近年來， 關(guān)于聚合物涂膜耐磨性能的研究引起了人們的重視。聚氨酯樹脂作為涂料中最常用的成膜材料之一， 在建筑、家具、汽車、印刷、紡織、皮革、塑料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。水性聚氨酯以水作為分散介質(zhì)， 取代了傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑， 具有不污染、運(yùn)輸安全、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)， 但存在耐水性、耐溶劑性、力學(xué)性能、耐磨性等不佳的缺點(diǎn)。在一些對涂膜耐磨性有較高要求的領(lǐng)域， 水性聚氨酯的耐磨性能還難以達(dá)到使用的要求。

      涂膜的耐磨性( abrasion resistance) 定義為涂膜對摩擦機(jī)械作用的抵抗能力， 它是涂膜硬度、附著力和內(nèi)聚力等綜合效應(yīng)的體現(xiàn)。目前提高聚合物涂膜的耐磨性主要有兩種方法:一是通過引入高硬度的無機(jī)粒子， 提高涂膜表面的硬度和聚合物分子間的相互作用， 降低摩擦過程中涂膜的質(zhì)量損耗; 二是通過引入( 具有低摩擦系數(shù)的材料， 減小涂膜表面的摩擦系數(shù)， 降低摩擦過程中涂膜的質(zhì)量損耗。認(rèn)為在聚氨酯中添加有機(jī)蠟、有機(jī)硅、含氟材料、無機(jī)粒子均可改善聚氨酯涂膜的耐磨性能?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多研究的是溶劑型聚氨酯添加合成蠟及無機(jī)粒子得到涂膜的耐磨性能， 而對水性聚氨酯涂膜耐磨性的研究鮮見報(bào)道。

      分別選用蠟乳液、硅酮乳液、聚四氟乙烯乳液和 WPU /SiO2 雜化分散液作為助劑， 將助劑按不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水性聚氨酯乳液混合得到復(fù)配的混合乳液涂膜， 考察了助劑的種類和用量對水性聚氨酯涂膜耐磨性的影響， 以期對皮革、紡織、造紙等涂層的研究和應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分 

1． 1 主要原料

      蠟乳液， 固質(zhì)量分?jǐn)?shù) 38% ， 硅酮乳液， 固質(zhì)量分?jǐn)?shù) 35% ， 聚四氟乙烯乳液， 固質(zhì)量分?jǐn)?shù) 60% ，  WPU / SiO2 雜化分 散液WPUS-A 與 WPUS-B ( 基本參數(shù)如表 1 所示) ， 實(shí)驗(yàn)室采用溶膠凝膠法制 備; 水性聚氨酯乳液 JK-702， 固質(zhì)量分?jǐn)?shù) 38% ， 美 國 QUAKER COLOR公司。

1． 2 涂膜的制備

      分別將蠟乳液、硅酮乳液、聚四氟乙烯乳液、WPUS-A、WPUS-B 與水性聚氨酯乳液混合， 用玻璃棒攪拌均勻， 其中混合乳液中助劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)( 以固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)) 分別為 2% 、4% 、6% 、8% 、10% 。將混合后的乳液均勻涂覆于尺寸為 120 mm × 120mm 的玻璃模具中， 室溫下放置至膜表干， 放入烘箱中 105 ℃ 烘 3 h， 得到涂膜。水性聚氨酯乳液按同樣方法制得空白涂膜， 用于測試對比。

1． 3 涂膜耐磨性測試

      耐磨性: 采用 GT-7012-T 型 Taber 耐磨耗試驗(yàn)儀， 按 GB /T 1768-2006( 等采用 ISO7784-2∶ 1997) 測定涂膜的磨損量，樣品尺寸為 Φ100 mm， 磨損用橡膠砂輪為 C-10 橡膠輪， 負(fù)荷為 250 g， 每個樣品測試的轉(zhuǎn)數(shù)為 1000轉(zhuǎn)。耐磨性以膠膜在一定負(fù)載和轉(zhuǎn)速下的質(zhì)量磨損率來表示， 磨損率( S) 按如下公式計(jì)算:

      S =M0－ M/M0× 100%

      其中， M0 和 M 分別為測試前和測試后涂膜的質(zhì)量( g， 精確到 0. 0001 g) 。

2 結(jié)果與討論

2． 1 蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 1 為蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性的影響。從圖 1 可以看出， 純聚氨酯涂膜的磨損率 為1. 96% ， 加入 2% 蠟乳液后， 涂膜的磨損率減小到0. 04% ， 耐磨性能大大提高; 隨著蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大， 涂膜的磨損率逐漸增加， 當(dāng)蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 時， 涂膜的磨損率達(dá)到 0. 5% ， 但仍然遠(yuǎn)低于純聚氨酯涂膜的磨損率。這是由于兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果， 即一方面蠟具有較低的摩擦系數(shù)， 在成膜過程中， 蠟會逐漸向涂膜的表層遷移， 形成致密的薄膜， 在摩擦過程中起到減摩抗磨的作用， 因而加入蠟乳液后， 涂膜的耐磨性提高。但另一方面， 蠟是一種內(nèi)聚力較強(qiáng)的疏水性物質(zhì)， 與極性的聚氨酯相容性較差， 當(dāng)蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時， 遷移到涂膜表面的蠟易于在摩擦過程產(chǎn)生磨損， 因而耐磨性有所下降。

2． 2 硅酮乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 2 為硅酮乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性的影響。從圖 2 中可以看出， 加入硅酮乳液后， 涂膜的磨損率大大降低， 當(dāng)硅酮乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 2% 時， 涂膜具有最小的磨損率 0. 21% ; 隨著硅酮乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高， 涂膜的磨損率有所增大。但總的來說， 與純聚氨酯涂膜相比， 硅酮乳液的加入能夠大大提高涂膜的耐磨性。這是由于硅酮的表面張力較小， 能夠降低涂膜表面的摩擦系數(shù)， 因而減摩抗磨性能提高; 但硅酮和聚氨酯樹脂的相容性不好， 低表面張力的硅酮會向涂膜表面遷移， 當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時， 涂膜表面的硅酮導(dǎo)致摩擦過程中磨損量增加。

2． 3 聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 3 為聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性影響。從圖 3 中可以看出， 加入聚四氟乙烯乳液后，改性聚氨酯涂膜的磨損率減小， 當(dāng)聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6% 時， 涂膜具有最小的磨損率 0．75% ， 但當(dāng)聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到 10%時， 涂膜的磨損率增大到 0． 82% ， 但仍然遠(yuǎn)低于純聚氨酯涂膜的磨損率。聚四氟乙烯表面自由能很小， 其與聚氨酯樹脂的表面能差異太大而不能很好地相容， 易向涂膜的表面遷移。加入聚四氟乙烯乳液后， 具有低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯遷移到涂膜表面， 能夠在摩擦過程中起到減摩抗磨的作用。同時， 非極性聚四氟乙烯剛性較差， 且與聚氨酯的相容性不佳， 當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時， 過多遷移到涂膜表面的聚四氟乙烯容易在摩擦過程中被磨損， 因而耐磨性有所下降。

2． 4 WPU /SiO2 納米雜化分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 4 為 WPUS-A 和 WPUS-B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂膜耐磨性的影響。從圖 4 中可以看出， 加入 WPUS-A 和WPUS-B 后， 涂膜的磨損率大大降低; 且隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加， 涂膜的磨損率進(jìn)一步下降， 當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 時， 涂膜的磨損率達(dá)到最低， 分別為 0．14% 和 0． 20% 。這是由于樹脂基體在摩擦過程中，容易產(chǎn)生粘著磨損， 形成磨屑， 造成高的磨損量。

      引入納米有機(jī)/無機(jī)雜化分散液后， 其中的納米SiO2 粒子在摩擦過程中承擔(dān)摩擦作用力， 導(dǎo)致樹脂的本體摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲缑婧?SiO2 作為支撐結(jié)構(gòu)的摩擦， 而無機(jī)納米粒子比聚氨酯樹脂基體的硬度和耐磨性好， 摩擦的進(jìn)一步進(jìn)行必須以先磨去無機(jī)粒子為代價， 從而導(dǎo)致體系的磨損量減小。WPU /SiO2 納米雜化分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高， 涂膜中所含納米 SiO2 無機(jī)粒子越多， 其耐磨性越好。同時發(fā)現(xiàn)， 分別加入 WPUS-A 和 WPUS-B 得到的涂膜耐磨性無明顯差異。其原因可能是， 與 WPUS-A 相比， 雖然 WPUS-B 中的無機(jī)納米 SiO2 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少， 得到的涂膜硬度較小， 但 MTES 加入后， 能夠增加無機(jī)組分和有機(jī)聚合物間的相容性， 同時控制無機(jī)粒子的粒徑， 避免納米粒子聚集形成較大的團(tuán)聚體而產(chǎn)生缺陷。

3 結(jié)論

      分別以蠟乳液、硅酮乳液、聚四氟乙烯乳液、WPU /SiO2 納米雜化分散液為助劑， 考察了助劑種類及其用量對水性聚氨酯涂膜耐磨性的影響。在研究的助劑用量范圍內(nèi)， 結(jié)果表明:

( 1) 隨著蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大， 涂膜的耐磨性先增大后減小， 蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% 時耐磨性最好;

( 2) 隨著硅酮乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大， 涂膜的耐磨性先增大后減小， 硅酮乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2% 時耐磨性最好;

( 3) 隨著聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大， 涂膜的耐磨性先增大后減小， 聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6% 時耐磨性最好;

( 4) 隨著 WPU /SiO2 雜化分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大， 涂膜的耐磨性逐漸增大， 其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 時耐磨性最好， 且WPUS-A 和 WPUS-B 對涂膜耐磨性的影響無明顯差異。

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