提高刮擦性能

1、提高聚合物耐刮擦性能的助劑 介紹相對于工程塑料來說，聚丙烯（PP）、橡膠改性PP、熱塑性聚烯燒（TPOs）和熱塑性 彈性體（TPEs）等聚烯燃材料具有可回收、重量輕、成本低的優(yōu)勢，因而被越來越多地 應(yīng)用于汽車以及其它領(lǐng)域。然而聚烯燃材料的耐刮擦性能明顯較差，而這一性能卻是儀表 板、操控臺和門板表皮等汽車內(nèi)部應(yīng)用部件的關(guān)鍵性能。抗刮性是汽車外部應(yīng)用部件、 ATVs （全地形車輛）等車輛、耐用品和家具等的重要性能之一。塑料和汽車工業(yè)正積極 尋找解決方案以提高聚烯燃材料的耐刮擦性能。表面性能提高的聚烯煌能很好地代替金屬 和工程樹脂材料，同時還能很好地塑造出有顏色的用途。通過涂料、無機礦物填料和其它

2、助劑技術(shù)可以提高聚烯燒的耐刮擦性能。此外耐刮擦性能還取決于其它很多因素，例如樹 脂的類型、填料含量、助劑、顏料、加工條件和表面粒度等。據(jù)汽巴精化公司的汽車業(yè)務(wù) 部門經(jīng)理Johanne Wilson介紹：使用耐刮擦助劑的成本效益比涂料或者層壓材料方法更 為明顯，因此它越來越多地被用作解決方法?！毙碌闹鷦┘夹g(shù)已經(jīng)得到了商業(yè)化，更為有效的研究還在繼續(xù)進行。耐刮擦性能測試塑料制品表面有好幾種明顯損壞的方法，其中有尖銳物體的劃痕；磨料摩擦產(chǎn)生的磨損； 改變表面性能或光澤的表面損傷；或者鈍化物體輕微刮擦造成的寫入效果根據(jù)汽巴精化的高級研究員Ashu Sharma博士的解釋，材料在壓入力和滑動力或橫（側(cè)）向

3、力的作 用下發(fā)生屈服，產(chǎn)生延性/脆性破壞從而造成刮痕。在刮痕中，不平的表面產(chǎn)生不均勻的 光散射和刮痕發(fā)化改善刮痕性能的解決方法包括盡可能減小聚合物底面粗糙程度和降 低刮痕的胎肩，以產(chǎn)生盡可能少的光散射以及盡可能小的刮痕可見度。準(zhǔn)確地測量耐刮擦 性能，弄清楚表面破壞背后的材料科學(xué)知識對于形成改善方案是重要的。圖1:刮痕的物化在刮痕的不均勻底面和凸起的胎肩上 的光散射反映出嚴(yán)重刮擦的壓痕。粗 糙程度較小的表面會產(chǎn)生 較輕刮擦” 的壓痕。檢測表面損害的試驗方法有好幾種。一種是五指刮痕試驗（ five-finger scratch test ）,它 是在不同載荷刮擦后，根據(jù)經(jīng)驗比較刮痕可見度，美國的汽

4、車 OEM商們常常要求使用這 種方法。而歐洲的汽車行業(yè)廣泛采用的是伊利其遜十字形切口試驗（ Erichsen cross cut test）,它檢測的是刮痕應(yīng)力發(fā)白發(fā)生的顏色變化。美國德克薩斯A&M大學(xué)（TAMU）聚合物技術(shù)中心的刮痕聯(lián)盟（Scratch Consortium ）已經(jīng)開發(fā)出刮痕試驗設(shè)備和新的試驗方 法，最近已得到美國材料試驗協(xié)會（ ASTM）的批準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號為 D7027-5 。該刮痕試驗的測試方法所具有的較少主觀性已經(jīng)得到了汽車行業(yè)的肯定。作為聯(lián)盟會員的汽巴(Ciba)公司正為了能使這三個方法相互關(guān)聯(lián)起來而積極努力，希望這三個方法都能在短期內(nèi)得以 使用。TAMU大學(xué)的聚

5、合物技術(shù)中心主任 Hung-Jue Sue博士介紹說：聯(lián)盟會員給研究人員帶 來的汽車行業(yè)的現(xiàn)場經(jīng)驗，這種背景能直接表達出客戶的需求。重要的是這種表面破壞可以發(fā)生在不同負荷和不同速率條件下。根據(jù)Sue博士的介紹，傳統(tǒng)刮擦試驗裝置的缺點是它們不能定量地得到導(dǎo)致破壞的負荷 /速率，并且在數(shù)據(jù)的一致性和精度上也會出現(xiàn)問 題。TAMU試驗是在負荷非常小的條件下開始的，然后線性增加到預(yù)定的最大負荷。彈簧 加載式機械裝置可很好的控制負荷變化，尤其是加在其上的靜載荷機械裝置會有明顯變化 的粗糙表面上。處于一些臨界負荷條件下，表面開始破壞，或者導(dǎo)致刮痕發(fā)白、或者導(dǎo)致 其它位置的明顯刮痕。通過顯微鏡方法和圖像分析

6、可以研究材料破壞并檢測刮痕的可見 度。可以將刮痕寬度的變化作為負荷的函數(shù)進行畫圖并計算刮痕硬度”，這一方法可以用于其它的對比方法中。圖2:力學(xué)測試儀器*2004年設(shè)計于得克薩斯A&M大學(xué)的定制刮痕 機器*配置了負荷和位移數(shù)據(jù)獲取的單板傳感器根據(jù)Sue博士的介紹，這些定量結(jié)果對于更加精確的刮擦難題解決方法的比較是非常重要 的，這給產(chǎn)業(yè)供應(yīng)商的努力提供了一臂之力。Rio Tinto工業(yè)礦產(chǎn)產(chǎn)品集團(Rio TintoIndustrial Minerals Product Group )的下屬部門 Luzenac 是 TAMU 聯(lián)盟的成員，它的高 級技術(shù)經(jīng)理Oscar Noel表示贊成，據(jù)他

7、介紹：針對光滑和粗糙兩個表面，TAMU設(shè)備和方法得到了準(zhǔn)確的、重復(fù)性好的數(shù)據(jù)。”相對于傳統(tǒng)的使用1毫米/秒的設(shè)備，新試驗測試設(shè)備的另一個重要優(yōu)勢在于它的速度可高達400毫米/秒。根據(jù)Sue博士的解釋，速度越高越是反映出真實的刮擦環(huán)境。表面設(shè)備系統(tǒng)( Surface Machine Systems )是一家新公 司，它成立于2006年6月，為線性增加負荷(Linear Load Increase )測試新方法生產(chǎn)測 試設(shè)備。TAMU的研究人員同時已經(jīng)采用了這一方法進行耐擦傷性能研究，而且希望明年 能公布這項工作。無機礦物改性劑在聚烯燒中使用滑石粉和硅灰石等無機礦物改性劑，一可以起到降低成本的填料

8、作用，還 有就是提高性能，例如剛性、耐熱性以及其它性能。礦物的類型和性質(zhì)也會影響刮擦性 能。根據(jù)NYCO礦產(chǎn)公司(NYCO Minerals )的塑料部門總經(jīng)理 Gary Phillips的介紹： 影響耐刮擦性能的重要礦物性能包括顆粒尺寸分布、長徑比以及表面處理的類型和數(shù)量。” NYCO公司的化學(xué)法改性的超細高長徑比硅灰石主要用于提高汽車內(nèi)部、外部和引擎罩內(nèi)的應(yīng)用產(chǎn)品以及耐用品領(lǐng)域的耐刮擦性能。根據(jù)Phillips 先生的介紹：“正在開發(fā)新的硅灰石牌號和新的表面處理方法以滿足提高物理性能以及提高耐刮性的需要。”填充標(biāo)準(zhǔn)滑石粉的零部件產(chǎn)品可能會受到“刮痕發(fā)白 ”的影響，但是特殊級別的滑石粉能提高

9、耐刮擦性能。Luzenac 提供比標(biāo)準(zhǔn)的軟質(zhì)滑石粉更硬的煅燒滑石粉。結(jié)合使用能提高界面粘附性能的偶聯(lián)劑，煅燒滑石粉具有了改善耐刮擦性能的功能。Luzenac 的新 R-7 滑石粉牌號在沒有偶聯(lián)劑使用條件下，就具有了提高耐刮擦性能的表面處理能力。納米材料根據(jù)通用汽車研發(fā)(General Motors Research and Development )的復(fù)合材料加工集團( Composites Processing Group )經(jīng)理 Howard Cox 介紹，正被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的納米粘土材料，主要作用是降低密度、提高模量和減少熱膨脹系數(shù)(CTE )，但是帶來的附加優(yōu)勢是更好的耐刮擦性能。GM

10、 正在將市場上的納米復(fù)合材料應(yīng)用到汽車內(nèi)外零部件中。一般來說在TPO 材料中，5% 的納米粘土可替代25% 的滑石粉，而且還能保持相當(dāng)?shù)哪Ａ啃阅堋８鶕?jù)Cox 博士的介紹，除了更小的顆粒尺寸以外，礦物填料減少的量能明顯降低刮痕的可見度?？梢詫?BYK 化學(xué)( BYK Chemie )公司的納米尺寸的NANOBYK 二氧化硅和氧化鋁加入到紫外固化或者溶劑基涂料當(dāng)中，以提高包括汽車透明涂料在內(nèi)的各種應(yīng)用中的耐刮擦性能。根據(jù)BYK 化學(xué)的納米技術(shù)部的領(lǐng)頭人Thomas Sawitowski 博士介紹，雖然顆粒尺寸較大的材料會減少透明涂料的光澤并使霧度增加，但納米尺寸的材料卻不會影響其光澤或影響非常小，

11、而且還不會損失其柔韌性。爽滑劑代表性的爽滑劑有芥酸酰胺，當(dāng)它被加入進熱塑性塑料中的時候，會遷移到聚合物產(chǎn)品的表面或起霜白化，產(chǎn)生一個臘層，減少了摩擦系數(shù)同時也降低了刮痕的可見度。得克薩斯A&M 的研究發(fā)現(xiàn)，在聚烯烴材料中沒有處理的滑石粉干擾了芥酸酰胺的起霜白化，但是表面處理的滑石粉能讓更高含量的芥酸酰胺顯露到表面上來，提高了其抗刮痕可見度的能力。根據(jù)Sharma 博士的報告，芥酸酰胺的一個問題是當(dāng)暴露在紫外光的條件下，在表面形成高濃度積聚會帶來膠粘性，盡管膠粘性會在延續(xù)的紫外光照射后離解。雖然開始反應(yīng)速率和表面膠粘性消散的速度隨著配方中光穩(wěn)定劑類型變化而變化，但是光穩(wěn)定劑不會阻止也不會

12、導(dǎo)致膠粘性。根據(jù)Sharma 博士的解釋，芥酸酰胺在紫外光照射下會降解，產(chǎn)生變色和粘性兩個變化。他還補充認為，芥酸酰胺的其它問題還有耐氣候性差、可涂飾性不好、應(yīng)用于汽車外部會起霧。硅基添加劑道康寧(Dow Corning )公司下的Multibase 公司推出了一類色母粒，它含有能分散于不同熱塑性樹脂中的超高分子量硅氧烷聚合物。根據(jù)Multibase 公司的銷售及市場部副總裁Andy Ubhi 介紹，硅氧烷由于分子量高不會遷移到表面，因而產(chǎn)生非常好的、長期的耐刮擦性能。硅氧烷色母粒正在被應(yīng)用于汽車內(nèi)外部件、消費領(lǐng)域、基礎(chǔ)管道和薄膜市場等商業(yè)用途。Multibase公司將計劃于2006年10月推

13、出SIE、硅氧烷增強的TPEs ,用于提高儀表板表皮、安全氣囊飾蓋、汽車門板的軟裝潢、消費類商品和工業(yè)用品等應(yīng)用產(chǎn)品的耐刮擦性能。新型非遷移性表面劑汽巴(Ciba)公司于2005年10月向市場推出了 IRGASURF SR 100 ,據(jù)該公司介紹目前正被應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。和硅氧烷和爽滑劑一樣，IRGASURF 能潤滑聚合物表面，產(chǎn)生較少的刮痕可見度。和芥酸酰胺不同的是IRGASURF 不會遷移，也不會產(chǎn)生表面膠粘性。據(jù)該公司介紹，該助劑還能降低芥酸酰胺和硅氧烷基助劑應(yīng)用中出現(xiàn)的較差的粘附性能、可涂飾性不好的問題。根據(jù)Wilson 女士的介紹，IRGASURF 除了提供刮擦提供保護以外，還保護了來

14、自沖擊作用而導(dǎo)致的應(yīng)力發(fā)白，這對于汽車外部應(yīng)用來說，是一個特別的優(yōu)勢。根據(jù)Sharma 博士的介紹，IRGASURF 不會和其它助劑發(fā)生明顯反應(yīng)，可以和任何類型的受阻胺類光穩(wěn)定劑（HALS） 一起使用。塑料在加工過程中，樹脂與設(shè)備間存在的摩擦既降低了樹脂流動性，又增加了能耗，并且由于摩擦生熱而降低了樹脂的穩(wěn)定性，造成薄膜表面粗糙而失去光澤，這對于日益高速化、自動化的包裝材料的加工來說是非常不利的，因此，高效爽滑劑開發(fā)應(yīng)用的重要性日 益彰顯?，F(xiàn)代塑料加工正朝著自動化、高速化和高品質(zhì)化方向發(fā)展。加工速度越快，越易摩擦而產(chǎn)生靜電，薄膜（塑料制品）之間越容易粘連，嚴(yán)重阻礙高線速度擠出；薄膜的透明性越好

15、，加工成型溫度越高，越容易結(jié)團、粘連；另外，碳酸鈣、滑石粉和硅藻土等填充材料的廣泛應(yīng)用又給塑料加工和制品質(zhì)量帶來了新的課題，影響其制品表面的爽滑性和表面光澤。因此爽滑劑在塑料生產(chǎn)中和自動化包裝中起到異常重要的作用。目前，國內(nèi)常見爽滑劑品種有酰胺類（油酸酰胺和芥酸酰胺 Erucic amide）、皂類（硬脂酸鈣等 ） 和有機硅類（硅酮）。后者是液體狀，添加使用不方便，且價格昂貴，國內(nèi)無專業(yè)生產(chǎn)廠家，難以推廣應(yīng)用。皂類產(chǎn)品雖然廉價，但效果不理想，且添加量大，在中，高檔制品中基本上不能使用。油酸酰胺和芥酸酰胺這兩種爽滑劑，價格適中，效果明顯，添加量極少（0.05%0.3%）,無毒（被FDA認證），使

16、用范圍廣，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。在低密度聚乙烯（LDPE）樹脂中，添加0.05 %0.3 %油酸酰胺，可顯著降低樹脂的靜、動摩擦因數(shù).提高樹脂的易加工性和薄膜的開口性，有效防止薄膜間粘連，增加薄膜或成型制品的手感和改善制品表面的光潔度。在聚烯烴電纜料中和全塑通信電纜料中，添加油酸酰胺（0.05 ），摩擦因數(shù)可從0.70 降至0.16，同時還能改變其著色性，以及炭黑等分散性，實現(xiàn)電纜粒料高速擠出，改善電纜護套管的內(nèi)壁光滑度。要使復(fù)合膜（如透明PP 復(fù)合膜和PP 珠光膜等）的摩擦因數(shù)低于0.4，必須加入爽滑劑（油酸酰胺或芥酸酰胺），一般應(yīng)加入芯層（中間層），使其遷移到表面。BOPP 作為一種新型

17、的包裝材料，在煙草工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，為了適應(yīng)速度高達每分鐘500800包的香煙包裝機的要求，其摩擦因數(shù)必須0.2只有添加芥酸酰胺（0.12 %左右），才能得如此低的靜、動摩擦因數(shù)。PP 吹脹膜對爽滑性的要求很高，因此，爽滑劑的選擇很重要，在實際生產(chǎn)工藝中采用芥酸酰胺和油酸酰胺混合共同使用，才能達到理想效果。自動灌裝機包裝的牛奶、豆?jié){、醬油、飲料等液體物質(zhì)，要求包裝膜易開口、動摩擦因數(shù)0.35只有加入油酸酰胺或芥酸酰胺才能達到要求.在發(fā)泡聚乙烯（水果網(wǎng)套）中添加0.02 %0.1 %油酸酰胺，可使其靜摩擦因數(shù) <0.3Q光澤明顯增加。一次性醫(yī)用注射器，對透明度、強度、彈性及表面爽滑性要求特別高，因此，在物料中必須添加爽滑劑。在塑料油墨（表印油墨）中添加使用油酸酰胺或芥酸酰胺，能提高油墨表面的爽滑度和光潔度，還可改善油墨在印刷晶表面的附屬性、抗粘性、抗刮傷性和抗透印性，使得印跡清晰，色澤鮮艷。目前，塑料包裝材料已超過我國塑料總耗量的30，包裝材料表面的靜、動摩擦因數(shù)（即爽滑性和開口性），是適應(yīng)各種機械化和自動化包裝工藝中最重要的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)，也是影響包裝作業(yè)效率最關(guān)鍵的質(zhì)量特性，一般要求控制在0.35 以內(nèi)，只有加入爽滑劑，才能使塑料包裝制品的摩擦因數(shù)達到此要求，防止薄膜自相粘接或與被包裝物粘接。鑒于包裝和印刷用塑料的快速增長，高效爽滑