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)的有機溶劑， 具有不污染、運輸安全、環(huán)境友好等優(yōu)點， 但存在耐水性、耐溶劑性、力學性能、耐磨性等不佳的缺點。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到使用的要求。

      涂膜的耐磨性( abrasion resistance) 定義為涂膜對摩擦機械作用的抵抗能力， 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。認為在聚氨酯中添加有機蠟、有機硅、含氟材料、無機粒子均可改善聚氨酯涂膜的耐磨性能?，F(xiàn)有文獻大多研究的是溶劑型聚氨酯添加合成蠟及無機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)量分數(shù)與水性聚氨酯乳液混合得到復配的混合乳液涂膜， 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)用起到指導作用。

1 實驗部分 

1． 1 主要原料

      蠟乳液， 固質(zhì)量分數(shù) 38% ， 硅酮乳液， 固質(zhì)量分數(shù) 35% ， 聚四氟乙烯乳液， 固質(zhì)量分數(shù) 60% ，  WPU / SiO2 雜化分 散液WPUS-A 與 WPUS-B ( 基本參數(shù)如表 1 所示) ， 實驗室采用溶膠凝膠法制 備; 水性聚氨酯乳液 JK-702， 固質(zhì)量分數(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)量分數(shù)( 以固體質(zhì)量分數(shù)計) 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)量分數(shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 1 為蠟乳液質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的增大， 涂膜的磨損率逐漸增加， 當蠟乳液質(zhì)量分數(shù)為 10% 時， 涂膜的磨損率達到 0. 5% ， 但仍然遠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)聚力較強的疏水性物質(zhì)， 與極性的聚氨酯相容性較差， 當蠟乳液質(zhì)量分數(shù)進一步增大時， 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)量分數(shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 2 為硅酮乳液質(zhì)量分數(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， 當硅酮乳液質(zhì)量分數(shù)的 2% 時， 涂膜具有最小的磨損率 0. 21% ; 隨著硅酮乳液質(zhì)量分數(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， 當其質(zhì)量分數(shù)進一步增大時， 涂膜表面的硅酮導致摩擦過程中磨損量增加。

2． 3 聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分數(shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 3 為聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分數(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， 當聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量分數(shù)為 6% 時， 涂膜具有最小的磨損率 0．75% ， 但當聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分數(shù)增大到 10%時， 涂膜的磨損率增大到 0． 82% ， 但仍然遠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， 當其質(zhì)量分數(shù)進一步增大時， 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)量分數(shù)對涂膜耐磨性影響

      圖 4 為 WPUS-A 和 WPUS-B 質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的增加， 涂膜的磨損率進一步下降， 當其質(zhì)量分數(shù)為 10% 時， 涂膜的磨損率達到最低， 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/無機雜化分散液后， 其中的納米SiO2 粒子在摩擦過程中承擔摩擦作用力， 導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， 而無機納米粒子比聚氨酯樹脂基體的硬度和耐磨性好， 摩擦的進一步進行必須以先磨去無機粒子為代價， 從而導致體系的磨損量減小。WPU /SiO2 納米雜化分散液質(zhì)量分數(shù)越高， 涂膜中所含納米 SiO2 無機粒子越多， 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 中的無機納米 SiO2 組分質(zhì)量分數(shù)較少， 得到的涂膜硬度較小， 但 MTES 加入后， 能夠增加無機組分和有機聚合物間的相容性， 同時控制無機粒子的粒徑， 避免納米粒子聚集形成較大的團聚體而產(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)量分數(shù)的增大， 涂膜的耐磨性先增大后減小， 蠟乳液質(zhì)量分數(shù)為 2% 時耐磨性最好;

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

( 3) 隨著聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為 6% 時耐磨性最好;

( 4) 隨著 WPU /SiO2 雜化分散液質(zhì)量分數(shù)的增大， 涂膜的耐磨性逐漸增大， 其質(zhì)量分數(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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