水性聚四氟乙烯改性自潤滑涂料的制備與應用

方勝陽，田友峰，章于川

（1.安徽安大中鼎橡膠技術開發有限公司，安徽 合肥 230088；2.高性能橡膠材料及制品安徽省重點實驗室，安徽 寧國 242300；3.安徽庫伯密封技術有限公司，安徽 寧國 242300）

O形橡膠密封圈（以下簡稱O形圈）是重要的工業基礎件，幾乎應用在所有的交通運輸工具、機械、能源和電器等設備中。從飛機、艦船、汽車、高速列車的發動機以及采油、采煤、采礦的大型機械設備直到家用電器（如空調、熱水器、凈水器等），無一不使用O形圈來發揮重要的密封作用。在將O形圈安裝到發動機、機械和電器設備的過程中，無論是手工還是半自動或自動化操作，都需要對O形圈表面進行潤滑處理。雖然在密封圈上涂覆潤滑劑或滑石粉進行潤滑處理比較容易，且成本也低，但是在較短時間內潤滑劑會因自身重力而流到底部形成油污，如不及時清理，則會使自動安裝線的設備發生堵塞，導致停工，而在密封圈的頂部幾乎沒有潤滑劑，影響裝配操作；滑石粉則易從O形圈上脫落，失去潤滑作用，并會產生粉塵，影響操作工人的健康安全[1-3]。

對O形圈表面涂覆具有自潤滑性的聚四氟乙烯（PTFE）涂料是可以考慮的辦法。硫化膠表面涂覆低摩擦因數的PTFE涂層后[4-5]，其工作時的摩擦機理就變成了自潤滑涂層與摩擦副之間的相對滑動，避免了O形圈的橡膠基體與摩擦副的直接接觸，減小了摩擦因數，減少了O形圈的磨耗，方便了O形圈的裝配，且簡單易行。但是低摩擦因數的純PTFE自潤滑涂層與橡膠基體的附著力較差，因此必須優選合適的材料對純PTFE成膜乳液進行共混改性[6]，以提高成膜樹脂層與橡膠基體之間的界面結合力，同時為了環保需要應設計成水溶性或水分散性涂料。

本工作優選與橡膠基體界面粘合性能優良的水分散性成膜樹脂，并配合相關助劑，與PTFE乳液共混，制備出水性PTFE改性自潤滑涂料（以下簡稱水性PTFE改性涂料），探討添加組分對涂料及其涂層性能和涂裝工藝的影響，以確定最佳的涂裝工藝條件。

1 實驗

1.1 主要原材料

水性聚氨酯樹脂（PUR），合肥安科精細化工有限公司產品；水性聚丙烯酸樹脂（PAR），廣州珂寧化工科技有限公司提供；氨基樹脂（AR），上海八共根國際貿易有限公司提供；PTFE乳液，牌號D310，大金工業株式會社提供；N，N-二甲基乙醇胺、丙二醇單甲醚、消泡劑BYK020、流平劑BYK333等，合肥金創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質（PTFE乳液、PUR、PAR）、成膜助劑（分散劑、流平劑、消泡劑）和分散介質（去離子水、助溶劑）等組成。

水性PTFE改性涂料的參考配方（質量分數）為：PAR 0.07 ～0.1，PUR 0.07 ～0.1，AR 0.005 ～0.05，助 溶 劑 0.05 ～0.1，分 散 劑0.02 ～0.05，流 平 劑 0.01 ～0.03，消 泡 劑0.01～0.03，PTFE乳液 0.2～0.3，去離子水余量。

1.3 主要設備和儀器

WM-1.5型實驗室臥式研磨機砂和FS-400型實驗室分散機，合肥華派機電有限公司產品；PHB-1型便攜式pH計，拓赫機電科技（上海）有限公司產品；Instron 1112型電子拉力機，英國Instron公司產品；JSM-6510型掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司產品；QXD型刮板細度計，天津亞興自動化實驗儀器廠產品。

1.4 制備工藝

將固體質量分數為0.5的水性PAR加入樹脂質量為7%～8%的N，N-二甲基乙醇胺中，中和至pH值為7.5～8.5，然后將水性潤濕分散劑、部分助溶劑和部分去離子水等混合均勻后砂磨分散至細度不大于10 μm，再加入水性PUR、水性AR、PTFE乳液、剩余助溶劑、剩余去離子水和其余助劑等，調節轉速為800 r min-1，分散15 min，得到水性PTFE改性涂料[7-8]，編號為ZD-1。

將ZD-1涂料通過滾噴方式噴涂在O形圈和橡膠試樣上，噴涂過的O形圈和橡膠試樣經過130℃ 30 min進一步熱固化。

1.5 測試分析

（1）涂 層 厚 度。按Q/AZJ 01—2014《ZD-1 PTFE水性涂料》測試，待O形圈表面噴涂的ZD-1涂料固化成膜后，垂直切割O形圈，將切割的橫截面置于SEM下會看到一個明顯的表面界面層。通過SEM測定表面界面層的厚度，從而確定表面涂層的厚度。

（2）附著力。按Q/AZJ 01—2014測試，對噴涂ZD-1涂料的橡膠試樣進行定伸長率100%的拉伸（拉伸速率為200 mm min-1），觀察試樣表面的涂層是否發生龜裂，無龜裂即為合格。

（3）滑動摩擦因數。按Q/AZJ 01—2014測試，橡膠試樣固定在固定板上，將質量為100 g的砝碼置于試樣上，砝碼和試樣的接觸面積為1 cm2，拉力機以180 mm min-1的速度拉伸試樣進行水平勻速滑動，讀取相應的拉力數值，計算涂層表面的滑動摩擦因數。

2 結果與討論

2.1 成膜樹脂對水性PTFE改性涂料性能的影響

成膜樹脂是涂料形成連續性立體網狀結構涂膜的主要物質，是決定涂膜物化性能的關鍵材料。本工作通過PUR，PAR和AR的復配，制備了水性PTFE改性涂料。

當PUR/PAR/AR質量比分別為0∶8∶2，8∶0∶0和8∶8∶2，固化條件均為130 ℃ 30 min時，橡膠表面附著力（100%拉伸率）測試結果分別為橡膠表面涂層開裂、橡膠表面涂層脫落和橡膠表面涂層完好。

2.2 其他助劑對水性PTFE改性涂料性能的影響

助溶劑為丙二醇單甲醚，它可提高上述改性樹脂在水中的溶解能力；消泡劑為德國畢克公司生產的聚醚改性有機硅類的BYK020，其消泡能力強、抑泡持久，不會產生表面缺陷或影響成膜性；流平劑為德國畢克公司生產的聚醚改性有機硅類的BYK333，它可顯著降低涂料的表面張力，提高涂料對底材的潤濕能力和漆膜的流動性，消除“貝納爾（Bernard）旋渦”，從而防止發花；同時還能改善涂層的平滑性、抗掛傷性和抗粘連性[9-10]。

2.3 水性PTFE改性涂料涂裝O形圈工藝

結合工件形狀、外觀及涂料性能等具體情況，O形圈的涂裝方式選用滾噴工藝，具體工藝流程如圖1所示。

由于涂料的粘度低及其用途特殊，因此在滾噴時要特別注意滾噴量、滾噴距離和滾噴溫度，否則會造成涂裝產品出現流痕、顆粒等缺陷，從而影響產品的外觀，造成涂裝產品不合格。按照圖1的工藝流程，根據表1滾噴試驗的數據統計結果，確定涂料每次滾噴量約為0.02 g，滾噴距離為25～35 cm，滾噴溫度為50～70 ℃。

圖1 O形圈滾噴水性PTFE改性涂料的工藝流程

表1 滾噴工藝條件

2.4 O形圈表面涂層的厚度和附著力

試驗結果表明，O形圈表面涂層的厚度大于15 μm時，O形圈被拉伸100%時涂層會出現開裂而脫落，而涂層厚度小于5 μm時，遮蓋力減小，橡膠就會露底，不便于安裝和影響產品外觀。因此必須保證O形圈的涂層厚度在5～15 μm之間，在其被拉伸100%時涂層不會出現開裂，橡膠也不會露底。采用SEM檢測的涂層厚度如圖2所示，厚度為6～8 μm。

圖2 SEM檢測的涂層厚度

2.5 橡膠試樣表面涂層的滑動摩擦因數

采用水性PTFE改性潤滑涂料，通過滾噴工藝涂裝在O形圈表面，經過熱固化后，O形圈表面涂層的平均滑動摩擦因數為0.252。

3 結論

（1）采用自制的水性PTFE改性涂料，按照涂裝工藝流程滾噴到O形圈表面，確定的最佳工藝條件為：涂料每次滾噴量約為0.02 g，噴嘴距離為25～35 cm，滾噴溫度為50～70 ℃。

（2）將水性PTFE改性涂料按照涂裝工藝流程滾噴到O形圈表面，在保證O形圈被拉伸100%時涂層既不會開裂也不會露底的情況下，潤滑涂層的最佳厚度為5～15 μm。

（3）將水性PTFE改性涂料通過滾噴工藝涂裝在O形圈表面，經過固化后，O形圈表面具有低摩擦因數，平均滑動摩擦因數為0.252。