聚氨酯座椅發(fā)泡模具防粘涂料性能研究*

劉子睿，管東波，李金華3

（1 吉林大學(xué)附屬中學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130025； 2 吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130025）

脫模劑是一種功能性材料，將它噴涂于模具表面可以防止聚氨酯泡沫與模具表面粘合。通常，聚氨酯泡沫制品在成型加工過程中，聚氨酯發(fā)泡模具一般都是用高導(dǎo)熱材料，如鋁合金材料制成，由于聚氨酯發(fā)泡原料中的異氰酸酯成份(TDI、MDI)具有粘結(jié)性，其中的異氰酸酯鍵會(huì)與金屬產(chǎn)生較強(qiáng)的鍵合作用，所以需要使用合適的脫模劑來防止聚氨酯泡沫制品與模具的粘結(jié)，脫模劑又稱離型劑，它是將產(chǎn)品與模具表面隔開，起到一個(gè)物理分隔的作用，從而有利于產(chǎn)品的分模，但是脫模劑在噴涂過程中由于液體已經(jīng)被噴槍霧化，所以很容易會(huì)散發(fā)到空氣中，對(duì)空氣造成污染，危害人的身體健康[1-3]。并且會(huì)增加使用成本，所以開發(fā)一種適合聚氨酯發(fā)泡模具表面應(yīng)用的防粘涂料具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于防粘涂料的研究，國(guó)內(nèi)近年來呈持續(xù)上升趨勢(shì)，謝文峰等[4]研究了一種以聚四乙烯為主體，添加二硫化鉬的一種高溫固化（380℃）一次性燒結(jié)涂料。李穎妮等[5-6]研究了一種氟樹脂的不粘涂料，可以實(shí)現(xiàn)常溫固化，文獻(xiàn)[7-8]研究了一種不粘涂料在實(shí)際模具上的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9-11]介紹了幾種水性不粘涂料。文獻(xiàn)[12]介紹了自分層技術(shù)在氟涂料中的應(yīng)用。上述文獻(xiàn)中涂層有的需要高溫固化，有的即使是低溫固化，其固化時(shí)間也較長(zhǎng)，不適合實(shí)際生產(chǎn)中快速固化的需求，另一方面鋁合金模具材質(zhì)在高溫處理過程中會(huì)出現(xiàn)低熔點(diǎn)固溶物析出及過時(shí)效行為，本文通過對(duì)4 種自制防粘涂料配方并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

自制FEVE（三氟氯乙烯和羥烷基乙烯基醚的共聚物）基防粘涂料（配方1）；自制含氟丙烯酸樹脂基防粘涂料（配方2）；自制PTFE（聚四氟乙烯）基防粘涂料（配方3）；自制FEP（四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物）基防粘涂料（配方4）。

1.2 涂層制備

配制好的4 種配方涂料用噴槍在0.5MPa 的壓力下，距離樣件表面約35cm 處連續(xù)多次噴涂，涂層的厚度控制在20μm~30μm 時(shí)即可，本實(shí)驗(yàn)樣件尺寸為：80mm×80mm×1mm。為了保證涂層的附著力，要事先在其表面進(jìn)行噴砂處理，再用無水乙醇清洗后烘干。本實(shí)驗(yàn)配方1、配方2 采用的固化溫度為90℃，配方3 最高固化溫度為380℃，配方4 固化溫度為260℃。

1.3 性能測(cè)試

（1）涂層的微觀結(jié)構(gòu)：首先對(duì)試樣涂層表面進(jìn)行噴金處理，采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（XL30 ESEM FEG，美國(guó)FEI 公司）對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)為500x。

（2）涂層的三維表面形貌分析：采用激光共聚焦顯微鏡（OLX3000，日本奧林巴斯公司）對(duì)樣件涂層表面進(jìn)行三維形貌掃描。

（3）涂層的接觸角測(cè)試：采用型接觸角測(cè)量?jī)x（DO3020Mk1，德國(guó)KRUSS 公司）對(duì)樣件涂層表面進(jìn)行接觸角測(cè)量。

（4）涂層的摩擦性能測(cè)試：采用萬能摩擦磨損試驗(yàn)儀（WSM-01，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司）對(duì)樣件涂層表面進(jìn)行摩擦性能測(cè)試。

（5）涂層的脫模力測(cè)試：采用自制的脫模力測(cè)試儀對(duì)涂層進(jìn)行聚氨酯泡沫測(cè)試，自制脫模力測(cè)試儀如圖1 所示。

圖1 聚氨酯泡沫脫模力測(cè)試裝置示意圖 Fig.1 The schematic diagram of the polyurethane foam de-molding force device

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2 為4 種不同試樣表面的掃描電鏡照片。從中我們可以看出配方1 的涂層具有很多島狀的結(jié)構(gòu)。配方2 涂層表面具有很多的半球狀突出結(jié)構(gòu)，正是這種結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致了涂層表面的接觸角增大。配方4 的涂層表面比配方3 的涂層表面平整一些，說明不同的固化溫度對(duì)涂層的表面性能產(chǎn)生了影響，因?yàn)樵谝欢囟鹊淖饔孟聵渲呀?jīng)熔化，使表面的聚合物基體趨于平滑，所以在微觀上表現(xiàn)為較小的起伏度。

圖2 涂層的表面形貌照片 （a：配方1 涂層；b：配方2 涂層；c：配方3 涂層；d：配方4 涂層） Fig.2 SEM image of coating （a:coating formula 1;b:coating formula 2;c:coating formula 3;d:coating formula 4）

2.2 涂層表面的3D 形貌分析

從圖3 中可以看出，在微觀形貌下配方2、4涂層均具有很好的凸凹結(jié)構(gòu)，且此結(jié)構(gòu)分布比較均勻。而配方1 涂層和配方3 涂層表面相對(duì)比較平緩。并且涂層表面的凸凹結(jié)構(gòu)分散性較差，這可能由于配方1 的涂料具有比較小的粘度，涂料流平性能好，而且涂層中不含有微粉填料，沒有納微米二元分級(jí)結(jié)構(gòu)，所以涂層表面比較平緩。而配方3 涂層由于需要高溫烘烤，高溫下涂料中樹脂的流平性較好，所以表面也趨于平緩。

圖3 涂層的激光共聚焦表面形貌照片 （a：配方1 涂層；b：配方2 涂層；c：配方3 涂層；d：配方4 涂層） Fig.3 Confocal scanning laser microscope photographs of coatings （a:coating formula 1；b:coating formula 2；c:coating formula 3；d:coating formula 4）

2.3 接觸角測(cè)試

如圖4 所示。配方2 涂層的接觸角最大，配方4 的接觸角最小，配方1 和3 表面的接觸角相差不大。結(jié)合圖3 中b 圖的微觀形貌，配方2 的微觀形貌中，凸凹起伏程度比較大，這樣涂層在凹凸結(jié)構(gòu)及氟硅烷的作用下表現(xiàn)出較好疏水性能。配方4 涂層的接觸角較小，結(jié)合其微觀形貌上來看，其表面的凸凹分布較差，且涂層配方中的氟元素含量相對(duì)較少，所以其接觸角較小，這也同時(shí)說明了涂層宏觀接觸角的大小實(shí)際上是其微觀尺度形貌及表面能二者共同決定的。

圖4 涂層的接觸角趨勢(shì)圖 Fig.4 The contact angle trends of coatings

圖5 是各種配方涂層的表面接觸角測(cè)試圖像，從圖中可以看出b 圖，即含氟丙烯酸基防粘涂料表面的水滴保持球狀，該配方涂層具有較大的接觸角；而d 圖，即FEP 基防粘涂料的球狀液滴趨向于平鋪在涂層表面，配方涂層的接觸角相對(duì)較小，該配方涂層的潤(rùn)濕性較好；而a 圖、c 圖中，接觸角大小基本相同，低于配方2 涂層的接觸角，但比配方4 涂層的接觸角大。

圖5 涂層的接觸角測(cè)試圖（a：配方1 涂層；b：配方2 涂層；c：配方3 涂層；d：配方4 涂層） Fig.5 The contact angle test chart of coatings

2.4 涂層摩擦性能測(cè)試

運(yùn)用萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)4個(gè)配方的樣件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試壓力為100N，測(cè)試時(shí)間為20min，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為30r/min。從圖6a 中可以看出配方1 的涂層初始具有很低的摩擦系數(shù)，但摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而逐漸增大，在600s 后趨于平緩，說明配方1 的涂層具有很好的耐磨性，其表面自潤(rùn)滑效果較好。圖6b 中摩擦系數(shù)先增大后減小，這是由于配方2 的涂層表面具有很多的凸凹結(jié)構(gòu)，正是這些結(jié)構(gòu)的存在增大了涂層表面的粗糙度，所以在摩擦初期摩擦系數(shù)突然增大，而隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，突起結(jié)構(gòu)逐漸消失，摩擦系數(shù)反而呈下降趨勢(shì)，說明配方2 涂層的耐磨性較差；圖6c 中摩擦系數(shù)在0~400s 時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)比較低的摩擦系數(shù)，且在此時(shí)間段內(nèi)摩擦系數(shù)基本維持不變，這說明配方3 涂層在摩擦開始初期具備良好的自潤(rùn)滑效果，但由于涂層的耐磨性比較弱，隨著摩擦?xí)r間的增長(zhǎng)，涂層摩擦力逐漸增大，涂層摩擦系數(shù)在一定范圍內(nèi)持續(xù)增大，說明配方3 涂層的自潤(rùn)滑性能較好，但耐磨性能較弱。圖6d 中摩擦系數(shù)曲線在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)除了初始階段摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間增長(zhǎng)逐漸增大外，在后期摩擦系數(shù)基本趨于平穩(wěn)。

2.5 聚氨酯泡沫脫模力測(cè)試

運(yùn)用自制的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行切向聚氨酯泡沫脫模力測(cè)試，如圖1 所示，聚氨酯發(fā)泡料的配比為白料/黑料=3.1（質(zhì)量比），發(fā)泡方式為自由發(fā)泡，每次的泡沫料量為7.14g。從圖7 中可以看出，配方3涂層的脫模力最小，因?yàn)榕浞? 的主要成分為聚四氟乙烯，其本身具有較低的表面能和很好的自潤(rùn)滑性能，表面光滑，體現(xiàn)出良好的脫模效果，脫模力最大的是配方2 涂層，這是因?yàn)槌杷苛想m然對(duì)水的接觸角很大，但是其表面的納-微米的分級(jí)結(jié)構(gòu)增大了表面的粗糙程度，所以其脫模力最大。而配方1 脫模力稍大于配方3 的PTFE 基防粘涂料，所以從聚氨酯泡沫產(chǎn)品脫模的效果分析，影響其脫模力的大小主要有兩個(gè)，首先是其表面能的高低，其次是產(chǎn)品接觸面的表面粗糙度的大小，在涂層同時(shí)具有上面的兩個(gè)條件后，表面能越低、表面的粗糙度越小，聚氨酯制品從模具表面的脫模力越小。

圖6 涂層的摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖 （a：配方1 涂層；b：配方2 涂層；c：配方3 涂層；d：配方4 涂層） Fig.6 Experimental test chart of the coating friction （a:coating formula 1;b:coating formula 2;c:coating formula 3;d:coating formula 4）

圖7 涂層脫模力測(cè)試圖 Fig.7 De-mold forcing of the coating

3 結(jié)論

（1）微觀形貌：配方1 的涂層在微觀上超微粉的分散程度好，涂層與基底界面結(jié)合良好，涂層界線致密緊湊，配方2、3、4 的涂層與基體界線相對(duì)明顯，但界面無明顯缺陷，仍保持良好的界面結(jié)合能力。

（2）涂層接觸角：配方2 涂層具有150°以上的接觸角，這是由于其表面形貌中存在大量的突起結(jié)構(gòu)，加大了表面接觸角度，配方4 具有較小的接觸角，其他兩種配方的涂層接觸角相近。

（3）涂層摩擦性能測(cè)試：配方1 及配方3 均具有較好的摩擦性能，且配方1 的摩擦性能略好于配方3。

（4）脫模力：配方3 涂層的脫模力最小，配方1 涂層次之，脫模力最大的是配方2 涂層，這是因?yàn)槌杷苛想m然對(duì)水的接觸角很大，但是其表面的凸凹結(jié)構(gòu)增大了表面的粗糙程度，所以其脫模力最大。

綜上所述，配方1 的涂層和配方3 涂層具有很好的物理性能和脫模效果，由于PTFE 基防粘涂料的固化溫度為380℃，F(xiàn)EVE 基防粘涂料由于固化溫度為90℃，從節(jié)能的角度來講，更適合作為傳統(tǒng)聚氨酯座椅發(fā)泡模具的脫模劑替代涂料，所以最佳配方為配方1。

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