材料的摩擦与磨损是现实生活中一种普遍存在的现象,摩擦会引起能量转换和损耗,磨损则导致材料表面的损坏,缩短使用寿命。因此,为提高材料的使用效率和寿命,节约能源,控制及降低材料的摩擦与磨损显得愈加重要[1]。降低材料摩擦系数最常用的方法是在材料表面涂覆粘结型高分子润滑涂层,即以高分子粘结剂为载体,将一种或多种润滑剂粘附在材料表面[2]。聚乙烯蜡具有良好的润滑性和分散性[3],作为润滑剂添加到涂层中,成膜时析出并以细微颗粒浮在涂层表面, 起到纹理、消光及滑爽抗划伤的作用[4]。同样,在涂层中加入聚二甲基硅氧烷(PDMS)也可改善涂层的基本性能[5,6,7]。这是因为PDMS具有低表面能(2.1×10-4~2.2×10-4 N/cm)和低溶度参数7.5(cal/cm3 [8,9],和大多聚合物表现出热力学不相容性,且其热稳定性优异[10,11],低温时仍具有良好的柔韧性。
1 实验部分
1.1 实验原料
水性聚氨酯(WPU):固含量20%,自制;聚乙烯蜡水性乳液:固含量40%, PE1粒径0.08 μm,PE2粒径0.3~5 μm,PE3粒径7 μm,PE4粒径>7 μm,国药集团化学试剂有限公司;有机硅:DC51,道康宁公司。
1.2 聚氨酯共混乳液的制备
在水性聚氨酯乳液中加入不同规格的聚乙烯蜡或有机硅,采用超声分散方法制备聚氨酯/聚乙烯蜡、聚氨酯/有机硅的共混溶液,样品配比与编号如表1所示。在样品UW4-3的基础上添加不同量的有机硅,制备了聚氨酯/聚乙烯蜡/有机硅的共混溶液。
Table 1 Raw material ratio of coating samples |
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1.3 涂层的制备
采用浸渍法将上述共混液涂于高强度PET纤维织造的平纹布上,用于涂层摩擦系数的测定。采用刮涂法将上述共混液涂于PET薄膜上,用于其他性能表征。涂有共混液的基材室温下放置20 min后,放于95 ℃的恒温烘箱中固化15 min,得到聚氨酯复合涂层。
1.4 涂层性能测试与表征
(1)场发射扫描电镜(SEM)观察:采用日本日立公司(Hitachi)的SU-8010型场发射扫描电子显微镜观察涂层表面的形貌结构,加速电压为1 kV。
(2)涂层表面的粗糙度观察:采用美国Veeco公司的WYKO NT9100型光学轮廓仪观察涂层表面的三维轮廓。
(3)摩擦系数测定:采用济南辰驰试验仪器有限公司的MXD-02型摩擦系数仪测定聚氨酯复合涂层的摩擦系数。如无特别说明,载质量设定为200 g,行程70 mm,滑速为100 mm/min,每个涂层测试5次,取平均值。
(4)接触角测试:采用德国dataphysics公司的OCA40 Micro全自动视频微观接触角测量仪常温下测定聚氨酯复合涂层的水接触角。水滴体积为3 μL,记录水滴在涂层上的动态接触角(DCA),每隔10 s测1次,测试时间为3 min。
(5)DSC测试:采用美国沃特世科技有限公司的TA-Q20型差示扫描量热仪测定。氮气保护,升温速率为10 ℃/min。
(6)涂层的硬度测试:采用华国精密仪器有限公司的QHQ-A型漆膜铅笔法硬度计按GB/T 6739—2006测定涂层的硬度。
(7)涂层的附着力测试:按照GB/T 9286—1998测定。
2 结果与讨论
2.1 聚乙烯蜡粒径及含量对涂层表面形貌的影响
图1为含有不同粒径及含量的聚乙烯蜡的聚氨酯/聚乙烯蜡涂层表面的SEM照片。
2.2 有机硅含量对涂层表面形貌的影响
图2为进一步添加不同含量有机硅的聚氨酯涂层表面的SEM图。
从图2可看到,加入少量有机硅的涂层表面平整光滑,这是因为有机硅具有较低的表面能,容易富集在涂层表面,使形成的涂层更加饱满。而随着有机硅含量进一步增多,聚乙烯蜡粒子在涂层表面分布更多更密集。
2.3 聚乙烯蜡粒径及含量对涂层表面粗糙度的影响
图3为含有不同粒径及含量的聚乙烯蜡的聚氨酯/聚乙烯蜡复合涂层的表面轮廓图(左为涂层,右为基底)。
2.4 有机硅含量对涂层表面粗糙度的影响
图4为进一步添加不同含量有机硅的聚氨酯涂层的表面轮廓图。
2.5 涂层摩擦系数测试分析
图5 聚乙烯蜡粒径及含量对涂层摩擦系数的影响Fig.5 Effects of polyethylene wax size and content on the friction coefficient of coating |
图6 有机硅含量对涂层摩擦系数的影响Fig.6 Effects of silicone content on the friction coefficient of coating |
图6为有机硅含量对聚氨酯/有机硅复合涂层和聚氨酯/聚乙烯蜡/有机硅复合涂层摩擦系数的影响。可以看到,随着有机硅含量的增多,涂层的摩擦系数先降低、后增大、然后趋于平缓。在实验设计的比例中,有机硅含量为0.6%时,涂层的摩擦系数最低。有机硅的内聚能较低,易在涂层表面富集,降低涂层的摩擦系数。但当其含量进一步增多时,涂层内部也存在有机硅并起到增塑剂的作用,使涂层在外力作用下易发生塑性形变[16],反而使摩擦系数增大。从图中还可以看到,聚乙烯蜡和有机硅2种润滑剂具有一定的协同作用,同时使用可导致涂层的摩擦系数较进一步降低。这是由于有机硅与聚乙烯蜡相互作用,使涂层表面富集更多的聚乙烯蜡[图4(b)],使涂层的摩擦系数更小。同时从图7中还可以看到,涂层循环摩擦40次后,3种涂层的摩擦系数基本保持在0.01的范围内波动,说明涂层的摩擦性能在测试范围内具有一定的稳定性。
2.6 涂层接触角测试分析
图8为涂层水接触角随时间变化的曲线,其中,(a)、(b)分别为样品US和UWS系列的涂层水接触角。
2.7 涂层热性能分析
图9为不同涂层的DSC曲线,其中,(a)、(b)分别为不同聚乙烯蜡含量和不同有机硅含量的涂层DSC升温曲线,(c)为聚乙烯蜡的DSC升温曲线。
2.8 涂层的硬度及附着力分析
2.8.1 聚乙烯蜡含量对涂层硬度及附着力的影响
表2为聚乙烯蜡含量对涂层硬度及附着力的影响。
Table 2 Effect of polyethylene wax content on the hardness and adhesion of coatings |
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从表2可以看到,随着聚乙烯蜡含量的增多,涂层的硬度增大,附着力稍有降低。因为聚乙烯蜡是长链烷烃结构,本身质脆,硬度大,在共混溶液成膜后,聚乙烯蜡粒子浮在涂层表面,导致涂层的硬度增加。同时由于聚乙烯蜡是非极性聚合物,相比于聚氨酯和基底PET的作用力更弱,因此,在一定程度上增加聚乙烯蜡的含量会降低复合涂层与基底的附着力。
2.8.2 有机硅含量对涂层硬度及附着力的影响
表3为有机硅含量对涂层硬度及附着力的影响。
Table 3 Effect of silicone content on the hardness and adhesion of coating |
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从表3可以看出,随着有机硅含量的增多,涂层的硬度有所下降,而附着力几乎不变。这是因为有机硅和聚氨酯的溶度参数相差很大,存在微相分离现象,有机硅含量越多其分布在涂层表面越多,在涂层表面形成一层有机硅薄膜。而有机硅分子柔性好,易运动,所以涂层表面的硬度会降低,也正是有机硅在涂层表面富集,对涂层与基体的附着力影响不大。
3 结 语
(1)在聚氨酯中加入少量的聚乙烯蜡可明显降低涂层的摩擦系数,且随着聚乙烯蜡含量的增多,涂层的摩擦系数先减小后增大,其含量为1%~3%时对涂层的润滑效果最好,聚乙烯蜡粒径越小对降低涂层摩擦系数越有利。
(2)加入少量的有机硅可明显降低涂层的摩擦系数,其含量为0.6%时,涂层摩擦系数最低。
(3)同时加入聚乙烯蜡和有机硅,二者可对涂层的润滑效果起到协同作用,且润滑效果较稳定,同时对涂层的热性能、硬度、附着力等性能几乎没有影响。