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摩擦与防滑涂料

摩擦与防滑涂料朱万章 (海洋化工研究院,青岛266071) 摘 要:讨论了摩擦、摩擦系数与防滑涂料的关系。

介绍了防滑涂料的基本组成、施工方法、应用领域以及摩擦系数的测定方法。

着重讨论了影响防滑效果的因素和增大摩擦系数的方法。

关键词:摩擦;摩擦系数;防滑涂料;耐磨性1 摩擦与摩擦系数111 摩 擦两个相互接触的物体表面在作相对运动时会产生一定的运动阻力,即摩擦力。

摩擦力的大小与两个物体的材质、表面状况(如粗糙度)和接触面面积有关。

防滑涂料是为了增大表面摩擦力而专门开发的一类功能涂料,涂层防滑性能的好坏可用涂层的摩擦系数来定量表征。

产生摩擦阻力的原因有:两个运动表面分子间的作用力,包括范德华力等;粗糙表面凹凸处的啮合作用、锉削作用、粘滞作用;硬软接触面产生的耕犁效应;接触点在负荷作用下产生的高温熔接作用等。

112 摩擦系数两个相对运动的物体表面之间的摩擦系数μ定义为:μ=F/P(1)式中F为摩擦阻力;P为垂直于表面的负荷或力。

摩擦系数与两个表面的材质和表面状况有关,但与表观接触面积大小无关。

无论多么平滑的表面在分子尺寸上看也是不规则的,因此,两个表面靠紧时只能以孤立的区域相互接触,真实的接触面积要比表观接触面积小很多。

例如,在10kg力负荷下光滑钢材表面的真实接触面积约为表观面积的0101%。

摩擦力分为两种:静摩擦力:使两个接触表面开始运动所需的力;动摩擦力:两个接触表面维持恒定滑动速度所要克服的阻力。

通常动摩擦力总是小于静摩擦力,也就是说,使两个接触面开始运动更困难,一旦滑动开始,所要克服的阻力变小。

与此相应,可定义静摩擦系数和动摩擦系数。

显然,静摩擦系数大于动摩擦系数,并在防滑涂料的表征上有着更重要的作用。

静摩擦系数随接触时间的延长而增大,并可认为在接触时间为零时等于动摩擦系数;而动摩擦系数与滑动速度有关,并随滑动速度的增加经过最大值。

对刚性物体,温度对摩擦系数的影响不大,但是对非刚性的聚合物,随温度的增加,μ可以达到一最高值。

113 防滑涂料的摩擦状态对于防滑涂料,人们除了关心涂层的材质和表面状况外,对涂层产生摩擦时的状态也十分注重。

一般涂层在使用中少不了要接触各种介质,最常见的是水和油。

因此防滑涂料摩擦系数的表征往往分三种典型状态:干态摩擦系数、水湿态摩擦系数和油润态摩擦系数。

后者因使用场合不同可指定不同的油种,如煤油、柴油、机油等。

一般说来,只要涂层的摩擦系数在0145以上,都可以称为防滑涂层[1],但实际使用中的要求要高得多。

例如,船舶甲板使用的防滑涂料干态摩擦系数要在016以上,特殊场合的要求甚至更高。

常见的情况是干态摩擦系数高,水湿态,特别是油润态下摩擦系数会显著下降,这时产生了润滑效应。

油润态下不同油种的摩擦系数相差很大[2]。

摩擦面有水这样的液体介质存在时,压力有时会排除接触面上微小凹坑中的空气,使加压的接触面产生负压吸附作用,运动阻力增大,摩擦系数也增大,表观现象是防滑效果更好。

表面粗糙度对摩擦阻力的影响是显而易见的,实际使用中以防滑粒料或别的物理方法增大涂层表面粗糙度,从而加大防滑性是必不可少的措施。

114 摩擦系数的测定根据摩擦系数的定义,测定摩擦系数的方法很多,简捷的方法有两种:平面滑动法和倾角法。

一般测得的都是静摩擦系数。

11411 平面滑动法[3]平面滑动法又称平面牵引法,其示意图见图1。

水平放置的待测涂层上放上负荷(滑块),通常以硫化橡胶面与涂层接触,硫化橡胶的硬度为Shore A 65左右,以模拟鞋底和轮胎与防滑涂层的接触。

当然也可不加橡皮测定其他材质(例如钢铁)与防滑涂层的摩擦系数。

测定使滑块开始移动时的最小力,由正压力P 和施加的最小移动力F 按(1)式计算摩擦系数μ。

1—防滑涂层;2—负荷P ;3—橡胶层;4—牵引力F ;图1 平面滑动法测定摩擦系数示意图我国国家标准G B 9263规定的防滑甲板漆防滑性的测定方法其根据就是平面滑动法。

然而测定结果并不以摩擦系数表示,仅以在给定条件下(20kg 负荷,传送带与防滑涂料接触)开始连续滑移所需的质量来表示,这样测得的结果与其他摩擦系数测定方法所得的数据缺乏可比性。

国标未确定与防滑面接触的传送带的要求也是一个缺憾。

美国AST M 标准D 4518规定了涂层表面静摩擦系数的测定方法,其中B 法即平面牵引法。

测定结果以静摩擦系数表示。

11412 倾角法[2]倾角法又称斜板法。

该法将一定质量W 的滑块(也可衬橡胶层)放在被测防滑涂层面上,当涂层面倾斜至某个角度时,滑块开始滑动(图2),由倾斜角度θ可以计算出两个接触面的摩擦系数:μ=F/P =tg θ(2)图2 倾角法测定摩擦系数示意图由(2)式可见,在给定的条件下摩擦系数μ只与倾斜角度θ的正切有关。

倾角法在比较不同条件下的防滑性时相当有用。

AST M D 4518的A 法即倾角法,以三次测定平均角度的正切表示静摩擦系数。

2 防滑涂料防滑涂料的作用是改进被涂基材的摩擦性,形成一个高摩擦系数的防滑面。

防滑涂料的使用可以减少人员的伤亡和财产的损失,这在车间地面、停车场、人行走道、船舶甲板和包装行业有重要意义。

对防滑涂料的基本要求是:具有高防滑性,即大摩擦系数。

舰船甲板的摩擦系数至少不得低于016,最好在017以上;对航空母舰这样的特殊场合,摩擦系数甚至高达019以上[4];耐磨性好,使用寿命长。

一般防滑涂料中都掺合有防滑粒料,以提高防滑性和耐磨性。

防滑涂料的耐磨性不良会使涂层的防滑性在使用中因磨损而急剧下降;要求涂层不仅在干态下的摩擦系数大,在水湿态和油润态下也要有较高的摩擦系数。

不仅静摩擦系数大,动摩擦系数也要尽可能大;其他特殊性能,如耐候性、耐水性、耐油性、耐化学介质性、装饰性要好,对海洋环境使用的防滑涂层还要求耐海水、耐盐雾。

总之,防滑涂料要适应不同使用环境下的特殊要求。

3 防滑涂料的组成防滑涂料主要由基料、防滑粒料和助剂三大部分组成。

311 基 料早期的防滑涂料基料与普通涂料基料并无差别,例如醇酸树脂、酚醛树脂、过氯乙烯树脂都可用于防滑涂料,为了增加防滑性能,掺加黄砂、水泥等无机材料涂覆。

随着对防滑性能要求的提高,选择基料时首先考虑选用本身摩擦系数较高、耐磨性较好的成膜聚合物作基料,再辅以耐磨防滑粒料,由此配制的防滑涂料才会具有高摩擦阻力,同时也兼顾了高耐久性等性能。

几种聚合物的摩擦系数和磨耗见表1。

聚氨酯和环氧树脂因分子结构的复杂多变性,摩擦系数和耐磨性的变动范围很大,但总的看来摩擦系数较高,耐磨性较好,现今对防滑性能要求高的场合(例如,航空母舰甲板漆、直升飞机起降甲板防滑漆、海上采油平台防滑漆、军舰甲板漆、停车场防滑漆)一般都采用环氧或聚氨酯树脂作基料。

包装行业用防滑涂料因为要求价格便宜,且使用寿命要求不高,同时强调安全无毒,所以渐渐倾向采用水性涂料。

表1 几种聚合物的摩擦系数和磨耗3 聚合物摩擦系数T aber磨耗/mg・(1000r)-1高密度聚乙烯0123聚丙烯0167聚苯乙烯0138聚氯乙烯0150聚三氟氯乙烯0156聚四氟乙烯0110聚甲基丙烯酸甲酯0140聚对苯二甲酸乙二醇酯01253尼龙601398聚双酚碳酸酯012510醋酸纤维素0155酚醛树脂0161聚氨酯015~1121~20环氧树脂013~0175~40 注:部分数据取自文献[11]。

312 防滑粒料防滑粒料能显著增大防滑涂料的摩擦性能,提高其耐磨性,延长涂料的使用寿命。

防滑粒料大致分软、硬两类。

橡胶粒、橡胶粉,包括天然橡胶、废旧轮胎和聚氨酯弹性体颗粒是最常用的弹性防滑粒料。

弹性粒料不仅能增加涂料的防滑性能,还能提高踏踩和触摸的舒适感,已在包装材料、人行过道、橡胶跑道、运动场地、舰船甲板等场合获得应用。

硬质防滑粒料主要有金刚砂(碳化硅、刚玉)、陶瓷粒(粉)、石英砂、实心和空心玻璃珠、塑料粒子,甚至河砂。

其中碳化硅和刚玉增加摩擦力的效果最好。

与橡胶粒不同,它们不仅能显著增加防滑涂料的干态摩擦系数,也能大大提高水湿态和油润态下的摩擦阻力。

防滑涂料表层的金刚砂形成硬接触面,对钢铁这样的硬材料上的滑动可能形成点状接触,从而减少了涂层与钢铁的接触面,使得摩擦阻力大大减小,显得更滑。

但对橡胶这样的软接触面,例如鞋底,在加压时可能因橡胶的变形增大接触面,并可能刺穿橡胶起到固着作用,最终使得摩擦力显著增大。

也曾观察到橡胶与金刚砂防滑面在加压下形成负压吸附作用,导致摩擦阻力进一步提高[2]。

这对增加水湿态和油润态下的防滑性有重要作用。

塑料颗粒(如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等)用作防滑粒料效果并不好,因为这种硬颗粒表面较圆滑,凸在涂层表面虽然能减少磨耗,但大大减小了接触面而显得更滑。

空心玻璃珠能增加防滑性,当涂层因磨损不断暴露出新表面时,受压使表层玻璃珠破裂形成新的凹坑,从而增加表面的粗糙度,防止滑动,即使在水湿状态下防滑效果也很好。

313 助 剂与普通涂料一样,防滑涂料中也必须添加各种助剂,如消泡剂、流平剂、湿润剂、触变剂、防老化剂、光稳定剂、阻燃剂、增韧剂以及各种颜填料。

对粒料的表面处理能增加粒料与基料的附着力,降低磨损率。

一个典型的例子是用硅烷偶联剂处理金刚砂,可以提高防滑涂料的使用寿命。

4 防滑涂料的应用411 包装行业[5]为了减少货物搬运的损失和增加堆放的安全性,许多包装箱外要作防滑处理,在箱体表面涂刷防滑涂料是最经济适用的方法。

用溶剂型或水性涂料配以50~200目的防滑粒料以增大摩擦阻力。

防滑粒料可用金刚砂、玻璃珠或空心玻璃珠。

经防滑处理的包装材料可以大大增加堆放高度。

412 防滑地坪这类用途包括室内地面、工厂车间地面、操作平台、医院、停车场、人行道、过街天桥、运动场地、游泳池的防滑处理。

浇注聚氨酯运动场地往往在表面粘附一层橡胶颗粒(最好是聚氨酯颗粒)来增加防滑性并改进踏踩舒适性[6]。

停车场、人行道、车行道多用环氧或聚氨酯漆配以20~60目的金刚砂来达到防滑的目的。

防滑涂料由4层物料构成:防护底漆、中间层涂料、防滑粒料和罩面漆。

其中因底材(水泥或金属等)的不同,防护底漆的防护性能有所侧重。

钢铁上以防锈蚀为主,水泥上侧重于防碳化、防渗水、耐碱。

涂层间的配套性往往决定了涂层的耐久性。

对游泳池、洗浴间、屠宰场、肉类加工车间这样有水的地面。

防滑粒料应采用聚合物粒子。

例如,丙烯腈和丙烯酸甲酯在乳液聚合中形成直径120μm的空心粒子,将此空心粒子掺入环氧涂料中配制防滑涂料,可用作游泳池的地面防滑[7]。

413 甲板防滑漆甲板漆对于船舶及海洋设施是必不可少的。

防滑性能好的甲板漆能大大减少风浪中剧烈颠簸状态下的人员摔伤和设备损失。

大型舰船甲板、海上采油平台、直升机起降甲板以及航空母舰甲板等对防滑要求特别高的场合,甲板漆的摩擦系数应在017以上,并且要有较高的水湿态和油润态摩擦系数。

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