劉子睿，管東波，李金華3

（1 吉林大學附屬中學，吉林長春 130025； 2 吉林大學材料科學與工程學院，吉林長春 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與金屬產(chǎn)生較強的鍵合作用，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，所以很容易會散發(fā)到空氣中，對空氣造成污染，危害人的身體健康[1-3]。并且會增加使用成本，所以開發(fā)一種適合聚氨酯發(fā)泡模具表面應用的防粘涂料具有十分重要的現(xiàn)實意義。關(guān)于防粘涂料的研究，國內(nèi)近年來呈持續(xù)上升趨勢，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，可以實現(xiàn)常溫固化，文獻[7-8]研究了一種不粘涂料在實際模具上的應用。文獻[9-11]介紹了幾種水性不粘涂料。文獻[12]介紹了自分層技術(shù)在氟涂料中的應用。上述文獻中涂層有的需要高溫固化，有的即使是低溫固化，其固化時間也較長，不適合實際生產(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出現(xiàn)低熔點固溶物析出及過時效行為，本文通過對4 種自制防粘涂料配方并對其性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

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 時即可，本實驗樣件尺寸為：80mm×80mm×1mm。為了保證涂層的附著力，要事先在其表面進行噴砂處理，再用無水乙醇清洗后烘干。本實驗配方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 性能測試

（1）涂層的微觀結(jié)構(gòu)：首先對試樣涂層表面進行噴金處理，采用場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（XL30 ESEM FEG，美國FEI 公司）對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，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）對樣件涂層表面進行三維形貌掃描。

（3）涂層的接觸角測試：采用型接觸角測量儀（DO3020Mk1，德國KRUSS 公司）對樣件涂層表面進行接觸角測量。

（4）涂層的摩擦性能測試：采用萬能摩擦磨損試驗儀（WSM-01，濟南益華摩擦學測試技術(shù)有限公司）對樣件涂層表面進行摩擦性能測試。

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

圖1 聚氨酯泡沫脫模力測試裝置示意圖 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涂層的表面性能產(chǎn)生了影響，因為在一定溫度的作用下樹脂已經(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較少，所以其接觸角較小，這也同時說明了涂層宏觀接觸角的大小實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較小，該配方涂層的潤濕性較好；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 涂層摩擦性能測試

運用萬能摩擦磨損試驗機對4個配方的樣件進行測試，測試壓力為100N，測試時間為20min，試驗轉(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)隨摩擦時間的延長而逐漸增大，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，而隨著摩擦時間的延長，突起結(jié)構(gòu)逐漸消失，摩擦系數(shù)反而呈下降趨勢，說明配方2 涂層的耐磨性較差；圖6c 中摩擦系數(shù)在0~400s 時間段內(nèi)呈現(xiàn)比較低的摩擦系數(shù)，且在此時間段內(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滑效果，但由于涂層的耐磨性比較弱，隨著摩擦時間的增長，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)曲線在整個時間段內(nèi)除了初始階段摩擦系數(shù)隨摩擦時間增長逐漸增大外，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試

運用自制的實驗裝置進行切向聚氨酯泡沫脫模力測試，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，因為配方3 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，這是因為超疏水涂料雖然對水的接觸角很大，但是其表面的納-微米的分級結(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，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，在涂層同時具有上面的兩個條件后，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 涂層的摩擦實驗測試圖 （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，這是因為超疏水涂料雖然對水的接觸角很大，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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