叶铭洁，王德海，徐立新，周建成

（浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310000）

紫外光固化涂料(UVCC)由于具有固化快、节能环保、可流水线生产、坚实耐用等优势而广泛应用于地板。地板涂料根据应用的场合不同需要具备不同的性能。医院、商场、影院等公共场合用涂料最需具备的是耐磨性能[1]；ICU(重症监护室)、精密仪器生产、电子制造、军工等特殊场合用涂料需具备防静电、导电等特殊性能。但是无论哪种场合，耐磨性、硬度、附着力和耐液体性都是地板涂料所需着重考察的基本性能[2]。

地板主要由表面耐磨涂层、基材层和底层(平衡层)所组成。对于表面层，现在大多使用紫外光固化涂层。基材层材料主要有实木、竹、PVC(聚氯乙烯)等[3-4]。平衡层是一层牛皮纸，有一定的强度和厚度，并浸以树脂，起到防潮、防变形的作用。地板涂料需要根据基材不同的特性，具备不同的性质，扬长补短。本文将综述影响PVC地板涂料耐磨性的因素。

1 PVC地板涂料耐磨性的研究

PVC地板属于合成类材料，对比实木地板和竹地板这类天然材料，涂料的附着力与耐液体性更好[5]。PVC塑料地板在国内多应用于图书馆、医院、商场等公共场所地面装修。但是，耐磨性较差导致其应用范围受限[6]。PVC塑料地板的耐磨性是指其抵抗机械作用的能力，是涂层的硬度、附着力和内聚力的综合体现。磨耗是致使材料破坏、使用寿命缩短的原因之一，对塑料地板使用年限影响极大。因此，PVC地板主要需要解决的就是耐磨性的问题[6]。

涂层主要依靠其表面抵抗机械作用[7]。光固化涂料的表面性能又主要取决于紫外光涂料中反应物的交联度、涂层表面摩擦因数等因素。本文主要讨论紫外光涂料中活性反应物、纳米粒子、固化工艺这3个方面对光固化涂料耐磨性的影响。

1.1 活性反应物的影响

在紫外光固化材料组成中，活性反应物包括预聚物和活性稀释剂。预聚物是光固化涂料的主体，基本决定了涂层的交联度、硬度等主要性能[8]。接下来讨论预聚物种类、改性以及不同官能度稀释剂对磨耗的影响。

1.1.1 预聚物种类

李东兵等[9]分别选用聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯和双酚A环氧丙烯酸酯作为主体预聚物(占比为40%)，在单体及其他添加剂的含量都相同的情况下，聚氨酯丙烯酸酯的耐磨性为900～1 200转，聚酯丙烯酸酯及双酚A环氧丙烯酸酯为800～900转。这说明聚氨酯丙烯酸酯作为主体预聚物有更好的耐磨性。从预聚物本身结构来看，聚氨酯丙烯酸酯含有氨酯键，很容易在高聚物分子间形成氢键。氢键在外力的作用下可分离而吸收外来的能量，氢键脱开后使分子伸长而不至于共价键断裂。值得深究的是，聚氨酯丙烯酸酯的黏度大于环氧丙烯酸酯及聚酯丙烯酸酯，稀释剂添加量对于聚氨酯丙烯酸酯而言可能正好，但对于其他黏度较低的预聚物而言属于过量。正是稀释剂过量造成了环氧丙烯酸酯及聚酯丙烯酸酯的交联度过低，耐磨性能下降。

1.1.2 氟改性预聚物

孙旗龄等[10]分别以Y型全氟聚醚单端醇和全氟聚醚单端二醇为原料，制备了2种含氟聚氨酯丙烯酸酯，并以它们为预聚物，采用全氟己基乙基丙烯酸酯稀释剂，制备了配比不同的UV涂层。从结构组成来看，单端全氟聚醚醇只有一端被固定，含氟链段容易向涂层表面迁移，涂层表面疏水性能较好；而单端二醇的链节更加稳定，力学性能更好。他们通过测量不同摩擦次数后的接触角来反映耐磨性的变化，发现以全氟聚醚单端二醇为主体树脂，全氟己基乙基丙烯酸酯添加量为8%时，摩擦1 000次后的接触角仍然达到116.6°，可见涂层的耐摩擦性能很好。

1.1.3 不同官能度稀释剂

活性稀释剂对光固化材料的耐磨性也起着关键的作用。李东林等[11]研究了三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯等几种不同官能度的稀释剂，发现使用二季戊四醇六丙烯酸酯时耐磨性较好。从组成结构上分析，活性稀释剂的官能度高，则涂层的交联度增加，有利于提高涂层的硬度和耐磨性。

预聚物中含有氨基、苯环以及活性稀释剂官能度高都有助于涂层表面形成网状结构，提高耐磨性。但需要注意的是，高官能度稀释剂会带来应力集中、附着力降低等问题。

1.2 纳米改性

无机纳米粒子本身的力学性能以及纳米粒子与树脂基质的结合强度是影响固化后涂层抗磨损能力的主要因素，这两种因素相互关联。因此要提高固化涂层的耐磨性，除了可以利用高强度的填料，还可以加强填料与树脂之间的化学结合。

1.2.1 纳米粒子的选择

纳米粒子具有高表面自由能，能够均匀分散在树脂中，与基质产生紧密的连接。李宏涛等[12]研究了纳米SiO2、CaCO3、PE(聚乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)这几种填料在添加量相同的情况下对涂层耐磨性的影响，发现使用纳米SiO2时的耐磨性优于其他。Cheng-Ho Chen等[13]发现在AROCOAT UR-85213型紫外光固化涂料中添加10%纳米Al2O3能获得最佳的抗磨损性能。从图1可知，添加了纳米Al2O3的复合涂层磨损后表面较为平整，这是由于纳米填料粒径小，而填料之间的间隙越小，涂层就越稳定，表现出的磨损也越轻。但从图1c中可以看出，添加了纳米填料仍存在着团聚的现象，这还需要进一步的改进。

图1 具有紫外光固化硬涂层的聚氯乙烯地板表面的扫描电镜图像[13]Figure 1 SEM images of the surfaces of PVC plastic tiles with UV-cured hard coatings [13]

1.2.2 界面问题

纳米粒子与树脂密切接触时，由于两者的组分、密度、表面能存在差异，易发生纳米粒子团聚以及纳米粒子与树脂相分离的现象，因此需要在纳米粒子与树脂之间建立“桥梁”，以加强纳米粒子与树脂之间的结合力。

1.2.2.1 硅烷偶联剂改性

李宏涛等[14]以 KH570偶联剂对纳米 SiO2进行改性，再将偶联剂与纳米 SiO2通过超声分散复合进聚氨酯丙烯酸酯中，研究了改性后的纳米SiO2含量对耐磨性的影响。结果表明，当改性纳米SiO2含量为10%时，磨耗最小。硅烷偶联剂既能与无机纳米粒子中的羟基结合，又能与树脂中的长分子链相互作用，增强了纳米粒子与树脂之间的结合力，从而提高涂层的耐磨性。但需要注意的是，普通溶剂中制备的改性纳米粒子在加工过程中可能又会发生团聚。

1.2.2.2 溶胶凝胶法改性

Frank Bauer等[15]为避免二氧化硅纳米粒子在改性过程中会出现二次团聚现象，采用活性三烷氧基硅烷对纳米粒子表面进行改性，认为聚硅氧烷化学接枝了硅原子，两个连接的聚硅氧烷链呈现梯形排列。这些梯形结构与聚丙烯酸酯形成了短距互穿网络，能够形成一个坚固的有机−无机杂化体系。该研究对于降低纳米填料二次团聚对耐磨性的影响有很大的借鉴作用，值得在提升紫外光固化涂层耐磨性的领域中进一步研究。

纳米填料的添加可以有效提高涂层的硬度，降低涂层表面树脂与摩擦物的接触面积，增强耐磨性。但是，纳米颗粒的结晶形态、尺寸(直径)、分散性及其改性后可能带来的二次分散问题，都还值得深入研究。

1.3 固化工艺的影响

在固化过程中，紫外线能量、固化度等会影响涂层的交联度，对紫外光涂层的耐磨性也会产生影响。

关于紫外光固化能量的研究，岳军锋[1]以LJ-222-8NG型紫外光固化涂料为主体树脂，研究了紫外线固化能量在300～700 mJ/cm2之间时，涂层耐磨值与紫外线固化能量的关系。结果表明：当固化能量为600 mJ/cm2时，涂层的耐磨性最佳。若固化能量低于380 mJ/cm2，则涂料不能完全固化，表面结构交联度过低；若固化能量过高，则涂层过度固化，导致附着力下降。这就涉及到了涂层表面固化度对耐磨性的影响。

关于涂层表面固化度的研究，余宗萍等[16]将含聚氨酯和环氧丙烯酸酯的体系作为主体预聚物来研究紫外光固化涂层摩擦力的影响因素。在增加有机硅助剂及有机蜡粉这种传统降低摩擦力方法的基础上，探讨了固化度对摩擦因数的影响。结果表明，随着涂层表面固化度的提高，摩擦因数会不断减小，当固化度达到80%时，动摩擦因数基本不变，耐磨性较好。

控制紫外线固化能量、固化度能使涂层表面耐磨性处于较好水平，固化过程环境中的氧气(氧阻聚)、二氧化碳等的存在对固化后涂层耐磨性的影响也有不同表现，可以进一步研究。

2 总结

紫外光地板涂料的力学性能一直是地板涂料领域的研究重点。随着地板行业的发展，经济型PVC地板逐渐崭露头角，研究 PVC地板涂料也成为了大势所趋。PVC地板的寿命基本上取决于其耐磨性，故涂层耐磨性的研究格外重要。从预聚物、活性稀释剂、助剂种类的选择到氟、硅、硼等元素的添加，还有填料的种类、复配、粒径及其表面改性，引发剂种类及配比对表层和深层固化的影响等，之后的研究应在这些基础方面进行更加系统、全面、深入的研究。耐磨性不仅仅体现在磨耗上，更重要的是要结合组分结构、表面能、界面能以及应力集中问题进行深究。这样的研究才更具价值以及指导意义，也更符合未来发展的要求。