高分子结构材料刮擦行为影响因素与改性方法

　　摘    要：　本文就来研究高分子材料刮擦行为, 了解高分子材料的变形理论及影响因素, 分析增强高分子材料表面耐刮擦改性的方法。

　　关键词：　高分子材料; 刮擦行为; 表征; 改性;

　　高分子材料是现代建筑、汽车、包装等领域应用的新型材料, 随着高分子技术研究的加深, 高分子材料的类型越来越多, 常见的新型高分子材料包括高分子分离膜、高分子磁性材料、光功能高分子材料、高分子复合材料等。高分子材料的加工是借助合成技术将单体分子材料进行觉和造粒与熔融加工, 加工单过程中收到引发剂的帮助使得高分子材料性能得到改变, 其加工工艺相对简单, 具有较好的热定型和拉伸性。高分子材料在成型的过程中, 受成型时间、应力、压力、温度等影响其聚合态机构与化学结构存在差异性, 结构耐刮擦的性能业有所不同。
 

　　一、高分子材料刮擦行为概述

　　刮擦, 按照标准ISO19252-2008, [1]定义为:具有特定形状和尺寸的硬质刮头在规定的法向荷载和移动速率下滑过样品表面所造成的损伤和破坏 (如下图) 。高分子材料刮擦行为是指在高分子材料上实施的刮擦。刮擦行为能够影响高分子材料表面的结构的完整性和美观性, 而高分子材料刮擦行为的研究就是通过对高分子材料刮擦测试来了解高分子材料能够承受的刮擦荷载, 从而分析高分子材料刮擦行为的影响因素, 研究高分子材料耐刮擦行为的改性方法, 最终达到改善高分子材料性能的目的。常见的高分子材料刮擦行为有汽车表面的刮痕、收集表面的刮痕、金属管道高分子保护材料的划痕、电脑产品的划痕等, 了解常见的高分子材料行为刮擦有助于更加准确到位的理解高分子材料的刮擦行为。以上这些产品表明都是经过高分子材料进行保护或材料本身属于高分子材料, 而高分子材料刮擦行为不仅会影响产品的美观性, 还会加剧其内部结构的腐蚀速度, 缩短产品使用寿命, 可见研究高分子材料刮擦行为有着很重要的意义与价值。

　　刮擦行为示意图

　　二、高分子材料变形理论

　　高分子材料刮擦行为的研究是基于高分子材料的变形理论而言的, 研究主要应用发高分子擦了耐刮擦性能表征理论, 如刮擦测试理论、高分子材料固定荷载、高分子材料刮擦评价;高分子材料刮擦变形破坏理论, 如刮擦特征、损伤新时、受力分析、周期性损伤阶段、变形过程等。高分子材料类型多样, 不同的高分子材料变形理论基础不同, 产生刮擦行为的基础不同, 因此刮擦测试的方法不同。刮擦测试实验主要有五指刮擦、网格刮擦、硬度试验笔刮擦、摩擦色牢度刮擦和Taber摩擦仪刮擦等5种, 刮擦实验结束后测定刮痕处的颜色变化, 用ΔL*值代表的发白程度来表征材料的耐刮擦性能, ΔL*值越大说明材料的耐刮擦性能越差。或使用目测法来检测高分子材料表面的损伤程度, 并分析高分子材料刮擦行为所受的影响因素。

　　三、高分子结构材料刮擦行为的影响因素

　　(1) 本构行为。

　　本构行为是高分子材料收到拉伸力与压缩应力得到影响而发生的断裂和屈服行为, 本构行为中的本构参数代表着高分子材料所受刮痕的大小。一般在拉伸本构行为中, 拉伸行为造成的刮擦较小, 主要为产生周期性的微小裂纹, 形成的刮痕较为粗糙。在压缩本构行为中刮擦行为的大小和压缩应力的大小有关系, 当压缩应力越大, 刮擦行为越严重。压缩本构行为中, 刮擦行为受高分子材料屈服强度、应变硬化开始时的应变、应变硬化斜率、应变软化斜率等本构参数影响。

　　(2) 表面摩擦系数。

　　刮擦行为产生时滑动会产生的切线摩擦力, 切下摩擦力就会造成高分子材料表面出现刮痕。当摩擦系数越大, 刮擦行为中产生的切向力就越大, 刮痕程度越深。如果此时高分子材料表面的粗擦系数COF越大, 则会减小摩擦中的接触面积, 此时可减少刮擦的划痕。

　　(3) 高分子膜材料。

　　高分子膜材料是高分子材料保护技术, 主要利用多层复合技术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层的厚度、粘接强度, 而高分子膜材料的叠加顺序则会影响刮擦行为的产生和大小。

　　(4) 测试条件。

　　测试条件包括刮擦速率、温度、湿度和刮头几何形状等, 通过不同条件测试即可了解高分子材料的耐刮擦温度、速率等, 而部分高分子材料汇因为温度、适度和刮擦头等差异而导致造成的损坏程度不同。一般, 刮擦头产生的压力越强, 刮擦损伤越严重, 温度越低, 刮擦损伤程度越严重。

　　四、增强高分子材料表面耐刮擦改性的方法

　　(1) 刮擦改性剂。

　　使用刮擦改性剂可以提高高分子材料的爽滑程度, 从而增加高分子材料的耐刮擦性。通常添加的改性剂为芥酸酰胺等双滑稽, 它能使高分子聚合物冷却时自动形成一层蜡状润滑层, 减小摩刮擦行为中的擦力。

　　(2) 表面纹理。

　　表面纹理具有两种作用, 第一可以增加高分子材料的美观性, 第二可以增加高分子材料表面的粗糙程度, 减小刮擦行为中刮擦头与高分子表面的接触面积, 从而较小摩擦系数, 减小刮擦行为中的损伤。

　　(3) 表面涂层。

　　表面涂层是应用专用的耐刮擦的涂层技术对高分子材料表面进行保护, 通常保护涂层为纳米粒子改性聚合物, 主要原料为聚丙烯酸酯类树脂, 其耐刮擦效果良好。

　　(4) 共混。

　　多相多组高分子材料是通过增加橡胶等填料来改善高分子材料的韧性, 加入的高分子材料组分越多, 高分子材料耐刮擦行为就越强, 会相应的减轻划痕。根据不同高分子材料的属性, 可以利用共混组分和共混原理来增强多相多组分高分子材料的耐刮擦行为, 减低刮擦行为中的划痕损伤程度。

　　五、结语

　　综上所述, 高分子材料表面刮擦行为差异性是多种用力作用的共同结果, 刮擦行为所受的影响因素较多, 主要影响因素为高分子材料服役过程中复杂的条件、高分子材料改性的方法以及刮擦行为的计算机继模拟与预测的差异。受多种因素影响, 同一种高分子材料刮擦行为产生的时间、程度、面积自然存在差异性, 而了解高分子资料的结构与刮擦性能对于改善高分子材料耐刮擦行为有着重要的价值与作用, 它将推动高分子材料耐刮擦改性技术的进一步提升与发展。

　　参考文献

　　[1]徐杨, 李顿, 沈佳斌, 郭少云, Hung-Jue Sue.高分子材料刮擦行为研究进展[J].高分子学报, 2018 (10) :1262-1278.
　　[2]刘杰.聚碳酸酯 (PC) 纳米尺度刮擦行为实验研究[D]西南交通大学, 2018.
　　[3]程前.高分子材料刮擦实验设备设计与实验应用[D]西南交通大学, 2016.