耐磨TPU市場需求廣泛,比如電纜、角輪、皮帶、扶梯等。這些應(yīng)用中有的需要TPU材料耐磨,有的要求摩擦系數(shù)范圍,還有要求兩者兼?zhèn)洌@就對TPU材料的綜合性能指標(biāo)提出了很高的要求。

長期以來,TPU耐磨實(shí)現(xiàn)的方式無外乎添加潤滑助劑、耐磨物質(zhì)及引入微交聯(lián)體系等,各種方法的特點(diǎn)見表1。昆山融點(diǎn)材料科技有限公司長期致力于All-SiV(硫化硅橡膠合金)的研發(fā),公司TPU/硅橡膠合金產(chǎn)品具有區(qū)別于現(xiàn)有產(chǎn)品的耐磨特性,只需在TPU中添加適量的All-SiV母粒即可以使TPU的磨耗下降50%-75%,其耐磨性提高到原來的2-3倍,遠(yuǎn)超過市場現(xiàn)有耐磨TPU的效果,而且適量的添加對TPU摩擦系數(shù)的影響同現(xiàn)有幾種耐磨TPU差異明顯,我們做了如下對比:

表1  TPU耐磨不同實(shí)現(xiàn)方式對比

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這里可以看出,通過簡單添加All-SiV母??梢悦黠@提升TPU材料的耐磨性能,那什么是All-SiV呢?

All-SiV(Vulcanized silicone rubber alloy----硫化硅橡膠合金)是融點(diǎn)材料科技有限公司的特有技術(shù),采用動態(tài)硫化交聯(lián)技術(shù)將硅橡膠(氟硅橡膠)微粒均勻分散硫化在高分子材料中,形成微納米海島結(jié)構(gòu)的高分子合金材料。

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All-SiV產(chǎn)品的特點(diǎn)是均勻分散與微相尺寸的控制,下幅示意圖是理想的分散狀態(tài):

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(下圖是融點(diǎn)A-S/TPU 2175 的SEM 50微米照片)

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(下圖是融點(diǎn)A-S/TPU 2175 的SEM  5微米照片)

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SEM中能清晰看到合金材料中含有大量交聯(lián)的硅橡膠微粒,且硅橡膠相分散均勻,相尺寸在2-10um之間,交聯(lián)結(jié)構(gòu)使得合金材料不出粉、不析蠟、不出油,生產(chǎn)過程中螺桿不打滑,同時(shí)也賦予了合金材料部分硅橡膠的優(yōu)異性能,比如添加合金后的彈性體具有極佳的親膚觸感、易清潔性、人體排異性小等,那本文重點(diǎn)講述的優(yōu)異的耐磨性能其原理是什么呢?下面我們從力學(xué)、磨耗、摩擦系數(shù)這幾個(gè)方面來分析。

對力學(xué)性能的影響


表2   TPU添加不同比例A-S/TPU母粒及硅酮母粒的力學(xué)性能對比

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備注:

      1、試驗(yàn)用TPU為聚醚型80A,ZT300。

      2、試驗(yàn)用A-S/TPU母粒的載體為聚醚型80A,ZT300。

      3、試驗(yàn)用硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒。


小結(jié):
  • 添加了A-S/TPU母粒的TPU拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都是增加的,伸長率變化不大。

  • 添加了EVA載體硅酮母粒的TPU材料拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都是下降的。



應(yīng)用在不同類型TPU的磨耗對比


表3   A: 聚酯TPU磨耗對比(64D聚酯TPU添加A-S/TPU母粒及硅酮母粒的磨耗對比)

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備注:

       1、本試驗(yàn)用TPU為聚酯型64D,ZT64D。

       2、A-S/TPU母粒的載體為ZT64D。

       3、硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒。


小結(jié):
  • 添加5%A-S/TPU母粒的磨耗與純TPU比下降了60%。

  • 添加10%A-S/TPU母粒的磨耗與純TPU比下降了75%。

  • 添加1%和2%硅酮母粒的材料磨耗與純TPU比分別下降了30%和32%,比較接近。


表4  B:聚醚TPU磨耗對比:(80A聚醚TPU添加A-S/TPU母粒及硅酮母粒的磨耗對比)

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備注:

       1、本試驗(yàn)用TPU為聚醚型80A,ZT300

       2、A-S/TPU母粒的載體為ZT300

       3、硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒


小結(jié): 
  • 添加1%和2%的硅酮母粒后,材料的磨損質(zhì)量相差較小,硅酮母粒添加量的變化對提高耐磨的效果有限。

  • 添加5%的A-S/TPU母粒的磨耗與純TPU比下降了35.13%,與TPU+1%EVA載體硅酮母粒相當(dāng)。

  • 添加10%A-S/TPU母粒的磨耗與純TPU比下降了51.35%,遠(yuǎn)超過添加硅酮母粒的效果。


以上是我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),再來看一下實(shí)驗(yàn)樣板的SEM:

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從電鏡圖中我們可以看出它們的區(qū)別:

  • 磨損形成的犁溝的排序(深度/寬度):純TPU > TPU+硅酮母粒 > TPU+All-SiV母粒,在實(shí)際樣板上前兩者的犁溝非常明顯,而TPU+All-SiV母粒樣板的犁溝肉眼幾乎看不到)


  • 磨損形成的沙拉馬赫條紋的區(qū)別:

       *純TPU的條紋又深又寬且呈現(xiàn)出趨向于不規(guī)則多邊形的形狀。


      * TPU+硅酮母粒的條紋的深度、寬度僅次于純TPU,且形狀也類似。  

                                    

       *TPU+All-SiV母粒的條紋的寬度和深度是最小的且呈現(xiàn)相對比較規(guī)整的棒條狀。


  • TPU+All-SiV母粒的樣板磨掉的碎屑呈片狀,而另外兩者磨掉的皆為極細(xì)的粉末。


All-SiV母粒的添加效果明顯的原因有以下幾個(gè)方面:

  • (1)   All-SiV母粒中含量有大量的硅橡膠,而硅橡膠的表面能比較低,只有19-21,這就在一度程度上降低了混合材料的摩擦系數(shù),降低了磨耗。

  • (2)   All-SiV母粒中硅橡膠是交聯(lián)結(jié)構(gòu),因?yàn)槌叵滤诨w中是不可移動的,低表面能帶來的耐磨性能是內(nèi)外一致的,它的耐磨性能是永久性的,這一點(diǎn)它不同于遷移型的線性硅氧烷和蠟,當(dāng)它們的潤滑層磨損完了其耐磨性能也就降低甚至消失了。

  • (3)   All-SiV母粒中,硅橡膠與TPU的相容我們是通過接枝、共聚的方式來實(shí)現(xiàn)的,界面強(qiáng)度高,類似于在純TPU聚合中引入微交聯(lián)體系的原理,有機(jī)硅相分離的特殊結(jié)構(gòu)提升了材料的物理性能,特別是撕裂強(qiáng)度的提高,由于硅橡膠微粒的韌性非常好,可以起到韌性保護(hù)層和吸收沖擊能量的作用,使得材料在磨損過程中不容易被切削破壞,且硅橡膠的壓縮性高,在摩擦面上減少了對材料的摩擦破壞。

  • (4)  All-SiV母粒的添加可以提高TPU材料的耐溫性。摩擦?xí)r的真實(shí)接觸面積對其磨耗有影響,與壓力、模量以及粗糙度均有關(guān)聯(lián),提高純聚合物的模量對其磨耗有利。而合金中的硅橡膠的海島結(jié)構(gòu),其模量基本不隨摩擦升溫而變化,因此可以降低TPU隨溫度變化導(dǎo)致的模量降低,而純TPU或者引入添加劑材料的模量會隨溫度升高而降低。因此合金在高溫下模量的保持可以減少其在粘滑摩擦?xí)r的形變,減輕了拉伸和撕裂對材料的破壞,一定程度上也提高了其耐磨性能。



對摩擦系數(shù)的影響


同為有機(jī)硅,那添加All-SiV母粒和線性硅油來解決耐磨問題時(shí)它們在摩擦系數(shù)方面的區(qū)別在哪里?我們做了幾組不同的實(shí)驗(yàn)。

表5  第一組:與離型紙的摩擦系數(shù)對比(負(fù)載:4.9N,接觸面積:9.2*3cm, 100mm/min)

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備注:
      1、試驗(yàn)用TPU為聚醚型80A,ZT300
      2、試驗(yàn)用A-S/TPU母粒的載體為聚醚型80A,ZT300
      3、試驗(yàn)用硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒

表6  第二組:與304不銹鋼板的摩擦系數(shù)對比(負(fù)載:14.43N,接觸面積:17*40cm,100mm/min) 

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備注:

      1、試驗(yàn)用TPU為聚醚型80A,ZT300

      2、試驗(yàn)用A-S/TPU母粒的載體為聚醚型80A,ZT300

      3、試驗(yàn)用硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒

      4、在TPU+20% A-S/TPU母粒中,其摩擦系數(shù)是巨幅下降的,這和硅橡膠的含量有密切關(guān)系。


表7  第三組:與羊毛氈的摩擦系數(shù)對比  (負(fù)載:1.96N,接觸面積63*63mm, 100mm/min)

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備注:

      1、試驗(yàn)用TPU為聚醚型80A,ZT300。

      2、試驗(yàn)用A-S/TPU母粒的載體為聚醚型80A,ZT300。

      3、試驗(yàn)用硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒。


表8  第四組:材料自身摩擦系數(shù)對比(負(fù)載:0.98N,樣條尺寸:80*20mm  100mm/min)

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備注:

      1、試驗(yàn)用TPU為聚醚型80A,ZT300。

      2、試驗(yàn)用A-S/TPU母粒的載體為聚醚型80A,ZT300。

      3、試驗(yàn)用硅酮母粒為EVA載體硅酮母粒。


總結(jié):由以上的幾組摩擦系數(shù)的數(shù)據(jù)我們得出以下特點(diǎn):

  • 摩擦系數(shù)與所接觸的介質(zhì)關(guān)系非常大,與不同介質(zhì)之間的摩擦系數(shù)的數(shù)值及變化趨勢不完全一致,并不是全部上升或下降,更不是線性關(guān)系。
  • 在TPU+All-SiV母粒與離型紙、不銹鋼、羊毛氈等介質(zhì)的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)中,10%以內(nèi)的All-SiV母粒的添加量對摩擦系數(shù)影響相對較小,而且由于All-SiV獨(dú)特的海島結(jié)構(gòu),使其性能長期穩(wěn)定,不會象添加了遷移型蠟和硅酮那樣隨著時(shí)間延長而變化明顯。
  • 在添加了10%以內(nèi)的All-SiV母粒后的TPU材料與自身的摩擦系數(shù)急劇增加且增幅巨大,這個(gè)特性在一些特殊的對止滑有要求的應(yīng)用中極具使用潛力。
  • 在以上四個(gè)介質(zhì)的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)中,添加量為20%含量All-SiV母粒的TPU的摩擦系數(shù)都是下降的,且降幅非常明顯,在一些需要爽滑的產(chǎn)品中20%的添加量是起始點(diǎn),達(dá)到這個(gè)添加量的彈性體材料在模具的配合下即可得到“細(xì)膩、柔軟、爽滑”的極佳觸感。


All-SiV在耐磨應(yīng)用中的特性


既能大幅提升TPU耐磨性能又對材料的摩擦系數(shù)影響不大是我們All-SiV產(chǎn)品作為耐磨應(yīng)用中最大的特點(diǎn),如果您對我們的All-SiV產(chǎn)品在耐磨或其他方面有興趣,那就馬上聯(lián)絡(luò)我們吧!

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