本发明涉及一种高耐磨型聚氨酯薄膜材料的制备方法，属于薄膜材料
技术领域：
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背景技术：
在传统机械的运动过程中，承载力和摩擦系数是影响机械摩擦性能的主要影响因素。承载力越大，摩擦系数越高，意味着机械所受到的摩擦也就越高，在使用过程中设备磨损程度也就越严重。而微机电系统由于尺寸比传统意义的机械小得多，这就意味着它具有极大的表面积/体积比，在研究摩擦方面与宏观摩擦学产生了巨大的区别。微机电系统元件因其制造技术精密，尺寸控制严格，其摩擦副之间的间隙常处于纳米级甚至零间隙，传统的机械力因素对元件受力几乎无影响。在元件的运行过程中，元件表面的粘附力及表面张力等微观因素取代了传统的机械力，成为影响系统摩擦现象的主要因素。宏观摩擦学中传统摩擦力的研究因素已不能在微机电系统的摩擦中得到应用。因此必须以元件材料上的分子、原子为研究对象做微摩擦学研究。在微机电系统中元件表面的粘附性及表面张力成为影响mems系统性能、工作稳定性、抗摩擦性和使用寿命的重要因素。表面效应和尺寸效应使微机电系统的摩擦现象与宏观摩擦产生了本质的区别，传统的摩擦学已不能用于对元件表面粘附性和表面张力的研究，而要对其它的影响因素进行研究和探讨。mems的使用材料和使用环境对其摩擦学有重要影响。目前mems多采用单晶硅、多晶硅、氮化硅做主体材料，它们的使用性能成为影响摩擦的主要因素。此外，工作环境也会对其摩擦行为产生影响。在不同的工作环境（大气、湿度、温度）中，元件的摩擦损耗也不同。例如，大气中的氧气使材料表面很容易产生氧化层，对材料界面进行腐蚀，从而加剧了材料的磨损，而材料在氮气环境中由于氮气的保护作用，材料界面保存完善，有很好的耐磨性。大气中的水汽可吸附在材料表面使材料表面发生力学变化变化，增加的界面粘附力对摩擦性能有显著影响，降低了材料的抗磨损程度。此外，mems的运动载荷和运动速度等都会对系统的微摩擦性能产生一定的影响。微机电系统在运动过程中，元件接触时所产生的机械力很小，对元件表面的受力没有影响，故摩擦主要取决于表面的分子作用力和吸附性，因此对mems系统的元件表面进行改性是解决微机电系统摩擦现象的有力手段。目前国内外许多学者和研究机构对mems的摩擦学问题展开了深入的研究探索。目前研究的重点多集中在对mems系统元件材料表面进行改性，从而达到润滑的目的。mems系统元件的摩擦磨损现象在很大程度上与其制造材料有着千丝万缕的关系。微机电系统是由半导体集成电路发展延伸的，故其所用材料主要是硅基材料，其它材料包括有机聚合物、陶瓷、金属等。硅基材料因其产量丰富、性能优越被广泛应用于mems的制造，但在高温环境下机械性能差，当运动过程中超载或摩擦次数过多时，硅基材料表面极易产生微细磨粒，这对mems系统的运作是及其致命的。因此对硅基材料进行强化改性成为改善其微摩擦效果的重要手段。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题：针对现有聚氨酯薄膜减摩抗磨性能较差的问题，提供了一种高耐磨型聚氨酯薄膜材料的制备方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：（1）按重量份数计，分别称量45～50份丙酮、10～15份海藻酸钠、6～8份蒙脱土和25～30份二氯甲烷置于搅拌机中，搅拌混合并超声分散，收集分散液并静置脱泡得纺丝液；（2）将纺丝液置于静电纺丝注射器中，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维干燥，得改性多孔纤维；（3）按质量比1：10，将改性多孔纤维与聚醚n330搅拌混合，用三辊机研磨并过200目筛，得分散浆料；（4）按重量份数计，分别称量25～30份聚醚n220、15～20份聚醚n330、1～2份二甲硫基甲苯二胺和10～15份分散浆料置于搅拌机中，搅拌混合并浇注至模具中，在室温下静置脱泡并固化，收集改性聚氨酯弹性体；（5）按质量比1：15，将改性聚氨酯弹性体添加至醋酸丁酯中，搅拌混合并制备得溶解液，再按重量份数计，分别称量45～50份溶解液、6～8份异氰酸酯、1～2份二月桂酸二丁基锡和0.1～0.5份双十八烷基二甲基氯化铵置于三角烧瓶中，，搅拌混合并超声分散，收集分散液并干燥，收集涂膜液；（6）将涂膜液涂覆至洁净的钢板表面，待涂覆完成后，固化，静置冷却至室温，在室温下停放100～120h，即可制备得所述的高耐磨型聚氨酯薄膜材料。步骤（2）所述的静电纺丝参数为：控制注射器针头为5～6mm，纺丝电压为15～20kv，纺丝速度为1.5～2.0ml/h，接受距离为15～20cm。步骤（5）所述的干燥温度为45～50℃。步骤（6）所述的干燥为干燥至固含量为45～50％。本发明与其他方法相比，有益技术效果是：本发明技术方案采用丙酮为溶剂，丙酮常压沸点低，能快速挥发，且静电纺丝超细纤维比表面积较大，使其更易挥发，丙酮的挥发使静电纺丝制备的纤维温度快速降低而引起热致相分离，聚合物富集区形成纤维骨架，溶剂富集区则形成孔，造成纤维上凹坑的形成，随着混合溶剂中丙酮含量的增加，蒸汽压越来越高，溶剂更易挥发，纤维表面温度快速降低易使纤维外部环境中的水汽冷凝在纤维表面，由于水是海藻酸钠的凝固剂，水珠就成为致孔剂，挥发后的位置就成了孔，通过形成的孔隙结构穿插聚氨酯材料并填充形成交织的三维网状结构，通过形成的交联结构，有效改善聚氨酯材料和无机填充材料的结合强度；同时聚酯多元醇中长链脂肪族单体赋予其优异的柔韧性，而环状单体赋予其韧性，无机填充聚氨酯材料后使复合材料具有一定程度的交联，使其形成网络结构，赋予其较好的耐磨性能。具体实施方式按重量份数计，分别称量45～50份丙酮、10～15份海藻酸钠、6～8份蒙脱土和25～30份二氯甲烷置于搅拌机中，搅拌混合并置于200～300w下超声分散10～15min，收集分散液并置于室温下静置脱泡2～3h得纺丝液；将纺丝液置于静电纺丝注射器中，控制注射器针头为5～6mm，纺丝电压为15～20kv，纺丝速度为1.5～2.0ml/h，接受距离为15～20cm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于55～65℃下干燥6～8h，得改性多孔纤维；按质量比1：10，将改性多孔纤维与聚醚n330搅拌混合，用三辊机研磨并过200目筛，得分散浆料；按重量份数计，分别称量25～30份聚醚n220、15～20份聚醚n330、1～2份二甲硫基甲苯二胺和10～15份分散浆料置于搅拌机中，搅拌混合并浇注至模具中，在室温下静置脱泡并置于95～100℃下固化20～24h，收集改性聚氨酯弹性体；按质量比1：15，将改性聚氨酯弹性体添加至醋酸丁酯中，搅拌混合并制备得溶解液；再按重量份数计，分别称量45～50份溶解液、6～8份异氰酸酯、1～2份二月桂酸二丁基锡和0.1～0.5份双十八烷基二甲基氯化铵置于三角烧瓶中，在45～50℃下搅拌混合并置于200～300w下超声分散10～15min，收集分散液并置于45～50℃下干燥至固含量为45～50％，收集涂膜液并涂覆至洁净的钢板表面，控制涂膜厚度为0.2mm～0.3mm，待涂覆完成后，再在55～60℃固化72～100h，静置冷却至室温，在室温下停放100～120h，即可制备得所述的高耐磨型聚氨酯薄膜材料。实例1按重量份数计，分别称量45份丙酮、10份海藻酸钠、6份蒙脱土和25份二氯甲烷置于搅拌机中，搅拌混合并置于200w下超声分散10min，收集分散液并置于室温下静置脱泡2h得纺丝液；将纺丝液置于静电纺丝注射器中，控制注射器针头为5mm，纺丝电压为15kv，纺丝速度为1.5ml/h，接受距离为15cm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于55℃下干燥6h，得改性多孔纤维；按质量比1：10，将改性多孔纤维与聚醚n330搅拌混合，用三辊机研磨并过200目筛，得分散浆料；按重量份数计，分别称量25份聚醚n220、15份聚醚n330、1份二甲硫基甲苯二胺和10份分散浆料置于搅拌机中，搅拌混合并浇注至模具中，在室温下静置脱泡并置于95℃下固化20h，收集改性聚氨酯弹性体；按质量比1：15，将改性聚氨酯弹性体添加至醋酸丁酯中，搅拌混合并制备得溶解液；再按重量份数计，分别称量45份溶解液、6份异氰酸酯、1份二月桂酸二丁基锡和0.1份双十八烷基二甲基氯化铵置于三角烧瓶中，在45℃下搅拌混合并置于200w下超声分散10min，收集分散液并置于45℃下干燥至固含量为45％，收集涂膜液并涂覆至洁净的钢板表面，控制涂膜厚度为0.2mm，待涂覆完成后，再在55℃固化72h，静置冷却至室温，在室温下停放100h，即可制备得所述的高耐磨型聚氨酯薄膜材料。实例2按重量份数计，分别称量48份丙酮、12份海藻酸钠、7份蒙脱土和28份二氯甲烷置于搅拌机中，搅拌混合并置于250w下超声分散12min，收集分散液并置于室温下静置脱泡2h得纺丝液；将纺丝液置于静电纺丝注射器中，控制注射器针头为5mm，纺丝电压为18kv，纺丝速度为1.8ml/h，接受距离为18cm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于60℃下干燥7h，得改性多孔纤维；按质量比1：10，将改性多孔纤维与聚醚n330搅拌混合，用三辊机研磨并过200目筛，得分散浆料；按重量份数计，分别称量28份聚醚n220、18份聚醚n330、1份二甲硫基甲苯二胺和12份分散浆料置于搅拌机中，搅拌混合并浇注至模具中，在室温下静置脱泡并置于98℃下固化22h，收集改性聚氨酯弹性体；按质量比1：15，将改性聚氨酯弹性体添加至醋酸丁酯中，搅拌混合并制备得溶解液；再按重量份数计，分别称量48份溶解液、7份异氰酸酯、1份二月桂酸二丁基锡和0.3份双十八烷基二甲基氯化铵置于三角烧瓶中，在48℃下搅拌混合并置于250w下超声分散12min，收集分散液并置于48℃下干燥至固含量为48％，收集涂膜液并涂覆至洁净的钢板表面，控制涂膜厚度为0.2mm，待涂覆完成后，再在58℃固化86h，静置冷却至室温，在室温下停放110h，即可制备得所述的高耐磨型聚氨酯薄膜材料。实例3按重量份数计，分别称量50份丙酮、15份海藻酸钠、8份蒙脱土和30份二氯甲烷置于搅拌机中，搅拌混合并置于300w下超声分散15min，收集分散液并置于室温下静置脱泡3h得纺丝液；将纺丝液置于静电纺丝注射器中，控制注射器针头为6mm，纺丝电压为20kv，纺丝速度为2.0ml/h，接受距离为20cm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于65℃下干燥8h，得改性多孔纤维；按质量比1：10，将改性多孔纤维与聚醚n330搅拌混合，用三辊机研磨并过200目筛，得分散浆料；按重量份数计，分别称量30份聚醚n220、20份聚醚n330、2份二甲硫基甲苯二胺和15份分散浆料置于搅拌机中，搅拌混合并浇注至模具中，在室温下静置脱泡并置于100℃下固化24h，收集改性聚氨酯弹性体；按质量比1：15，将改性聚氨酯弹性体添加至醋酸丁酯中，搅拌混合并制备得溶解液；再按重量份数计，分别称量50份溶解液、8份异氰酸酯、2份二月桂酸二丁基锡和0.5份双十八烷基二甲基氯化铵置于三角烧瓶中，在50℃下搅拌混合并置于300w下超声分散15min，收集分散液并置于50℃下干燥至固含量为50％，收集涂膜液并涂覆至洁净的钢板表面，控制涂膜厚度为0.3mm，待涂覆完成后，再在60℃固化100h，静置冷却至室温，在室温下停放120h，即可制备得所述的高耐磨型聚氨酯薄膜材料。对照例：东莞某公司生产的聚氨酯薄膜材料。将实例及对照例的聚氨酯薄膜材料进行检测，具体检测如下：摩擦磨损性能测试：采用美国cert公司生产的umt-2型多功能微摩擦磨损实验机测试薄膜的摩擦性能。测试载荷为400mn，滑动速度为1.5mm/s，测试时间为3min，接触形式为球-块式点接触，对磨形式采用往复滑动，行程为6mm，实验环境：大气、室温，相对湿度40-50%。每次测试前，先转动上试样(wc钢质球)以保证接触点是新的位置，然后再用酒精棉球擦拭上试样表面。每个样品测试三次取平均值，摩擦系数由记录仪自动记录。亲水性：利用德国data公司生产的oca-200型接触角测试仪测量去离子水在聚合物薄膜表面的水接触角，整个实验过程中在薄膜表面不同位置测试五次，取平均值。数据由接触角测试仪直接给出。具体检测结果如表1。表1性能表征对比表检测项目实例1实例2实例3对照例摩擦系数0.090.100.110.8水接触角/°76.879.077.185.3由表1可知，本发明制备的聚氨酯薄膜材料具有良好的减摩润滑效果，具有良好的润滑性和疏水性。当前第1页12