聚氨酯汽車座椅發(fā)泡模具防粘涂料性能分析

曹 偉

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265500)

脫模劑的使用可以有效防止聚氨酯泡沫與模具表面形成粘結(jié)狀態(tài)。聚氨酯泡沫模具在成型加工過程中的主要原材料為鋁合金，此類高導(dǎo)熱材料與聚氨酯泡沫中的異氰酸酯接觸時將會產(chǎn)生一定的鍵合作用，此時將脫模劑加入其中可以有效避免聚氨酯泡沫與模具進(jìn)行粘結(jié)，有利于模具順利脫模；但脫模劑揮發(fā)至空氣中將會對人體造成一定的損害，因此防粘涂料的開發(fā)利用具有重要意義，其可以有效預(yù)防人體因空氣污染而造成的健康問題。

1 聚氨酯汽車座椅發(fā)泡成型實驗

1.1 汽車座椅發(fā)泡成型實驗方案設(shè)計

在實驗之前應(yīng)針對實驗材料以及試驗設(shè)備進(jìn)行選擇。為保證實驗的準(zhǔn)確性，將采用自制的方式對材料進(jìn)行配置，本次試驗主要包含4種配方涂料，分別是氟碳涂料(FEVE)基防粘涂料、含氟丙烯酸樹脂基防粘涂料、聚四氟乙烯 (PTEF)基防粘涂料以及氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)基防粘涂料，其配方序號按順序依次為1、2、3、4。其中，F(xiàn)EVE基防粘涂料包含的主要成分為三氟氯乙烯和羥烷基乙烯基醚，通過二者形成的聚合物，將其作為配方1的主要成分；而PTFE基防粘涂料的主要成分包括聚四氟乙烯；FEP基防粘涂料的主要成分為四氟乙烯和六氟丙烯的聚合物，其設(shè)備可以選擇36工位生產(chǎn)線以及高壓澆注機，將4種配方材料通過噴槍的高壓作用，在距離物件表面35 cm處進(jìn)行噴涂，可采取連續(xù)多次的方式進(jìn)行噴涂，該方法可將厚度進(jìn)行控制，使其保持在一定范圍內(nèi)。為保證涂料可以充分附著于物件表面，將針對被噴涂物件表面進(jìn)行噴砂處理，并采用無水乙醇進(jìn)行清洗，清洗完畢后將物件進(jìn)行烘干。除此之外，本次實驗的配方涂料對于固化溫度的掌控十分嚴(yán)格，其中配方1以及配方2應(yīng)將溫度控制在90 ℃以內(nèi)；配方3應(yīng)將溫度控制在380 ℃；配方4應(yīng)將溫度控制在260 ℃，溫度高于該范圍將會造成涂料性質(zhì)發(fā)生改變，使配方涂料的粘性下降，從而造成實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。

1.2 性能測試

為保證該涂層的性能，將針對涂層的微觀結(jié)構(gòu)、三維表面形貌、接觸角、摩擦性能以及脫模力進(jìn)行相關(guān)測試。其中，微觀結(jié)構(gòu)測試主要采用電子顯微鏡對樣品進(jìn)行觀察，測試之前將在樣品表面通過噴槍進(jìn)行噴金處理；為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，將電子顯微鏡的倍數(shù)調(diào)節(jié)至高倍狀態(tài)。三維表面形貌測試將采用激光的方式，通過共聚焦顯微鏡針對樣品表面涂層進(jìn)行全方位的掃描，形成三維形貌掃描。接觸角測試將通過宏觀角度對涂層進(jìn)行分析以及測量。摩擦性能測試過程中主要應(yīng)用的儀器為萬能摩擦磨損試驗儀。脫模力測試主要針對聚氨酯泡沫進(jìn)行分析，測試模具的脫模能力，聚氨酯泡沫脫模力測試裝置示意圖如圖1所示。

圖1 聚氨酯泡沫脫模力測試裝置示意圖

2 聚氨酯汽車座椅發(fā)泡模具防粘涂料性能測試

2.1 微觀形貌分析

通過電子顯微鏡對樣品進(jìn)行全方位觀察，并且通過觀察發(fā)現(xiàn)，使用配方1的樣品涂層表面存在島狀結(jié)構(gòu)；而使用配方2的樣品涂層以半球狀形式突出，該現(xiàn)象造成涂層表面的接觸角增大，對涂料的性能造成一定的影響；配方4相對于配方3而言表面更加平整，該現(xiàn)象說明，在不同溫度的作用下，涂層表面的性能將會隨之改變。若想實現(xiàn)涂層起伏度最低化發(fā)展，應(yīng)嚴(yán)格控制固化溫度，使涂料的組成成分處于凹、凸均勻狀態(tài)，良好的凹、凸結(jié)構(gòu)有利于起伏度的良性變化。

2.2 涂層表面的3D形貌分析

通過3D掃描可以看出配方2和配方4比配方1和配方3的分布能力強，其原因可能是配方1黏度較小，流動性好，其根本原因是配方1的涂層表面結(jié)構(gòu)分散性較差；而配方3在持續(xù)的高溫烘烤下造成涂料表面光滑，流動性好。

2.3 接觸角測試

涂層的接觸角趨勢如圖2所示。從圖2中可以看到，配方2的接觸角在眾多配方中最大，其原因是凹、凸有致的起伏程度在氟硅烷的作用下，使其具有一定的疏水能力所致；而配方4的接觸角在4個配方中處于最小狀態(tài)，其原因是配方4內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布較差所致。除此之外，配方4中氟含量相對較小，種種原因造成接觸角較小，該現(xiàn)象說明接觸角的大小由微觀以及宏觀角度共同決定。

圖2 涂層的接觸角趨勢

2.4 涂層摩擦性能測試

本文將對涂層的摩擦性能進(jìn)行測試，該過程將選用萬能摩擦磨損試驗機進(jìn)行模擬實驗，其實驗條件將測量過程中的壓力設(shè)置為100 N，測試時間規(guī)定為20 min，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速定義為30 r/min。實驗結(jié)果表明，配方1的初始摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)較為良好，隨著時間的推移，摩擦系數(shù)逐漸增大，在600 s后摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)為平穩(wěn)狀態(tài)，該現(xiàn)象表明配方1具有較好的耐磨性，并且具有一定的潤滑作用。配方2的摩擦系數(shù)由于涂層表面的結(jié)構(gòu)變化較大，造成配方2的粗糙程度增加，促使配方2的摩擦系數(shù)呈先增大后減小的趨勢變化，該現(xiàn)象表明配方2的耐磨性能較差。而配方3在400 s之前處于平穩(wěn)狀態(tài)發(fā)展，表明配方3在初始狀態(tài)具有較好的潤滑效果，但是耐磨性較差；除此之外，實驗結(jié)果還表明，配方3具有較強的自潤滑能力；而配方4初期摩擦系數(shù)與時間成正比關(guān)系，后期基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2.5 聚氨酯泡沫脫模力測試

本文的脫模力測試將發(fā)泡方式定義為自由發(fā)泡，該方式具有較自由的發(fā)揮空間，涂層脫模力測試如圖3所示。從圖3中可以觀察到，配方3涂層的脫模力最小，其原因是配方3具有較強的自潤滑能力，通過配方3制作的涂層表面光滑，脫模效果較好。在聚氨酯泡沫脫模力測試中脫模力最大的是由配方2噴涂形成的涂層，其原因是配方2中具有納-微米分級結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)可增加物件表面的粗糙程度。通過測試可知影響脫模力的因素分為兩種：一種是物體表面能的高低；二是接觸面的粗糙程度，滿足上述兩個條件，脫模力將越小。

圖3 涂層脫模力測試

3 聚氨酯汽車座椅發(fā)泡模具清模方式

本文將針對聚氨酯汽車座椅發(fā)泡模具進(jìn)行分析，使用聚氨酯制作的汽車發(fā)泡模具材質(zhì)主要由鋁合金制作，并且每個模具都具有固定的模腔，通過該模具即可生產(chǎn)該類型的泡沫。因此，這類模具有固定的模腔，即固定化的模具對生產(chǎn)有一定影響，倘若該類型的汽車得不到良好的銷售，將會造成模具被淘汰的局面，大量模具被淘汰將造成利益的損失。此外，模具清潔不到位將影響模具的使用年限，為保證模具使用年限，將針對不同類型模具進(jìn)行清洗。

3.1 手工清模法

利用手工的方法對模具進(jìn)行清洗屬于目前最簡單，也是最粗暴的方法，通過該方法可以實現(xiàn)低成本運營的同時將清洗工具重復(fù)利用。但是利用該方法對模具進(jìn)行清洗時，通常采用鋼絲球或者鏟刀等工具，高級別者將利用高壓氣體將其吹出；該方法將造成模具的損壞，且傷害將不可逆。

3.2 化學(xué)清模法

化學(xué)清模法主要通過化學(xué)清洗劑對蠟垢進(jìn)行溶解，該方法可以對有機殘留物進(jìn)行充分溶解，將化學(xué)溶劑加溫至60 ℃，可發(fā)揮該溶劑的最大效果；該方法具有一定的優(yōu)勢，即將其通過噴槍噴灑至模具表面，可融化并使其脫離于模具表面。但是該方法具有一定的缺點，比如成本方面具有一定的劣勢，如通過化學(xué)溶劑的方法對模具進(jìn)行清洗時，需要將大量的化學(xué)溶劑放置于模具內(nèi)進(jìn)行浸泡，對于較厚的蠟垢將需要更大劑量的溶劑，計量無法預(yù)估；該方法效果較差且廢料無法直接處理，造成二次污染。除此之外，化學(xué)溶劑味道較重，長期使用將造成健康損害以及模具的腐蝕，若清洗完畢后，未對其進(jìn)行清水沖洗，制造的汽車座椅對人體的危害較大。

3.3 熱清模法

普通脫模劑的蠟垢熔點在60 ℃左右，該狀態(tài)下的蠟垢較容易被處理。但是，蠟垢中混入聚氨酯后使其熔點上升至110～120 ℃，且加熱狀態(tài)應(yīng)持續(xù)至40 min，此時的蠟垢被充分溶解，使用工具進(jìn)行擦拭即可；該方法可以保證模具不被損害，對于生產(chǎn)制品沒有損害。其缺點為在一定程度上會造成生產(chǎn)效率的降低。

3.4 干冰清模法

干冰清模法主要通過干冰清洗機將處于-78.5 ℃的干冰以顆粒的形式噴涂于模具的蠟垢表面，該過程對于速度的要求極高，甚至需要高于聲速進(jìn)行噴涂，模具表面的蠟垢遇冷后將會形成龜裂，此時的干冰將進(jìn)入縫隙迅速氣化，使模具表面蠟垢的體積瞬間膨脹至600～800倍，從而達(dá)到使蠟垢脫離于模具表面的目的；該方法可以使模具不受到損害且沒有二次污染，缺點為成本較高。

通過上文闡述的4種清理模具表面蠟垢的方法，將其特點匯總?cè)绫?所示。

表1 4種清模方式的對比

從表1中可以看出，熱清模法為當(dāng)前最有效的方法，可以將其應(yīng)用于汽車座椅發(fā)泡廠家。

4 結(jié)語

聚氨酯泡沫的不斷發(fā)展將彌補汽車座椅在發(fā)泡過程中成型的缺陷問題，通過聚氨酯泡沫的廣泛使用，將在一定程度上提升汽車座椅的安全性能，并達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。但是通過微觀形勢觀察配方的防粘性能時發(fā)現(xiàn)配方1具有良好的分散程度，可以使其與基底界面形成良好的結(jié)合；而配方2、3、4與基體界限相對來說無明顯缺陷，可以保持良好的結(jié)合能力。從接觸角方面觀察配方4具有較小的接觸角，配方2較大?？傊?，配方1將成為聚氨酯泡沫的替代涂料，可在一定程度上實現(xiàn)節(jié)能的目的。