复合材料除了能够优化船舶的防腐性外，还有助于降低工程结构材料的损耗成本，这对于整个行业和任何地区的发展都具有重要意义。

一、材料及涂层气体磨料磨损测试

通过将样品浸入水和10%硫酸溶液中，来测定保护涂层的耐腐蚀性。我们先将尺寸为60×10×10 mm的样品暴露在腐蚀性介质中，条件为T= 20±2°C，持续时间150 天。

聚合物的耐腐蚀性也通过将样品浸入工业水的方法测定。

我们将尺寸为60×10×10mm的样品暴露在腐蚀性环境下，条件为720 小时，T= 293±2 K。

实验全程都根据 ISO 9352标准来研究样品的耐磨性，我们根据标准可知样品参数为(100 × 100 × 3) ± 0.5 mm，且磨损期间的滑动速度为0.28m/s。

在评估磨损时，同时也要在摩擦路径的标准长度下，考虑磨损材料的质量。

我们在XJL-17AT 金相显微镜上研究摩擦后 CM 的结构，接着用使用 LEO EVO 50 扫描电子显微镜研究表面的结构和微浮雕。

在调查环氧材料的物理机械性能时，观察到数值与标称值的偏差在5%以内。

而在研究环氧材料的耐腐蚀性和耐水磨料磨损性时，观察到数值与标称值的偏差在 4-6% 以内。

至于如何形成环氧复合材料，就必须采用材料成型技术。

首先，将树脂加热至T= 353±2K的温度，然后在此温度下保持τ= 20 ±0.1 min的时间。

在时间τ=1.5±0.1分钟期间，对组合物进行超声处理（UST）。随着时间τ=60±5分钟，将组合物冷却至室温。τ= 5±0.1分钟时，就引入固化剂并混合组合物。

随着颗粒含量的进一步增加，我们观察到冲击回弹性指标的恶化。

这是聚合物基体中填料聚集的结果，这会对材料的物理和机械性能产生负面影响。

因此，我们在改性环氧基体中引入上述含量的双组分多分散填料，以改善运输工具元件修复过程中的操作特性。

二、聚合物CM耐腐蚀性能研究结果

该行业的发展为创造具有增强综合体操作特性的新材料创造了条件，同时，防护复合涂层的防腐性能以及成品的耐磨性也非常重要。

在这种情况下，使用环氧基聚合物CC是有效的。

此类材料的特点是具有改进的热物理、物理机械和粘合性能以及较小的残余应力。

在组合物形成的初始阶段，对在临界含量下引入不同活性、分散性和性质的成分的技术方法的预测控制，将允许形成具有改进的防腐性能的保护涂层。

对涉及环氧CM性能研究方向的研究表明，需要在粘合剂中引入增塑剂、改性剂和填料以获得具有增强操作特性的环氧聚合物。

事实证明，在粘合剂中引入改性剂和分散颗粒，即使是少量，也能确保CM结构化过程中物理化学过程速度的变化。

此外，颗粒的含量和分散性，在调节环氧CM的交联过程中也很重要。

考虑到这一点，我们测试了五种防腐涂料成分，以确定纳米和微米分散填料的性质对环氧CM的防腐性能的影响是有利的：

基质（对照样品）（基质使用以下组分比例形成：环氧低聚物ED-20与硬化剂PEPA：100:10）；

CM 1（复合材料根据以下组分比例形成：基质与纳米粉末，它是纳米分散化合物（MNDC）（30-90 nm）与铁鳞（IS）（60-63 μm）与  的混合物(WT) (8–12 μm): 100:0.25:70:10)；

CM 2 (复合材料按照以下组分比例形成：粘合剂:MNDC:IS:WT:100:0.25:60:20)；

CM 3（复合材料按照以下组分比例形成：粘合剂：MNDC：IS： S-2000（AC）（8-12μm）：100：0.25：60：30）；

CM 4（根据以下组分比例形成复合材料：粘合剂：MNDC：IS：AC：100：0.25：70：20）。

实验表明，环氧复合材料的吸水性很大程度上取决于涂层的性质和内聚强度。

结果发现，铁渣和颗粒填充的复合材料防水性最强，铁渣颗粒和 S-2000的复合材料具有显着的吸水性。

在研究的初始阶段（长达 150 天），无一例外地观察到所有保护涂层的强烈膨胀。

在现阶段的研究中，防护涂层的相对质量为χ= 0.5–1.2%。

我们认为，所获得的结果是因为侵蚀性环境的分子强烈渗透到聚合物体积中，而且还渗透到金属基底中。

同时，“聚合物-基底”连接被“环境-基底”取代，在这种紧张状态下的粘合最终会破裂，形成微裂纹，因为根据  楔入效应，渗透裂纹的侵蚀性环境会导致其进一步发展。

与所研究的保护涂层相比，原始环氧树脂基体的粘合强度和内聚强度指标最低，并且残余应力显着。

由于初始阶段侵蚀性环境渗透到聚合物体积中，随后根据再粘合剂效应发生膨胀，形成微裂纹，然后形成宏观裂纹网络。

这反过来又导致肿胀过程的加剧，这主要是在研究的时间t = 50-100 天期间观察到的。

对研究结果的进一步分析使我们能够指出，在研究的t= 150–300 天期间，样品的相对质量 (CC 1–CC 4) 实际上没有变化。

然而，在本研究期间，原始环氧树脂基体样品的相对质量从χ= 1.8增加到χ 1.9%。

这表明侵蚀性环境继续渗透到聚合物中，导致化学键进一步破坏，从而导致涂层从基材上剥落。

对所研究的复合材料 (CC 1–CC 4) 在自然条件下的侵蚀性环境影响下的行为进行比较分析，使我们能够指出，水扩散到聚合物复合材料中的速率主要由“聚合物”处的扩散决定。

先前已研究，CC1 和CC3 材料在所有研究的材料中具有最佳的粘合和内聚强度指标。

在研究时间t= 250-300 天期间，这种涂层在自然条件下的渗透性为χ= 0.5%，比环氧基体的类似指标低 3.6 倍。

这是由于所开发的涂层对金属基底的内聚力和粘合强度增加，这对于形成具有改进的防腐性能的粘合剂是决定性的。

因此，为了证实上述结果，我们在以下环境中测试了复合材料的渗透性：汽油、丙酮、NaOH（50％）、I-20A润滑剂和H 2 SO 4 （10 ％）。

实验研究结果表明，基于环氧粘合剂的材料在各种侵蚀性环境中具有高化学稳定性。

这是由于聚合物在酸性溶液中吸附了侵蚀性环境的成分，导致基体发生显着破坏，同时基体结构发生变化，物理化学键被破坏。

并且由于分散的颗粒产生的屏障效应，腐蚀剂分子在扩散到金属基底期间的渗透路径增加。

事实证明，铁渣颗粒和  颗粒，在最佳含量形成的环氧涂层相对增加。

这是由于“聚合物-填料”相分离边界处的内聚相互作用，这显着影响了CC的防护性能。

分散颗粒对涂层体积中聚合物的低粘附力会降低粘合剂的保护性能，因为会形成裂纹网络，而在大多数情况下，裂纹网络与侵蚀性环境的移动效应有关。

三、用于运输设备零件维修的保护性环氧复合涂料

在下一阶段，我们研究了所开发材料在水力磨损作用下的耐磨性。

通过对所研究的CM在水磨料混合物攻角å= 45°下的耐磨系数进行分析，我们可以得出结论：所有样品的耐磨性都相对较高，无一例外。

实验表明，在所有研究的复合材料中，初始环氧树脂基体的耐磨系数最低。

而填充铁渣颗粒和 （CC 1、CC 2）的复合材料的特点是耐磨性指标稍差，经研究，当水力磨料的攻角å= 45°时，其耐磨性相对于基体从K= 1.32增加到K= 1.54–1.68。

同时，用磨料混合物敲击涂层表面的过程，是易碎的异质聚合物复合材料磨损的典型情况。

在这种情况下，接触表面上出现凹槽，其方向与水力磨料流的滑动速度矢量方向一致。

大多数情况下，与环氧树脂基体中占主导地位的塑性变形机制相比，这种机制对活化过程的贡献微不足道。

当实施这种触发机制时，单个磨料颗粒在压力的影响下被楔入CM的表面层，使环氧树脂基体发生塑性变形。

从而形成压缩变形区域（接触区域前面）和拉伸变形区域（接触区域后面），最终导致形成不同尺寸的微裂纹。

在水磨料流切向力的影响下，磨料颗粒与部分聚合物一起从材料表面去除。

由于随后的活化，含有分散颗粒的聚合物复合材料的多次变形，导致环氧复合材料的疲劳和局部去除。

同时，预期出现了垂直于水力磨料混合物的运动速度方向取向的宏观裂纹。

因此，我们可以确定保护涂层填充，有纳米分散化合物(30–90 nm) (q= 0.25wt%)、铁垢 (60–63μm) (q= 60 wt%) 和-2000 (8–12μm)。

该涂层在水磨蚀作用下的耐磨系数为K=1.75，是环氧基体同类指标的1.3倍。

结果表明，材料的磨损机理是由复合材料表面的物理机械过程决定的，其决定因素是磨料混合物击落涂层表面微粒并形成磨料的过程。

与此同时，CM的抗水力磨料磨损系数指标不断提高，这进一步证实了上述说法。

通过耐水力磨损比较测试，我们可以得出结论，所开发的材料和防护涂层具有高操作特性，且使用新型复合材料修复设备的可行性，而上述材料与用途都能很好地运用于海上和河流运输领域。

四、结论

我们研究了一种解决重要科学和技术问题的新方法，其中包括开发填充有纳米和微米分散颗粒的改性保护涂层，该涂层具有增强的操作特性，可解决海上等水运输问题。

由于纳米分散化合物、铁垢和沃尔特罗普的混合物的复杂作用，我们通过数学规划实验的方法，优化了环氧粘合剂中不同物理和化学性质的添加剂含量，以获得具有改进操作特性的保护涂层。

与其他研究材料相比，它们的深度并不那么深，长度也明显较短。

在环氧复合材料中，由于环氧基体内聚性能的增强，能够使材料本身的耐磨性提高，并增加耐磨系数。

因此，相比起其他材料而言，环氧复合材料能够在提升水运船舶的耐蚀性方面发挥作用，进而减少船舶工程结构材料的损耗开销，降低货物损失。

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