什么是耐磨性?

现代生活中,还有什么比手机屏幕上难看的划痕、抛光的地板的摩擦痕迹或闪亮汽车漆的刮痕更让人恼火的呢?

这种受损的表面外观通常是由暴露于外部所致的。划痕不仅很大降低表面美观,但可能导致基材过早失效(例如,基材暴露加速腐蚀)。

划痕是指在涂层或未涂层表面上使用尖头或尖锐物体造成的薄而浅的切口或标记,由于磨料引起的细微划痕导致涂层退化。

这个涂层的耐刮擦性能称为耐磨性。耐磨性显示涂层承受磨料损坏能力的程度,例如不同的材料,沙子、灰尘、碎屑、冲刷等。

增加耐磨性,可以延长涂层的耐久性,防止可能导致表面缺陷的机械损伤。因此,提升耐磨性,是延长被涂覆基材的使用寿命的重要方法之一。

耐磨性对于配方设计师和涂料用户来说都具有实际重要性。只有定量了解磨损,关联导致涂层退化的各种外部因素,才可以找到避免或减少磨损造成的损坏的解决方案。

一般来说,在使用过程中会受到磨损和机械损伤的涂都层需要耐磨性。

那么影响涂层耐磨性的主要因素、原材料和测试方法有哪些呢?

哪些因素影响层的耐磨性?

涂层的耐磨性与涂层抵抗接触或冲击引起的磨损或变形的能力有关。涂层的耐磨性越高,对基材长期保护就越高。

由于轮廓不均匀或粗糙,在两个接触面之间发生磨损。当凹凸不平的表面相互接触时,会产生研磨力。表面粗糙化导致外观变化,进而导致光泽和反射率降低。如果材料即使经过润滑也不符合磨损要求,则可能需要具有高耐磨性能的涂层。

耐磨性不是涂层表面的独特性能,它也与其他物理特性有关,在功能上与弹性以及内聚力有关。

控制材料耐磨性的不同因素包括:

  • 粗糙度-涂层表面越粗糙越容易磨损。

  • 硬度、韧性和柔韧性-硬度必须与柔韧一起考虑。如果涂层硬度不够,冲击可能会使系统断裂至基底。而且,涂层硬度越高,越容易发生脆性断裂。 

  • 弹性-弹性也是控制磨损的重要因素。一般来说,弹性模量是衡量材料弹性变形趋势的指标。它是应变弹性极限的量度,是涂层在不发生永久变形的情况下所能承受的应变量的指标。 

  • 粘结强度和抗拉强度-出色的耐磨涂层必须能够承受高负载,提供低摩擦,并且不得出现内聚断裂或与基材的粘附。

  • 接触几何形状-磨料颗粒的尺寸、长度和横截面积影响涂层的耐磨性。

  • 颜料体积浓度(PVC)-随着颜料体积浓度的增加,其光泽、清洁能力、机械强度、耐洗牢度和耐磨性都会降低。

除此之外薄膜厚度也可能是一个关键因素。

提高涂料耐磨性的原材料推荐

涂料配方设计中耐磨性的考虑,主要是抵抗磨料磨损,同时保持足够的延展性以抵抗冲击。

涂层表面的机械和光学特性主要由树脂系统决定。

对于着色系统,颜料的颗粒及分散效果也会影响耐磨性能。

还可以通过填料和特种蜡的方式,提升涂层耐磨性。

让我们讨论一些示例及其在涂层耐磨性中的作用。

1、改善磨损的乳液/树脂体系类型

树脂体系控制涂层表面的机械硬度、耐刮擦性、耐擦洗性和表面滑移的性能。(下方为相关的在线课程)

聚氨酯弹性体允许为包括纺织品在内的许多柔性基材制定坚韧、耐磨的涂层。
乙酸丁酸纤维素由于其韧性、良好的耐磨性和良好的结合特性,被用于塑料涂层。模制塑料零件的表面通常涂有涂层,以获得塑料所不具备的性能。
聚乙烯类低分子量的用作滑剂和消光剂添加到油漆和油墨中。它们还具有防尘和耐磨的效果。
聚氯乙烯(PVC)树脂有利于涂层的机械性能、高耐磨性和高耐化学性氯乙烯共聚物是通过溶剂蒸发进行成膜的物理干燥粘合剂。氯乙烯共聚物薄膜显示出良好的柔韧性和耐磨性,随着分子量的增加而提高。
聚氨酯醇酸树脂由于其优点,如快速干燥、高硬度、非常好的漆膜弹性和高于平均的耐磨性,被用于涂料中。它们是由含有过量羟基的长油醇酸树脂与二异氰酸酯反应生成的。
烷基硅酸盐用作固体颗粒的粘合剂,即颜料的粘合剂。由于缺少有机聚合物,使用这些酯类使油漆对有机溶剂具有极强的抵抗力。此外,高硬度还具有优异的耐磨性。
聚氨酯和聚酯树脂的组合生产坚韧、耐磨、耐用的通用饰面。
聚酯涂料对磨损、酒精和其他化学物质(清洁剂)有很高的抵抗力。在这些配方中,粘合剂基于不饱和聚酯树脂(与苯乙烯共聚),有机溶剂低排放,有机过氧化物或紫外线辐射催化固化。对磨损、酒精和其他化学物质(清洁剂)具有很高的耐受性。
聚碳酸酯二醇(PCD)和聚碳酸酯基聚氨酯预聚物聚氨酯涂层具有优异的耐划伤、耐磨性和优异的耐久性。

耐磨型涂料用树脂/乳液推荐

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产品名称 供应商 性能特点描述
氨基树脂 华谊精化 硬度高附着力好;光泽好、丰满度好、快固硬度高
MD 102 醇酸树脂 竣成化工 漆膜丰满、混溶性广泛、硬度好
LR-1655 无机硅酸盐乳液 恒和永胜 超高耐擦洗;阻燃防火性好
NH-6584 HAA固化型聚酯树脂 擎天材料 高性价比,卓越的机械性能
PPC3202H 聚碳酸酯二醇 达志精细化工 高强度、高硬度、高耐磨
SE-4251 硅酮分散体 崇耀科技 提高涂料平滑性、防粘连、抗磨损性能

2、提高耐磨性的有效助剂

可通过添加添加剂进一步提高耐磨性。

  • 蜡可以提高耐刮性以及干膜的防堵塞特性。蜡用于保护涂层和/或其基底免受表面和物理损伤。蜡的硬度将决定提高耐磨性的效果。

  • 在涂料体系中,添加有机硅助剂可以快速降低表面张力和增加滑移。它们有助于提高涂层的耐候性和耐磨性、耐化学品和耐溶剂性。

  • 硅烷偶联剂,通过增加交联密度和反应性基团,提高耐擦伤性。它们提高了堆积密度,从而提高了电阻。

耐磨型涂料用助剂推荐

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产品名称 供应商 性能特点描述
P902D 弹性触感、耐磨添加剂 华明泰 提高耐磨、耐刮擦性能
H2040 蜡乳液 龙海化工 显著增强涂膜耐擦洗性能
TL-601棕榈蜡乳液 易久水性蜡 抗摩擦,抗划伤
AR-936 蜡乳液 协宇新材料 高密度聚乙烯蜡乳
HS-418X 二氧化硅消光粉 凌玮科技 具有良好的抗刮耐磨效果
硅烷偶联剂 穗玥新材 抗磨性出色
5080增硬耐磨剂 致辉 增加高温涂层表面硬度

3、提高耐磨性的填料及颜料

不同填料引起的磨耗量与填料的力学性能有直接关系。影响最大的是填料的破碎性。其中氧化铝在几种填料中的断裂韧性最好,因此它最不容易破碎,陶瓷材料次之,适应抗破碎能力最差。

硬度也是影响磨耗量的一个因素,填料的形状对磨耗量有一定的影响,当填料形状多为尖角、片状时,在砂磨作用下,容易破碎,当填料形状为圆角、球形时,破碎比较困难。

填料粒度与磨耗量也有一定关系,在200-250目之间,磨耗量岁填料粒度的变化出现折点。填料粒度较小时,砂轮直接作用于涂层,填料无耐磨作用,当填料粒度达到一定范围,耐磨性开始体现。随着填料的粒度进一步加大,与基料的接触面变小,耐磨性能反而降低。

  • 金属氧化物例如,硅氧化合物和氧化铝通常包含在树脂膜中,以抑制涂层的损坏、刮擦或磨损。

  • 耐磨填料例如,煅烧氧化铝、石英、碳化硅可以减少涂层的磨损,例如在道路标记和地板覆盖物中。

  • 纳米氧化物颗粒可以在不影响外观的情况下提高涂层的物理性能。用于表面保护的纳米二氧化硅和纳米氧化铝颗粒也可并入着色涂料中。它们不仅具有抗划伤性,而且有助于提高耐磨性、附着力、污渍和耐腐蚀性因为纳米颗粒会形成更致密的涂层结构。

耐磨型涂料用填料和颜料推荐

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产品名称 供应商 性能特点描述
M-700 超细改性沉淀硫酸钡 鸿志新材 优秀的分散性、粒度分布均匀,化学稳定性高
KB-1200 超细沉淀硫酸钡 创宇化工 增强涂层的抗冲击强度,硬度
JH-10 玻璃粉 猴圣化工 抗划性、分散性、重涂性、防沉性、表面效果等综合性能媲美同类日本进口产品
硅微粉 鑫辉化工 易分散,良好的抗刮性
石英粉 永丰化工 增强涂膜硬度
硅微粉 锦昊辉 白度高、硬度大、吸油率低

4、陶瓷涂层对耐磨性的提升

陶瓷涂层可用于金属或陶瓷材料的表面。由于陶瓷具有相对较高的硬度、耐腐蚀性和耐热性,因此可以广泛用作耐磨和耐腐蚀的保护涂层。典型的陶瓷涂层包括Al2O3/TiO2, SiO2/TiO2/Cr2O3, SiC, B4C, ZrO2, CaO, CrN/AlCrN, CrN/BCN, SiO2, WC, and TiC。

类金刚石(DLC)涂层显示出低摩擦系数和高微观硬度的结合,使其在许多摩擦学和磨损应用中极为有效。类金刚石碳(DLC)存在于非晶碳材料中,表现出金刚石的一些典型特性。

耐磨涂层的优点

  • 广泛用于减少或消除磨损

  • 延长产品寿命

  • 适用于某些不适合润滑的环境

  • 增强机械性能,如硬度和韧性

关键应用/意义:汽车车身、地板涂料、光学显示器、光学透镜、包装、航空航天部件、建筑外墙、船舶涂料等。

耐磨型涂层的推荐

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产品名称 供应商 性能特点描述
聚氨酯粉末涂料 擎天材料 具有优异的易清洁防涂鸦性能
无机涂料 祥生尤斯格林 A级防火,抗静电,耐擦洗性好,硬度高
环氧耐磨地坪漆(面漆) 天女油漆 涂层坚韧,耐冲击,附着力强,具有优异抗压耐磨性能

测试涂料耐磨性的常用方法和标准

涂层的磨损试验应定期进行,并作为比较涂层机械性能的基础。这些测试评估表面涂层的能力耐刮擦或损坏,整体耐用。

许多类型的研磨介质和处理用于测试,例如快速和慢速移动、小或大负载、高温和低温、恒定或间歇接触。

常用的测试方法包括:

  • 砂轮法 GB 1768

  • 落砂(磨料)法

  • 喷砂法

  • 加德纳湿磨法(与DIN 53778 T2中的乳胶漆一起使用)

  • 旋转圆盘法 GB T23988

  • 表面耐磨性能测试(RCA)

砂轮法

此测试方法可能有助于涂层的质量控制分析它可以用于评估工艺变量的影响,例如涂层前的基底制备、表面纹理、涂层技术变量或涂层后处理,其中任何一个都可能影响涂层对颗粒脱落的敏感性。

称为“泰伯试验,“将涂层涂敷在平面、刚性表面上。将试样安装在Taber Abraser转台上,并在称重条件下以固定速度旋转CS-10或CS-17砂轮.真空系统可清除测试过程中产生的任何松散碎屑。在每次测试之前和每500次循环之后,使用S-11重磨盘对磨耗轮进行表面修整,以使车轮表面标准化。试验结束时,耐磨性可表示为:

  • 磨损指数,在规定载荷(500或1000g)下,每规定转数(通常为1000)的重量损失

  • 每密耳的磨损循环数,即穿过1密耳厚度涂层所需的循环数;或者失效周期,磨损涂层或暴露基底的试验周期数

与试验相关的通用标准:

  • ASTM F1978标准:用泰伯磨耗器测量金属热喷涂涂层耐磨性的标准试验方法

  • ASTM D4060标准:用泰伯磨耗器测定有机涂层耐磨性的标准试验方法

  • ASTM D1044-19标准:用Taber研磨机测定透明塑料表面耐磨性的标准试验方法

  • ISO 7784标准:色漆和清漆-耐磨性的测定

  • 第1部分:使用砂纸覆盖的车轮和旋转试样的方法

  • 第2部分:使用研磨橡胶轮和旋转试样的方法

落砂(磨料)法

这些试验方法包括测定有机涂层的耐磨性由磨料落在平面刚性表面(如金属或玻璃板)上的涂层上而产生。

落砂试验是测试磨损的一种简单方法。释放标准砂,并将其通过管道引导至试样上。获得已知涂层厚度的总侵蚀所需的砂体积显示了耐磨性。

与落砂法相关的通用标准:

  • ASTM D968标准:用下落磨料测定有机涂层耐磨性的标准试验方法

  • DIN 1164标准

喷砂法

本试验方法包括测定有机涂层的耐磨性涂敷在平面、刚性表面上的涂层。

与喷砂法相关的通用标准:

  • ASTM D7127标准:使用便携式触针仪器测量喷砂清理金属表面粗糙度的标准试验方法

  • ASTM D7055标准:涂层试验用热轧碳素钢面板的制备(喷砂清理)标准规程

加德纳湿磨耗法

耐磨性可以通过以下方式进行测试使用擦洗介质或清洁溶液的湿式磨损方法最常见的应用是测试内墙涂料、地砖、淋浴间和家具表面的耐擦洗性。这个 加德纳擦洗磨损试验机 为耐磨性和耐洗性测试应用提供了多功能设计。

加德纳湿磨耗法相关的通用标准:

  • ASTM D2486标准:墙面涂料耐擦洗性的标准试验方法

  • ASTM D3450标准:室内建筑涂料耐洗性的标准试验方法

  • ASTM D4213标准:通过磨损重量损失测定涂料耐擦洗性的标准试验方法

  • ASTM D4828标准:有机涂层实际可洗性的标准试验方法

  • ISO 11998标准:色漆和清漆.涂层耐湿垢性和清洁性的测定

  • 德国工业标准53778:室内用乳胶漆;涂层的可清洗性和耐清洗性评价

耐刮试验方法

耐刮试验评估表面涂层耐刮擦的能力将带有球形钢尖(指定直径)的针,携带预定重量,放在漆膜上,并以设定的速度在表面上拖动。

该方法已在涂料行业(以及政府规范)中使用多年。试验可通过两种方式进行:

  • 使用被测材料的特定重量进行“合格或不合格”测试

  • 或(在评估新材料时)增加载荷直至失效发生

该装置包括水平滑动面板将试板夹紧,涂层面朝上。滑动面板是移动到针尖下方以每秒3-4厘米的速度。“针”本身由一个柄组成,柄上焊接了直径为1mm的等级A1钢球。它被固定在平衡臂末端的支架中,通过调整支架中针的长度,平衡臂保持水平。

重量放在针上在支架中,面板启动。向前行驶将打捆针轻轻降至表面。测试需要至少6厘米的划痕。尽管手动和电动设备可用于测试,但由于可以获得更具重现性的结果,因此首选后者。

与耐刮试验方法相关的通用标准:

  • ASTM D7027标准:使用仪器划痕机评估聚合物涂层和塑料耐划痕性的标准试验方法

  • ASTM D7187标准:用纳米划痕法测量油漆涂层划痕/划痕行为的机械方面的标准试验方法

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