喷涂型聚氨酯弹性体耐磨材料主要性能表征及影响因素分析

摘 要: 采用二苯基甲烷二异氰酸酯和聚醚多元醇为原料反应制备 A 组分，聚醚多元醇、二胺扩链剂和耐磨助剂等混合制备 B 组分; A、B 组分通过专用喷涂设备制备了聚氨酯弹性体耐磨涂层。讨论了聚醚多元醇和耐磨助剂的种类对弹性体涂层耐磨性能的影响，以及实验室干态下 Akron 磨耗、DIN 磨耗、Taber 磨耗和 NBS 磨耗 4 种磨耗之间的关系。结果表明，增滑助剂 A 的应用显著降低了喷涂型聚氨酯弹性体涂层的表面摩擦系数，测得动摩擦系数为 0. 321; 聚四氢呋喃醚二醇的应用显著提高了喷涂型聚氨酯弹性体涂层的耐磨性能，测得 Akron 磨耗为 0. 030        cm3 。       

关键词: 聚氨酯弹性体; 耐磨助剂; 耐磨性能; 磨耗                       

中图分类号: TQ 334        文献标识码: A        文章编号: 1005 － 1902        ( 2015)        03 － 0035 － 04

    磨耗是指两物体表面相互接触并经过摩擦而使物体表层材料脱落的现象。如何减少磨耗的产生，延长设备的使用寿命，研究并制备适用于不同领域的耐磨材料是非常必要的。材料的耐磨性通常是指材料在特定的摩擦工况过程中抵抗磨损的能力，例如矿山设备中的各种振动筛、磁选机滚筒、浮选机、浮选槽、搅拌槽、矿渣溜槽、渣浆泵、皮带机滚筒、煤矿输送带、螺旋搅拌器等在使用过程中受到各类浆料的严重磨损，影响其使用寿命。而若在这些设备的工作面上喷涂特定厚度的耐磨弹性体涂层，则会在很大程度上减缓矿渣、矿石、煤渣等不规则粒子对设备表面的冲击和损坏，从而延长设备的使用寿命。

喷涂型耐磨弹性体的耐磨行为极为复杂，尤其是在砂浆等不规则粒子浆料和工作面滚动接触的条件下，弹性体涂层的磨耗几乎同时包含了疲劳磨耗、卷曲磨耗、磨损磨耗甚至刮除磨耗等各种类型的磨耗。不同类型的磨耗就产生了相应的磨耗测试方法，如以卷曲磨耗为主的 Akron 磨耗，以磨损磨耗为主的 DIN 磨耗和 NBS 磨耗，以疲劳磨耗为主的 Ta-ber 磨耗等。磨耗实验的结果一般采用磨耗强度表示，即单位时间或者单位路程下的磨耗量，磨耗量可用体积磨耗或者质量磨耗来表示。体积磨耗如 Ak-ron 磨耗和 DIN 磨耗; 质量磨耗如 Taber 磨耗; 另外磨耗实验的结果也可采用磨耗指数表示，即在相同条件下测试试样的磨耗量与指定标准试样的磨耗量之比，如 NBS 磨耗。所以研究实验室条件下不同磨耗的测试数据对于如何提高弹性体涂层在实际摩擦工况下的耐磨效果有着重要的理论指导意义。

本实验采用二苯基甲烷二异氰酸酯和聚醚二元醇为原料反应制备 A 组分，聚醚二元醇、二胺扩链剂和耐磨助剂等混合制备 B 组分，A、B 组分通过专用喷涂设备制备了聚氨酯弹性体耐磨涂层。讨论了聚醚二元醇和耐磨助剂的种类对弹性体涂层耐磨性能的影响，以及实验室干态下 Akron 磨耗、DIN 磨耗、Taber 磨耗和 NBS 磨耗 4 种磨耗之间的关系。

1实验部分

1. 1        主要原料及设备

二苯基甲烷二异氰酸酯( MDI-50) ，烟台万华化学股份有限公司; 液化 MDI( LMDI) ，德国 BASF公司; 聚氧化丙烯醚二醇( N-210，Mn = 1000) ，天津石化公司; 聚四氢呋喃醚二醇 ( PTMG-1000，Mn =1000) ，韩国 PTG 公司; 二乙基甲苯二胺( Ethacure 100，简称 E-100 ) 、二甲硫基甲苯二胺 ( Ethacure 300，简称 E-300) ，美国 Albemarle 公司; 表面改性超高相对分子质量聚乙烯粉末，美国 Inhance 公司; 改性蜡粉，北京华通瑞驰材料科技有限公司; 增滑助剂A，东莞市菲亚特静电科技有限公司; 有机铋催化剂，美国空气化工产品公司。以上原料均为工业级。

双组分高压混合喷涂设备，主机型号为 Graco H-XP3，喷枪型号为 Fusion AP 或者 GX-8。

1. 2        A 组分和 B 组分的制备

A 组分制备: 将计量好的 N-210 在 100 ～ 110 ℃

高真空脱水 3 h 后，降温至 60 ℃ ，加入计量好的二异氰酸酯( MDI-50 与 LMDI 摩尔比 2∶ 1) ，温度保持在 50 ～ 60 ℃ ，混合完毕后在 N2 保护下升温至 80 ～ 85 ℃ 反应 2 ～ 3 h，测定体系的 NCO 质量分数分别达到 10% 、13% 和 15% 时反应完成。真空脱气 30 min 后出料，降至室温备用。

B 组分的制备: 按异氰酸酯指数 Ｒ = 1. 10 的量在搅拌釜中加入 N-210、E-100 或者 E-100 和 E-300

的混合物( E-100 与 E-300 摩尔比为 4∶ 1) 。另外加入各类助剂，如催化剂、耐磨助剂、除水剂、色浆等。这些助剂的质量分数为 B 组分的 10% ～ 15% 。搅拌均匀后备用。

1. 3        耐磨弹性体涂层的喷涂与固化

    实验室中采用双组分高压混合喷涂设备，设定［1］，最佳的喷涂工艺参数        按 A、B 组分体积比 1∶1进行喷涂。喷涂涂层厚度为 ( 2. 0 ± 0. 2) mm，将涂层置于( 23 ± 2) ℃ 、相对湿度为( 50 ± 5) % 的条件下熟化 7 d 后，测试相关物理性能参数。

1. 4        涂层性能测试

硬度、拉伸强度、回弹性、表面摩擦系数的测试分别依照 ASTM D2240—2010、ASTM D412—2006、 ASTM D2632—2008、GB /T 10006—1988 的方法进行测试。

实验室干态下常用的喷涂弹性体耐磨测试有 4种磨耗表征方式，分别是 Akron 磨耗、DIN 磨耗、Ta-ber 磨耗和 NBS 磨耗。

Akron 磨耗依据 GB /T 1689—1998 标准，裁取长度 23. 5 mm，宽度 12. 7 mm 的样片固定在胶轮机上，(23 ± 2) ℃ 下调节 3 h。试样顺时针转动，预磨20 min 取下，刷掉毛屑称重 m1 。使用预磨后的试样测试，行驶 1. 61 km 后称重 m2 。ρ 为试样的密度。Akron 磨耗 V = ( m1 － m2 ) / ρ。

DIN 磨耗依据 GB /T 9867—2008 标准，用旋转裁刀裁取直径为( 16 ± 0. 2) mm、高度为( 6 ～ 10) mm的圆柱型试样，将称好质量为 m1 的试样放入夹持器中，把带有试样的夹持器滑到辊筒起点处，并放在带有特定型号的砂布上，开动机器进行试验，当磨损行程达到 40 m 时实验结束。从夹持器中取出试样刷掉毛屑，称取试样质量 m2 。DIN 磨耗体积 V =

( m1 － m2 ) / ρ。

Taber 磨耗依据 ASTM D 3884—2009 方法进行测试，使用切片机裁取直径为 100 mm、中心孔径为6. 5 mm 的圆形样片，样片厚度为 3 mm。放置到 Ta-ber 磨耗试验机中固定夹持好合适型号的磨耗砂轮并加以规定之负荷，设置试样回转速度为60 r /min，试样回转时带动磨耗砂轮藉以磨耗试样，记录样片的终点转数。记录测试之前样片的重量 m1 ( mg) ，测试完毕记录样片的质量 m2 ( mg) ，Taber 磨耗值即为 m1 － m2 。

NBS 磨耗依据 ASTM D1630—2006 测试，用25mm 的正方形裁刀裁取厚度为 6 mm 的样片。取邵A65 的标准橡胶试片，用双面胶固定在 NBS 磨耗机力臂上的试片座内，放下力臂，使标准橡胶试片接触 NBS 磨耗机滚筒上的 40#专用耐磨砂纸。按“测试”键开始预磨，直到标准橡胶试片磨损呈现的弧度与砂纸弯曲吻合时停止预磨。调整撞针，记录测试测厚仪表盘上显示的厚度。将 NBS 磨耗机的计数归零，按下“测试”，直至磨损厚度达到 2. 5 mm，

     记录测试转数 Ｒ1 ; 取下标准橡胶试片换上测试样片，重复测试步骤，记录测试转数 Ｒ; 取下测试样片换上之前的标准橡胶试片，记录测试转数 Ｒ2 。NBS耐磨指数为 2Ｒ / ( Ｒ1 + Ｒ2 ) × 100% 。

2结果与讨论

2. 1        多元醇种类对弹性体涂层耐磨性能的影响

本实验采用了相对分子质量 1000 的 N-210 和 PTMG1000 两种聚醚多元醇，分别和一定量的 MDI( MDI-50 与 LMDI 摩尔比 2∶ 1) 合成了 NCO 质量分数分别为 10% 、13% 和 15% 的预聚物。这 3 种预聚物与相应的 B 组分分别进行喷涂，并对制备的弹性体涂层进行了测试，结果见表 1。

由表 1 可见，相同 NCO 含量下，由 PTMG-1000制备的弹性体的拉伸强度、回弹性和 Akron 磨耗明显优于由普通聚氧化丙烯醚多元醇制备的弹性体。聚醚多元醇软链段的相对分子质量和分子结构决定［2 － 3］        。分子链结构规整，主分子了涂层的回弹性能，链段上无侧支，那么弹性体涂层的回弹性能越好。PTMG 分子结构中，醚键之间是 4 个碳原子的直链烷基，偶数碳原子的烃基排列非常紧密，分子间的吸引力非常大，所以 PTMG 型聚氨酯弹性体具有良好［4 － 5］的弹性和很高的拉伸强度 。喷涂弹性体的回弹性能越好，在受到外力冲击时涂层的缓冲性能越好，对外界粒子磨损的缓释越好，从而增加了弹性体的耐磨性能。

2. 2        助剂对弹性体涂层耐磨性能的影响

除了由原材料本身分子结构决定的弹性体耐磨性能外，喷涂型耐磨聚氨酯弹性体的耐磨性能还受［6］到其他诸多因素的影响        。可以通过添加功能助［7 － 8］剂如耐磨填料、增滑助剂的方式 来增加弹性体的耐磨性能。耐磨填料能够吸收部分摩擦热，加之填料本身承载部分摩擦力，所以增加了弹性体涂层的耐磨性能。增滑助剂则是通过降低弹性体涂层的表面摩擦系数来提高弹性体的耐磨性能。由于聚氨［9］，酯弹性体本身的摩擦系数比较高 所以可添加一些粉末状增滑助剂以降低其表面摩擦系数，如二硫［10］化钼、聚四氟乙烯粉等各类增滑助剂        。

由于喷涂型耐磨弹性体是在高温高压下通过专门的双组分喷涂设备混合反应后经喷枪喷涂而成，所以在功能助剂的选择上要考虑到生产工艺。表 2中的实验是通过添加质量分数 3% 的不同粉末状增滑助剂对比同一体系涂层的表面动 / 静摩擦系数的降低率。

由表 2 可见，不同的增滑助剂对降低弹性体涂层表面摩擦系数所起的作用是不同的。粉末状类增滑助剂没有迁移特性，耐磨涂层的稳定性能好。经过对比试验，质量分数均在 3% 的情况下，一款国产增滑助剂 A 表现出了优异的效果，和空白样片相比较，喷涂弹性体涂层表面静摩擦系数降低了14. 6% ，动摩擦系数为 0. 321，降低了 21. 5% 。摩擦系数的降低意味着摩擦内生热的降低，同样工作环境下，有效降低了磨耗，从而变相提高了弹性体的耐磨性能。

2. 3        增滑助剂 A 对弹性体涂层 4 种磨耗的影响

对未添加助剂的空白喷涂样片和添加增滑助剂A 的喷涂样片分别进行了 4 种磨耗测试。测试结果见表 3。

由表 3 可见，标准实验条件下不同的磨耗实验机测得的实验结果不仅表示方法不同，其数值也是不同的。这些测试数据之间没有必然的联系，其磨耗数值也是不可类比的。对于质量磨耗和体积磨耗来讲，测试数值越低表示该弹性体涂层的耐磨性能越好; 但对于磨耗指数来讲，指数值越高则表示弹性体涂层的耐磨性能越好。从表 3 还可以看出，添加增滑助剂 A 的喷涂弹性体涂层的 Akron 磨耗、DIN磨耗、Taber 磨耗和 NBS 磨耗分别降低了 33. 3% 、 30. 8% 、30. 9% 和 48. 0% 。增滑助剂 A 的引入对提高弹性体涂层耐磨性起到了非常重要的作用。

3结论：

PTMG型喷涂聚氨酯弹性体在耐磨性、回弹性、拉伸强度方面明显优于普通聚氧化丙烯醚多元醇类的喷涂聚氨酯弹性体。

2、增滑剂A的引入提高喷涂弹性体涂层的耐磨性能

3、标准条件下不同的磨耗试验机测得的磨耗数值之间没有必要的联系，对于体积磨耗和质量磨耗来讲，磨耗数值越低，表示该涂层的耐磨性能越好，而磨耗指数则相反。

孟庆莉        崔洪犁        吴文文        刘东晖

( 海洋化工研究院青岛佳联研发生产基地

       

山东青岛 266000)