水性聚四氟乙烯改性自润滑涂料的制备与应用

2018-07-23方胜阳田友峰章于川

橡胶工业 2018年8期

方胜阳，田友峰，章于川

（1.安徽安大中鼎橡胶技术开发有限公司，安徽合肥 230088；2.高性能橡胶材料及制品安徽省重点实验室，安徽宁国 242300；3.安徽库伯密封技术有限公司，安徽宁国 242300）

O形橡胶密封圈（以下简称O形圈）是重要的工业基础件，几乎应用在所有的交通运输工具、机械、能源和电器等设备中。从飞机、舰船、汽车、高速列车的发动机以及采油、采煤、采矿的大型机械设备直到家用电器（如空调、热水器、净水器等），无一不使用O形圈来发挥重要的密封作用。在将O形圈安装到发动机、机械和电器设备的过程中，无论是手工还是半自动或自动化操作，都需要对O形圈表面进行润滑处理。虽然在密封圈上涂覆润滑剂或滑石粉进行润滑处理比较容易，且成本也低，但是在较短时间内润滑剂会因自身重力而流到底部形成油污，如不及时清理，则会使自动安装线的设备发生堵塞，导致停工，而在密封圈的顶部几乎没有润滑剂，影响装配操作；滑石粉则易从O形圈上脱落，失去润滑作用，并会产生粉尘，影响操作工人的健康安全[1-3]。

对O形圈表面涂覆具有自润滑性的聚四氟乙烯（PTFE）涂料是可以考虑的办法。硫化胶表面涂覆低摩擦因数的PTFE涂层后[4-5]，其工作时的摩擦机理就变成了自润滑涂层与摩擦副之间的相对滑动，避免了O形圈的橡胶基体与摩擦副的直接接触，减小了摩擦因数，减少了O形圈的磨耗，方便了O形圈的装配，且简单易行。但是低摩擦因数的纯PTFE自润滑涂层与橡胶基体的附着力较差，因此必须优选合适的材料对纯PTFE成膜乳液进行共混改性[6]，以提高成膜树脂层与橡胶基体之间的界面结合力，同时为了环保需要应设计成水溶性或水分散性涂料。

本工作优选与橡胶基体界面粘合性能优良的水分散性成膜树脂，并配合相关助剂，与PTFE乳液共混，制备出水性PTFE改性自润滑涂料（以下简称水性PTFE改性涂料），探讨添加组分对涂料及其涂层性能和涂装工艺的影响，以确定最佳的涂装工艺条件。

1 实验

1.1 主要原材料

水性聚氨酯树脂（PUR），合肥安科精细化工有限公司产品；水性聚丙烯酸树脂（PAR），广州珂宁化工科技有限公司提供；氨基树脂（AR），上海八共根国际贸易有限公司提供；PTFE乳液，牌号D310，大金工业株式会社提供；N，N-二甲基乙醇胺、丙二醇单甲醚、消泡剂BYK020、流平剂BYK333等，合肥金创新材料有限公司提供。

1.2 配方

水性PTFE改性涂料主要由成膜物质（PTFE乳液、PUR、PAR）、成膜助剂（分散剂、流平剂、消泡剂）和分散介质（去离子水、助溶剂）等组成。

水性PTFE改性涂料的参考配方（质量分数）为：PAR 0.07 ～0.1，PUR 0.07 ～0.1，AR 0.005 ～0.05，助溶剂 0.05 ～0.1，分散剂0.02 ～0.05，流平剂 0.01 ～0.03，消泡剂0.01～0.03，PTFE乳液 0.2～0.3，去离子水余量。

1.3 主要设备和仪器

WM-1.5型实验室卧式研磨机砂和FS-400型实验室分散机，合肥华派机电有限公司产品；PHB-1型便携式pH计，拓赫机电科技（上海）有限公司产品；Instron 1112型电子拉力机，英国Instron公司产品；JSM-6510型扫描电子显微镜（SEM），日本电子公司产品；QXD型刮板细度计，天津亚兴自动化实验仪器厂产品。

1.4 制备工艺

将固体质量分数为0.5的水性PAR加入树脂质量为7%～8%的N，N-二甲基乙醇胺中，中和至pH值为7.5～8.5，然后将水性润湿分散剂、部分助溶剂和部分去离子水等混合均匀后砂磨分散至细度不大于10 μm，再加入水性PUR、水性AR、PTFE乳液、剩余助溶剂、剩余去离子水和其余助剂等，调节转速为800 r min-1，分散15 min，得到水性PTFE改性涂料[7-8]，编号为ZD-1。

将ZD-1涂料通过滚喷方式喷涂在O形圈和橡胶试样上，喷涂过的O形圈和橡胶试样经过130℃ 30 min进一步热固化。

1.5 测试分析

（1）涂层厚度。按Q/AZJ 01—2014《ZD-1 PTFE水性涂料》测试，待O形圈表面喷涂的ZD-1涂料固化成膜后，垂直切割O形圈，将切割的横截面置于SEM下会看到一个明显的表面界面层。通过SEM测定表面界面层的厚度，从而确定表面涂层的厚度。

（2）附着力。按Q/AZJ 01—2014测试，对喷涂ZD-1涂料的橡胶试样进行定伸长率100%的拉伸（拉伸速率为200 mm min-1），观察试样表面的涂层是否发生龟裂，无龟裂即为合格。

（3）滑动摩擦因数。按Q/AZJ 01—2014测试，橡胶试样固定在固定板上，将质量为100 g的砝码置于试样上，砝码和试样的接触面积为1 cm2，拉力机以180 mm min-1的速度拉伸试样进行水平匀速滑动，读取相应的拉力数值，计算涂层表面的滑动摩擦因数。

2 结果与讨论

2.1 成膜树脂对水性PTFE改性涂料性能的影响

成膜树脂是涂料形成连续性立体网状结构涂膜的主要物质，是决定涂膜物化性能的关键材料。本工作通过PUR，PAR和AR的复配，制备了水性PTFE改性涂料。

当PUR/PAR/AR质量比分别为0∶8∶2，8∶0∶0和8∶8∶2，固化条件均为130 ℃ 30 min时，橡胶表面附着力（100%拉伸率）测试结果分别为橡胶表面涂层开裂、橡胶表面涂层脱落和橡胶表面涂层完好。

2.2 其他助剂对水性PTFE改性涂料性能的影响

助溶剂为丙二醇单甲醚，它可提高上述改性树脂在水中的溶解能力；消泡剂为德国毕克公司生产的聚醚改性有机硅类的BYK020，其消泡能力强、抑泡持久，不会产生表面缺陷或影响成膜性；流平剂为德国毕克公司生产的聚醚改性有机硅类的BYK333，它可显著降低涂料的表面张力，提高涂料对底材的润湿能力和漆膜的流动性，消除“贝纳尔（Bernard）旋涡”，从而防止发花；同时还能改善涂层的平滑性、抗挂伤性和抗粘连性[9-10]。

2.3 水性PTFE改性涂料涂装O形圈工艺

结合工件形状、外观及涂料性能等具体情况，O形圈的涂装方式选用滚喷工艺，具体工艺流程如图1所示。

由于涂料的粘度低及其用途特殊，因此在滚喷时要特别注意滚喷量、滚喷距离和滚喷温度，否则会造成涂装产品出现流痕、颗粒等缺陷，从而影响产品的外观，造成涂装产品不合格。按照图1的工艺流程，根据表1滚喷试验的数据统计结果，确定涂料每次滚喷量约为0.02 g，滚喷距离为25～35 cm，滚喷温度为50～70 ℃。

图1 O形圈滚喷水性PTFE改性涂料的工艺流程

表1 滚喷工艺条件

2.4 O形圈表面涂层的厚度和附着力

试验结果表明，O形圈表面涂层的厚度大于15 μm时，O形圈被拉伸100%时涂层会出现开裂而脱落，而涂层厚度小于5 μm时，遮盖力减小，橡胶就会露底，不便于安装和影响产品外观。因此必须保证O形圈的涂层厚度在5～15 μm之间，在其被拉伸100%时涂层不会出现开裂，橡胶也不会露底。采用SEM检测的涂层厚度如图2所示，厚度为6～8 μm。