橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究_王旭.pdf
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1、 50 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.04.009 橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究 王旭1,2,刘志兰3,4,张秀丽1,2,*,徐秀芳3,4,吴永玲1,2,*,吴棣本3,4 1.山东理工大学机械工程学院 山东 淄博 255000 2.山东省精密制造与特种加工重点实验室 山东 淄博 255000 3.山东省轮胎模具关键技术重点实验室 山东 高密 261000 4.山东豪迈机械科技股份有限公司 山东 高密 261000 摘要:摘要:为了提高轮胎模具的防粘性能,采用空气喷涂方法在 45 钢基材上制备了厚度约 20 m 的 4 种水性
2、氟树脂涂层,测试了各涂层的水接触角、表面粗糙度、铅笔硬度、微观形貌、摩擦磨损行为、与橡胶的脱模力和硫化试验前后表面的元素成分。结果表明,表面微纳米填料较多的绿色水性氟树脂涂层的脱模力最大,防污性较差;成膜性好的聚全氟乙丙烯(FEP)树脂涂层的脱模力为 0,防污性好;表面纤维状结构的 PTFE(聚四氟乙烯)涂层的防污性虽好,但有一定脱模力。要减小橡胶模具的脱模力并提高防污性,氟树脂涂层的微观表面应光滑、平整,无填料裸露。关键词:关键词:橡胶模具;氟树脂;涂层;防粘性;摩擦磨损行为;脱模力 中图分类号:中图分类号:TQ637 文献标志码:文献标志码:A 文章编号:文章编号:1004 227X(20
3、23)04 0050 07 Study on anti-sticking performance of waterborne fluororesin coatings for rubber mold WANG Xu 1,2,LIU Zhilan 3,4,ZHANG Xiuli 1,2,*,XU Xiufang 3,4,WU Yongling 1,2,*,WU Diben 3,4 1.School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China 2.Shandong Provincial
4、Key Laboratory of Precision Manufacturing and Non-traditional Machining,Zibo 255000,China 3.Shandong Provincial Key Laboratory of Core Tire Mold Technology,Gaomi 261000,China 4.Himile Mechanical Science and Technology(Shandong)Co.,Ltd.,Gaomi 261000,China Abstract:To improve the anti-sticking perform
5、ance of tire mold,four types of waterborne fluororesin coatings with a thickness of ca.20 m were prepared on 45 steel substrate by air spraying.The water contact angle,surface roughness,pencil hardness,micromorphology,and tribological behavior of the coatings were tested.The release forces of rubber
6、 from the coated molds were examined by plate vulcanization test,and the elemental compositions of the coating surfaces before and after vulcanization were compared.The results showed that the environmentally friendly waterborne fluororesin coating with many micro/nano-scaled fillers on its surface
7、had the greatest mold release force and poor antifouling property.The two types of waterborne fluororesin coatings with good film-forming property provided a zero release force and good antifouling property for the rubber mold.The PTFE coating with fiber structures on its surface had good antifoulin
8、g property,but the mold coated therewith had a certain release force.Therefore,to reduce the release force of rubber mold and improve its antifouling property,the microscopic surface of fluororesin coating should be smooth and flat without any exposed fillers.Keywords:rubber mold;fluororesin;coating
9、;anti-sticking;friction and wear behavior;demolding force 轮胎模具用于橡胶轮胎制品的硫化成型,其型腔复杂、表面品质要求高,模具的表面品质直接决定了轮胎品质和外观1-2。在橡胶轮胎硫化过程中高温、高压与化学作用,以及入模、脱模过程中摩擦作用的影响下,轮胎模具不可避免地出现表面污染、积碳,影响轮胎的质量和外观,并且会造成脱模困难。为解决粘污问题,目前轮胎制造企业主要采用喷砂法、干冰清洗法、激光清洗法等去除污染物,然而喷砂法易损害模具,干冰清洗或激光清洗成本较高且不易操作,并且频繁地拆卸和清洗模具极大影响了生产效率3-5。因此,提高橡胶模具表
10、面防粘性是目前轮胎模具行业需解决的重要问题。收稿日期:收稿日期:20221002 修回日期:修回日期:20230118 基金项目:基金项目:国家自然科学基金(51905317);山东省自然科学基金(ZR2020ME047)。第一作者:第一作者:王旭(1994),男,在读硕士研究生,研究方向为轮胎模具表面防粘涂层。通信作者:通信作者:张秀丽(1989),女,副教授,研究方向为摩擦润滑理论、表面工程等。吴永玲(1962),女,教授,研究方向为表面工程。引用格式:引用格式:王旭,刘志兰,张秀丽,等.橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究J.电镀与涂饰,2023,42(4):50-56.WANG X,LI
11、U Z L,ZHANG X L,et al.Study on anti-sticking performance of waterborne fluororesin coatings for rubber mold J.Electroplating&Finishing,2023,42(4):50-56.橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究 51 目前轮胎模具表面较多采用防粘涂层进行处理。一些学者研究了模具表面防粘涂层的应用性能。Zhang等6开发了一种精密玻璃模具用防粘-Al2O3涂层,其对重钡冕光学玻璃 D-ZK3 和硫系玻璃 IRG206 都具有良好的抗粘附效果。Zhu 等7设计了单层 Re
12、 涂层、单层 Ir 涂层和 Re/Ir 多层涂层,以减轻粘结并提高玻璃模具的寿命,发现多层涂层的防粘性能优于单层涂层。Caldern 等8研究了含有全氟辛烷磺酸、氧化镍和镍的多层涂层在注塑模具上的应用,发现该涂层与无涂层和有 TiN 涂层的模具相比,耐蚀性和抗聚酰胺粘附性都更高。Snchez-Urbano 等9研究了硅橡胶、陶瓷和氟聚合物 3 种不同类型的涂料在聚氨酯泡沫塑料用铝模具上的脱模性能,发现硅橡胶涂层、陶瓷涂层和 PTFE(聚四氟乙烯)涂层的脱模力较大,PFA(全氟烷氧基烷烃)涂层的脱模性能最好。目前对于玻璃和塑料模具的防粘涂层研究较多,而有关橡胶模具防粘涂层的报道较少。朱维浩等10
13、研究了橡胶模具粉末氟树脂防粘涂层的制备及应用。李帅等11探索了含氟类金刚石(F-DLC)涂层在轮胎模具上的应用,但只研究了该涂层的疏水性和减摩耐磨性,未研究其在轮胎模具上的防粘性能。本文研究 4 种水性氟树脂涂层在橡胶模具上的防粘性能。涂层的防粘性能以橡胶硫化试验后的脱膜力和多次硫化试验后模具表面的橡胶成分残留(防污性)作为评价指标。脱模力大说明涂层与橡胶的机械嵌合作用强,易使橡胶成分残留在涂层上;硫化试验之后橡胶成分残留多说明涂层的防橡胶粘污性能差。另外,通过研究各涂层的水接触角、微观形貌、化学成分和摩擦行为,分析影响涂层脱模力和防污性的因素,为轮胎模具表面处理提供理论依据。1 实验实验 1
14、.1 材料材料 45 钢板(厚 5 mm):市售;天然橡胶:青岛北橡国际贸易有限公司;分析纯无水乙醇:淄博齐霖化工有限公司;国内常用的 3 种氟树脂防粘涂料,分别记为 A、B 和 C,国外某氟树脂防粘涂料记为 D,它们的固含量均为 50%60%。1.2 工艺流程工艺流程 涂层基材采用 45 钢。每种涂料制备 2 个涂层试样,分别用于摩擦磨损性能测试(截面尺寸 50 mm 5 mm)和橡胶硫化试验(截面尺寸 75 mm 5 mm)。为了保证涂层的附着力,先对基材表面进行喷砂处理,喷砂后基材的表面粗糙度 Ra 约为 1.4 m,之后采用无水乙醇清洗并烘干。如图 1 所示,根据涂料供应商提供的工艺参
15、数,采用空气喷涂方法在基材上制备涂料,喷涂距离 250 mm,压力 0.12 MPa,角度 90。经过多次喷涂干燥后得到膜厚约为 20 m 的涂层,最后在 380 C 下烧结 30 min 并随炉冷却。图图 1 在在 45 钢表面制备防粘涂层的工艺流程钢表面制备防粘涂层的工艺流程 Figure 1 Process flowchart for preparation of anti-stick coating on 45 steel 1.3 性能测试性能测试 利用中国深圳宇问公司的 EC500XE 涂层测厚仪测量涂层膜厚。利用日本 Mitutoyo 公司的 SJ-210 表面粗糙度仪测量涂层表面
16、粗糙度。采用上海中晨公司的 JC2000D1 接触角测量仪测量涂层与水的静态接触角,注射液滴体积为 4 L。采用华国仪器公司的 QHQ-A 铅笔硬度计按 GB/T 67392006色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度测试涂层的铅笔硬度。采用美国 FEI 公司的 Quanta 250 场发射环境扫描电子显微镜观察涂层的微观形貌。采用济南恒旭公司的 MPX-3 摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦学性能,球盘方式,不锈钢球的直径为6 mm,转速 60 r/min,载荷 5 N,在不同的摩擦半径处分别摩擦 100、200、400 和 1 000 圈。采用日本基恩士橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究 52 公司的
17、VK-X1000 激光共聚焦显微镜观察磨痕的三维形貌,测量试样在摩擦不同圈数下的涂层磨痕深度。采用图 2 所示的平板硫化试验机和数显式推拉力计测量 4 种涂层试样的硫化橡胶脱模力。使用天然橡胶进行试验,硫化温度为 180,硫化压力为 10 MPa。试验流程为:模具及硫化机热模胶料称重开模填料合模硫化出模并测量脱模力样品检查。硫化试验前后涂层表面的成分采用荷兰 Phenom 公司的Phenom XL G2 台式扫描电镜进行分析。图图 2 平板硫化试验机和拉力计平板硫化试验机和拉力计 Figure 2 Flat vulcanization testing machine and tension m
18、eter 2 结果与讨论结果与讨论 2.1 涂层的成分和形貌涂层的成分和形貌 如图 3 所示,A 和 B 涂层为绿色,C 涂层和 D 涂层为黑色,肉眼观察它们都均匀致密,无明显缺陷。由表 1 可知,4 种涂层的膜厚均为 20 22 m,D 涂层表面粗糙度最大且铅笔硬度最高。另外,4 种涂层均呈疏水性,A 涂层和 D 涂层的水接触角大于 130,而 B 涂层和 C 涂层的接触角相近,约为 108。图图 3 涂层外观照片涂层外观照片 Figure 3 Photos showing the appearance of different coatings 表表 1 涂层的基本性能涂层的基本性能 Ta
19、ble 1 Basic properties of the coatings 涂层 膜厚/m Ra/m 水接触角/()铅笔硬度 A 21.4 1.509 132.83 2H B 21.5 2.341 106.99 2H C 20.6 2.051 109.16 2H D 22.3 3.781 143.49 4H 观察图 4 中 2 000 倍的涂层表面微观形貌可以发现,A 涂层表面有很多孔隙,B 涂层和 C 涂层表面比较平整,B 涂层中包覆有纳米颗粒,D 涂层表面有很多微米级凸起。观察 20 000 倍的扫描电镜照片可以发现,A 涂层表面有微米级片状和纳米级球状颗粒,B 和 C 涂层表面仍比较平
20、整,D 涂层表面则有纤维状结构。由表 2 可知,A 涂层表面主要包含 F、C 和 O,还含有少量的 Cr、Si、Al、Sr、K 和 Ca。结合其形貌推测,A 涂层中除了氟树脂外,还含有 Cr2O3、SiO2、Al 或 Al2O3等微纳米填料,这些填料使其表面氟树脂不能形成连续的膜。B 涂层表面元素主要包含 F 和 C,还含有少量的 O 和 Cr,说明该涂层主要由氟树脂和 Cr2O3组成。C 和 D 涂层的表面只含有 F 和 C 元素,且其中 F 元素含量达到 75%以上,推测 C 涂层和 D 涂层只由氟树脂组成。橡胶模具水性氟树脂涂层防粘性能研究 53 结合涂层的表面形貌和化学成分分析,D 涂
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