聚四氟乙烯改性水性聚氨酯自潤滑涂料的制備與應用

楊 靜，張 呂，章于川，3

（1.安徽安大中鼎橡膠技術開發有限公司，安徽 合肥 230088；2.高性能橡膠材料及制品安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088；3.安徽省綠色高分子材料重點實驗室，安徽 合肥 230601）

某些橡膠制品由于裝配和使用要求需要在其硫化后表面噴涂功能性涂層[1]，賦予制品低的表面摩擦因數，從而提高耐磨性能；或是提高防護性能，使其耐介質腐蝕和耐氧化老化等。此外，涂層設計指定顏色，可起識別作用，便于裝配不同產品或不同部位。為了在環境友好的前提下提高橡膠制品表面自潤滑與耐磨性能，一方面選用耐磨性、附著力和柔韌性好的交聯成膜樹脂，如有機硅改性封閉型聚氨酯水性樹脂[2-4]，另一方面則通過加入減摩功能填料來降低涂層的表面摩擦因數[5]。減摩填料種類眾多，聚四氟乙烯（PTFE）樹脂具有優異的低摩擦和耐高低溫性能[6]，其水性分散液中PTFE粒徑為0.2～0.4 μm，穩定性極好。

以往，橡膠表面涂裝的涂料均為揮發性有機化合物含量高的溶劑型，使用中用溶劑稀釋噴涂，在干燥成膜過程中產生較大的環境污染。為了符合環保要求，本研究自制了ZD-2有機硅改性水性PU乳液和亞光黑色漿料，制備PTFE改性水性PU自潤滑涂料。

本研究涂裝的橡膠產品為某型轎車門把手處三元乙丙橡膠（EPDM）橡膠圈，要求涂層表面摩擦因數低、手感光滑、耐磨，呈亞光黑色。

1 實驗

1.1 主要原材料

EPDM橡膠圈，安徽中鼎密封件股份有限公司產品；PTFE水性分散液D-1E，大金氟化工（中國）有限公司產品；底涂劑primer 94，深圳市崇信科技發展有限公司產品；無水乙醇，天津市光復精細化工研究所產品；ZD-2有機硅改性水性PU乳液和亞光黑色漿，自制。

1.2 主要設備和儀器

JK300B型超聲波清洗機，合肥金民克機械制造有限公司產品；WM-1.5型實驗室臥式砂磨機，合肥華派機電有限公司產品；U450/80-220型多功能電動攪拌機，上海微達工貿有限公司電機分廠產品；W-71型涂料噴涂工具，日本巖田公司產品；JSM-6501型掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司產品；AL-7000S型電子拉力試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；QXD型刮板細度計，天津市精科材料試驗機廠產品。

1.3 試樣制備

1.3.1 亞光黑色漿

亞光黑色漿基本配方為：水性樹脂 30～40，炭黑 10～15，消光劑 5～10，去離子水 35～55，潤濕分散劑和消泡劑 0.1～0.5。

按照上述配方用實驗室臥式砂磨機研磨0.5 h左右，用刮板細度計測量色漿粒徑至10 μm以下時出料，制得所需亞光黑色漿。

1.3.2 PTFE改性水性PU自潤滑涂料

PTFE改性水性PU自潤滑涂料基本配方為：ZD-2有機硅改性水性PU乳液 100，PTFE水性分散液D-1E 10～30，亞光黑色漿 5～6，成膜助劑 2～4，流平劑 2～4。

按照上述配方將ZD-2有機硅改性水性PU乳液、亞光黑色漿以及選定比例的PTFE水性分散液D-1E加入分散罐中，用多功能攪拌機以300 r·min-1的速度攪拌10～15 min，攪拌過程中緩慢加入成膜助劑和流平劑，使各組分充分混合均勻，制得PTFE改性水性PU自潤滑涂料。

1.3.3 橡膠圈表面涂裝

硫化膠表面用乙醇超聲清洗5 min，先噴底涂劑primer 94，稍干后噴PTFE改性水性PU自潤滑涂料，烘干、熱固化。

1.4 測試分析

按照安徽安大中鼎橡膠技術開發有限公司企業標準Q/AZD02—2015進行下列項目測試。

（1）涂裝厚度。應用SEM觀察涂裝樣品的側面，測量其厚度。

（2）附著力。應用電子拉力試驗機對試樣進行定伸100%的拉伸，觀察其涂層有無裂紋產生或脫落。

（3）滑動摩擦因數。應用電子拉力試驗機以180 mm·min-1的速度平行拉動底座，在涂裝樣品表面上勻速滑動，計算涂層的滑動摩擦因數。

2 結果與討論

2.1 表面處理對涂層附著力的影響

通過酒精超聲清洗可以除去EPDM制品表面灰塵及殘留脫模劑等物質。雖然PU涂料含有—NCO，—NHCOO—等活性基團，但是由于EPDM為非極性橡膠，沒有能與其鍵合的基團，PU涂料直接噴涂烘干后，涂層在制品表面的附著力較差，因此必須對制品表面進行底涂處理。經過篩選，選用底涂劑primer 94，該底涂劑專門用于天然橡膠和EPDM等極性弱、難粘合橡膠的表面處理。底涂劑Primer 94含有多種活性很強的基團，噴涂到橡膠表面后，會迅速與橡膠表面大分子鏈發生化學反應，改變表面大分子結構，并引入含活潑氫的基團，與自潤滑涂料中ZD-2水性PU的封閉異氰酸根在熱固化時進行化學鍵合，從而顯著改善涂層對制品表面的附著力。

2.2 P TFE水性分散液用量對涂層附著力和滑動摩擦因數的影響

PTFE水性分散液用量對涂層附著力和滑動摩擦因數的影響如表1所示。

表1 PTFE水性分散液用量對涂層附著力和滑動摩擦因數的影響

從表1可以看出，在涂料中添加PTFE水性分散液，能夠明顯降低涂層表面的滑動摩擦因數，且隨著PTFE含量的增大，滑動摩擦因數逐步減小。但是當PTFE水性分散液用量提高至30份時，涂層的附著力變差，滿足不了使用要求。

由于企業在產品使用要求中提及滑動摩擦因數小于0.4即可，而PTFE水性分散液成本較高，因此選擇PTFE水性分散液用量為10份，從而實現最佳性價比。后續試驗涂料中PTFE水性分散液用量為10份。

2.3 涂層厚度對滑動摩擦因數的影響

橡膠圈表面噴涂自潤滑水性涂料后，水分蒸發、成膜樹脂高溫交聯固化，在橡膠圈表面形成致密、緊固且完整的固體涂層。將涂層厚度不同的產品烘干后任取3個（記為試樣A，B和C），通過SEM進行厚度測試，取其最大和最小值，測試不同涂層厚度試樣對應的滑動摩擦因數大小，如表2所示。

由表2可知，涂層厚度對滑動摩擦因數基本無影響，而且涂層厚度增大會導致涂料用量增大，使得產品附加成本提高，因此涂層厚度一般控制為5～10 μm。

表2 不同涂層厚度橡膠圈對應的滑動摩擦因數

2.4 P TFE改性水性PU自潤滑涂料對產品外觀的影響

涂裝PTFE改性水性PU自潤滑涂料前后產品外觀如圖1所示。

從圖1可以看出，涂裝烘干后產品外觀為亞光黑，表面光滑均勻，無凸起，無氣泡、起皮及堆積，表明制備的水性自潤滑涂料配合底涂劑能滿足EPDM制品表面涂裝及自潤滑的要求。

圖1 涂裝PTFE改性水性PU自潤滑涂料前后產品外觀

3 結論

（1）在自制的ZD-2有機硅改性水性PU乳液中，加入一定比例PTFE水性分散液D-1E、自制的亞光黑色漿及相應助劑，通過高速剪切混合制備出的PTFE改性水性PU自潤滑涂料符合企業標準要求。

（2）應用該涂料涂裝經過乙醇超聲清洗和底涂劑primer 94處理的EPDM橡膠圈，可在制品表面獲得滑動摩擦因數低、自潤滑和附著力好的亞光黑涂層，滿足轎車門把手EPDM橡膠圈的使用要求。