高分子材料刮擦行為研究進展

許華

摘 要：本文就來研究高分子材料刮擦行為，了解高分子材料的變形理論及影響因素，分析增強高分子材料表面耐刮擦改性的方法。

關鍵詞：高分子材料;刮擦行為;表征;改性

高分子材料是現代建筑、汽車、包裝等領域應用的新型材料，隨著高分子技術研究的加深，高分子材料的類型越來越多，常見的新型高分子材料包括高分子分離膜、高分子磁性材料、光功能高分子材料、高分子復合材料等。高分子材料的加工是借助合成技術將單體分子材料進行覺和造粒與熔融加工，加工單過程中收到引發劑的幫助使得高分子材料性能得到改變，其加工工藝相對簡單，具有較好的熱定型和拉伸性。高分子材料在成型的過程中，受成型時間、應力、壓力、溫度等影響其聚合態機構與化學結構存在差異性，結構耐刮擦的性能業有所不同。

一、高分子材料刮擦行為概述

刮擦，按照標準ISO19252-2008，[1]定義為：具有特定形狀和尺寸的硬質刮頭在規定的法向荷載和移動速率下滑過樣品表面所造成的損傷和破壞（如下圖）。高分子材料刮擦行為是指在高分子材料上實施的刮擦。刮擦行為能夠影響高分子材料表面的結構的完整性和美觀性，而高分子材料刮擦行為的研究就是通過對高分子材料刮擦測試來了解高分子材料能夠承受的刮擦荷載，從而分析高分子材料刮擦行為的影響因素，研究高分子材料耐刮擦行為的改性方法，最終達到改善高分子材料性能的目的。常見的高分子材料刮擦行為有汽車表面的刮痕、收集表面的刮痕、金屬管道高分子保護材料的劃痕、電腦產品的劃痕等，了解常見的高分子材料行為刮擦有助于更加準確到位的理解高分子材料的刮擦行為。以上這些產品表明都是經過高分子材料進行保護或材料本身屬于高分子材料，而高分子材料刮擦行為不僅會影響產品的美觀性，還會加劇其內部結構的腐蝕速度，縮短產品使用壽命，可見研究高分子材料刮擦行為有著很重要的意義與價值。

二、高分子材料變形理論

高分子材料刮擦行為的研究是基于高分子材料的變形理論而言的，研究主要應用發高分子擦了耐刮擦性能表征理論，如刮擦測試理論、高分子材料固定荷載、高分子材料刮擦評價;高分子材料刮擦變形破壞理論，如刮擦特征、損傷新時、受力分析、周期性損傷階段、變形過程等。高分子材料類型多樣，不同的高分子材料變形理論基礎不同，產生刮擦行為的基礎不同，因此刮擦測試的方法不同。刮擦測試實驗主要有五指刮擦、網格刮擦、硬度試驗筆刮擦、摩擦色牢度刮擦和Taber摩擦儀刮擦等5種，刮擦實驗結束后測定刮痕處的顏色變化，用ΔL*值代表的發白程度來表征材料的耐刮擦性能，ΔL*值越大說明材料的耐刮擦性能越差。或使用目測法來檢測高分子材料表面的損傷程度，并分析高分子材料刮擦行為所受的影響因素。

三、高分子結構材料刮擦行為的影響因素

（1）本構行為。本構行為是高分子材料收到拉伸力與壓縮應力得到影響而發生的斷裂和屈服行為，本構行為中的本構參數代表著高分子材料所受刮痕的大小。一般在拉伸本構行為中，拉伸行為造成的刮擦較小，主要為產生周期性的微小裂紋，形成的刮痕較為粗糙。在壓縮本構行為中刮擦行為的大小和壓縮應力的大小有關系，當壓縮應力越大，刮擦行為越嚴重。壓縮本構行為中，刮擦行為受高分子材料屈服強度、應變硬化開始時的應變、應變硬化斜率、應變軟化斜率等本構參數影響。

（2）表面摩擦系數。刮擦行為產生時滑動會產生的切線摩擦力，切下摩擦力就會造成高分子材料表面出現刮痕。當摩擦系數越大，刮擦行為中產生的切向力就越大，刮痕程度越深。如果此時高分子材料表面的粗擦系數COF越大，則會減小摩擦中的接觸面積，此時可減少刮擦的劃痕。

（3）高分子膜材料。高分子膜材料是高分子材料保護技術，主要利用多層復合技術增加高分子材料的阻隔性，一定程度上增加了高分子材料表層的厚度、粘接強度，而高分子膜材料的疊加順序則會影響刮擦行為的產生和大小。

（4）測試條件。測試條件包括刮擦速率、溫度、濕度和刮頭幾何形狀等，通過不同條件測試即可了解高分子材料的耐刮擦溫度、速率等，而部分高分子材料匯因為溫度、適度和刮擦頭等差異而導致造成的損壞程度不同。一般，刮擦頭產生的壓力越強，刮擦損傷越嚴重，溫度越低，刮擦損傷程度越嚴重。

四、增強高分子材料表面耐刮擦改性的方法

（1）刮擦改性劑。使用刮擦改性劑可以提高高分子材料的爽滑程度，從而增加高分子材料的耐刮擦性。通常添加的改性劑為芥酸酰胺等雙滑稽，它能使高分子聚合物冷卻時自動形成一層蠟狀潤滑層，減小摩刮擦行為中的擦力。

（2）表面紋理。表面紋理具有兩種作用，第一可以增加高分子材料的美觀性，第二可以增加高分子材料表面的粗糙程度，減小刮擦行為中刮擦頭與高分子表面的接觸面積，從而較小摩擦系數，減小刮擦行為中的損傷。

（3）表面涂層。表面涂層是應用專用的耐刮擦的涂層技術對高分子材料表面進行保護，通常保護涂層為納米粒子改性聚合物，主要原料為聚丙烯酸酯類樹脂，其耐刮擦效果良好。

（4）共混。多相多組高分子材料是通過增加橡膠等填料來改善高分子材料的韌性，加入的高分子材料組分越多，高分子材料耐刮擦行為就越強，會相應的減輕劃痕。根據不同高分子材料的屬性，可以利用共混組分和共混原理來增強多相多組分高分子材料的耐刮擦行為，減低刮擦行為中的劃痕損傷程度。

五、結語

綜上所述，高分子材料表面刮擦行為差異性是多種用力作用的共同結果，刮擦行為所受的影響因素較多，主要影響因素為高分子材料服役過程中復雜的條件、高分子材料改性的方法以及刮擦行為的計算機繼模擬與預測的差異。受多種因素影響，同一種高分子材料刮擦行為產生的時間、程度、面積自然存在差異性，而了解高分子資料的結構與刮擦性能對于改善高分子材料耐刮擦行為有著重要的價值與作用，它將推動高分子材料耐刮擦改性技術的進一步提升與發展。

參考文獻：

[1]徐楊，李頓，沈佳斌，郭少云，Hung-Jue Sue.高分子材料刮擦行為研究進展[J].高分子學報，2018（10）：1262-1278.

[2]劉杰.聚碳酸酯（PC）納米尺度刮擦行為實驗研究[D]西南交通大學，2018.

[3]程前.高分子材料刮擦實驗設備設計與實驗應用[D]西南交通大學，2016.