表面开孔PVC浸塑手套的制备及其防滑性能

聚氯乙烯(PVC)浸塑手套是以糊状PVC树脂和增塑剂及有关助剂为原料，采用手模浸渍并经后续高温塑化成型而成，具有成本低、耐酸碱腐蚀、手感舒适、防护效果好等优点，广泛地应用于建筑、渔业、科研、医疗等领域[1–2]。然而现有的PVC手套表面光滑，摩擦系数小，在穿戴手套抓拿物品时容易发生滑落，从而影响其使用效果。虽然可以通过在涂层表面增加纹路[3]或凹凸防滑颗粒[4]来增加手套的防滑效果，但是在湿滑的表面，这种手套的防滑效果依然较差。

为了提高PVC浸塑手套在湿滑表面的防滑性能，笔者采用发泡工艺，选用正己烷／乙醇混合液和自制的发泡微胶囊作为复合发泡剂[5]，制备了具有表面开孔结构的PVC浸塑手套，利用手套表面的开孔可以在手套与湿滑表面接触时像吸盘一样吸附在湿滑表面上，从而提高附着力起到防滑的效果。研究了制备工艺对PVC浸塑手套表面开孔结构的影响规律，并采用摩擦系数测定仪测试了PVC浸塑手套在干态和湿态下的防滑性能。

1 实验部分

1.1 主要原材料

PVC糊树脂：EM5511，天津渤天化工有限责任公司；

邻苯二甲醛二辛酯(DOP)：化学纯，天津石化三厂；

Zn-Mg-Sn稳定剂：KR–600，化学纯，天津石化三厂；

脲醛树脂微胶囊：粒径150 μm，囊芯材料为正己烷和四氯乙烯的混合物，自制；

吐温80表面活性剂：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；

乙醇、正己烷：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器与设备

高速分散机：Eurostar 20型，广州仪科实验室技术有限公司；

数码相机：EM–5型，奥林巴斯(中国)有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)：S3400型，日本日立高新技术有限公司；

摩擦系数测定仪：32–07型，美国TMI公司。

1.3 PVC浆液的配制

(1) PVC浆液1的配制。

将100质量份的PVC糊树脂、2质量份的Zn-Mg-Sn稳定剂和100质量份的DOP加入高速分散机中，先在低速400 r／min下搅拌10 min，再在高速800 r／min下搅拌至浆温达到42℃时停止，制得PVC浆液1。

(2) PVC浆液2的配制。

待PVC浆液1冷却至室温后，称取适量的PVC浆液1，加入适量的无水乙醇和正己烷混合液，以及占PVC浆液质量分数2%的吐温80表面活性剂，在转速1 000 r／min下偏心搅拌25 min后停止搅拌，制得PVC浆液2。

(3) PVC浆液3的配制。

向PVC浆液2中加入适量的脲醛树脂微胶囊后，在转速200 r／min下搅拌10 min，制得PVC浆液3。

1.4 PVC浸塑手套的制备

(1)传统PVC浸塑手套的制备。

将套有棉质针织基布的手模放入60℃烘箱中预热10 min后，在PVC浆液1中进行浸渍，浆液温度控制在25℃，浸渍时间30 s，手模浸渍、垂滴后放入烤箱中烘烤，烘烤温度为170～190℃，烘烤时间为15 min，然后取出手模，在空气中自然冷却至50～60℃，脱模，制得传统PVC浸塑手套。

(2)表面开孔PVC浸塑手套的制备。

将套有棉质针织基布的手模放入60℃烘箱中预热10 min后，在PVC浆液1中进行一次浸渍(PVC浆液1的温度为室温，浸渍时间30 s)，浸渍、垂滴后放入烤箱中烘烤，烘烤温度为170～190℃，烘烤时间为1 min；将上述浸渍、烘烤后的手模取出后马上放入PVC浆液2或PVC浆液3中进行二次浸渍，浆液温度控制在25℃，浸渍时间30 s，手模经二次浸渍、垂滴后放入烤箱中烘烤；烘烤温度为170～190℃，烘烤时间15 min；取出手模，在空气中自然冷却至50～60℃，脱模，制得具有表面开孔的PVC浸塑手套。

1.5 性能测试与表征

(1)样品表面形貌的表征。

将制备的PVC浸塑手套表面进行喷金处理，采用SEM观察其微观形貌并拍照。

样品表面形貌采用奥林巴斯数码相机进行观察拍摄。

(2) PVC浸塑手套摩擦系数的测定。

参照GB 10006–1988对PVC浸塑手套的防滑性能进行测试。利用摩擦系数测定仪测定所制备的具有不同表面形貌的PVC浸塑手套与玻璃表面之间的干态和湿态(水)摩擦系数，湿态测试时需将去离子水先涂于玻璃表面，并形成均匀的水膜。试验前将PVC浸塑手套裁剪成63 mm×63 mm，外表面朝下，用双面胶固定在滑块底面下，将滑块置于玻璃表面中央，并用细钢丝绳连接滑块与传感器。测试所用滑块质量为200 g，试验速度为100 mm／min。每组实验需要重复测量3次，记录实验的静摩擦系数和动摩擦系数的平均值。

2 结果与讨论

2.1 表面开孔PVC浸塑手套的制备工艺

许多研究者[6–10]通过在PVC中加入物理和化学发泡剂制备具有泡孔结构的PVC复合材料，比如偶氮二甲酰胺(AC)、碳酸氢钠、偶氮二异丁腈等，然而采用这些发泡剂制备的PVC复合材料的泡孔都集中在材料的内部，而材料的表层则较为光滑，不能起到良好的防滑效果。为了得到具有表面开孔结构的PVC浸塑手套，笔者借助微相分离和物理发泡相结合的手段，在PVC浆液中加入乙醇／正己烷的混合溶液及自制的脲醛树脂微胶囊发泡剂，制备了具有不同表面开孔结构的PVC浸塑手套。

(1)正己烷／乙醇配比对PVC浸塑手套表面开孔结构的影响。

表1为制备PVC浸塑手套的配方，图1为不同正己烷／乙醇配比制备的PVC浸塑手套的数码照片。

表1 PVC浸塑手套配方 体积份

图1 不同正己烷／乙醇配比下PVC浸塑手套表面形貌的数码照片

从图1可以看出，当PVC浆液中单独添加正己烷或乙醇时制备的PVC浸塑手套表面均无开孔的孔洞；当在PVC浆液中加入一定量的乙醇和正己烷的混合液后可以得到表面具有开孔结构的PVC浸塑手套。

在较低的乙醇含量(5体积份)下，PVC浸塑手套表面的孔洞大小不一，随着正己烷／乙醇混合液中乙醇含量的增加，PVC浸塑手套的表面开孔变得均匀；然而随着乙醇含量的进一步增加，PVC浸塑手套表面的开孔减少。这是由于正己烷／乙醇混合液中起到发泡作用的是正己烷，但是正己烷和PVC糊树脂中的增塑剂DOP难以互溶，因此在不加乙醇的情况下，正己烷难以在PVC糊树脂中分散均匀，正是由于正己烷在PVC糊中的聚集造成制得的PVC浸塑手套表面难以形成均匀的孔洞。乙醇则可以和增塑剂DOP完全互溶，而且乙醇和正己烷也可以完全互溶，乙醇在这里起到了增加正己烷和增塑剂DOP之间互溶助溶的作用，并且随着正己烷／乙醇混合液中乙醇含量的增加，正己烷和DOP的互溶程度也有所增加；然而，由于乙醇不能起到发泡的作用，在正己烷／乙醇混合液总量不变的情况下，乙醇的增加意味着发泡剂正己烷含量的减少，因此制得的PVC浸塑手套表面开孔也随之减少。为了获得均匀的开孔结构PVC浸塑手套，笔者控制正己烷和乙醇的体积比为1∶1。

(2)正己烷／乙醇混合液含量对PVC浸塑手套开孔结构的影响。

为了考察正己烷／乙醇混合液的含量对PVC浸塑手套表面开孔结构的影响，固定正己烷和乙醇的体积比为1∶1，PVC浆液的量为25体积份，制备了不同正己烷／乙醇混合液含量的PVC浸塑手套。图2为不同正己烷／乙醇混合液含量下PVC浸塑手套表面开孔结构的数码照片。

图2 不同正己烷／乙醇混合液含量下PVC浸塑手套表面开孔结构的数码照片

从图2可以看出，在较低的混合液含量(10体积份)下得不到具有表面开孔结构的PVC浸塑手套。这是由于正己烷／乙醇混合液的含量太低，导致PVC糊树脂的黏度较高，在升温时产生的正己烷气体不能冲破PVC糊树脂的束缚，从而得不到具有表面开孔结构的PVC浸塑手套；随着正己烷／乙醇混合液含量的增加，PVC浸塑树脂的黏度逐渐降低，在升温时正己烷可以冲破PVC糊树脂在其表面形成孔洞；然而，随着正己烷／乙醇混合液的含量进一步增加，PVC糊树脂的黏度急剧下降，从而造成PVC糊树脂难以在针织手套表面涂敷。因此为了得到具有表面均匀开孔的PVC浸塑手套，正己烷／乙醇混合液与PVC浆液的体积比控制在20∶25。

(3)脲醛树脂微胶囊发泡剂的引入对PVC浸塑手套表面开孔结构的影响。

通过在PVC糊树脂中加入正己烷／乙醇混合液可以制备表面具有均匀开孔结构的PVC浸塑手套。然而由于该工艺制得的微孔直径较大而且不致密。为了获得表面具有均匀致密微孔的PVC浸塑手套，在固定PVC浆液为25体积份、正己烷／乙醇混合液20体积份的条件下，加入一定量的脲醛树脂微胶囊发泡剂来调节PVC浸塑手套表面微孔的直径。图3为不同发泡脲醛树脂微胶囊含量下PVC浸塑手套开孔结构的数码照片。

图3 不同脲醛树脂微胶囊发泡剂含量下PVC浸塑手套开孔结构的数码照片

从图3可以看出，加入2体积份脲醛树脂微胶囊发泡剂后，PVC浸塑手套表面的微孔更加致密，孔径也较为均一，且微孔的直径也从加脲醛树脂微胶囊发泡剂前的约600 μm (见图3a)降到300 μm左右(见图3b)。然而随着脲醛树脂微胶囊发泡剂加入量的增加至4体积份时，泡孔分布和孔径开始变得不均匀(见图3c)，这是由于随着脲醛树脂微胶囊发泡剂含量的增加，发泡过程变得剧烈且难以控制，从而造成上述现象。因此为了得到表面开孔均匀、致密的PVC浸塑手套，需要将脲醛树脂微胶囊发泡剂的量控制在2体积份。

图4是不同工艺制备的PVC浸塑手套表面的SEM照片。

图4 PVC浸塑手套表面SEM照片(放大倍数50倍)

从图4可以看出，未加入发泡剂的PVC浸塑手套表面比较光滑(见图4a)，表面无开放性的泡孔；加入正己烷／乙醇混合液后，PVC浸塑手套表面出现了开放性的泡孔，但是孔径较大且不均匀(见图4b)；加入一定量的脲醛树脂微胶囊发泡剂后，PVC浸塑手套表面的微孔变得致密，孔径也较为均一(见图 4c)。

2.2 不同表面结构的PVC浸塑手套的防滑性能

目前，国内针对PVC浸塑手套的防滑性能还没有统一的测试标准，为了测试手套的防滑性能，参照GB 10006–1988测试了不同表面结构的PVC浸塑手套在玻璃表面的摩擦系数，用来表征手套的防滑性能。摩擦系数越大表明手套在玻璃表面的防滑性能越好。图5是在干态下测定的不同表面结构的PVC浸塑手套在光滑玻璃表面的静摩擦系数和动摩擦系数。

图5 PVC浸塑手套在玻璃表面的干态摩擦系数

从图5可知，在干态情况下，3种不同表面结构的PVC浸塑手套的静摩擦系数均明显大于动摩擦系数。这主要是由于两个摩擦表面互相接触时，由于表面微凸体结构的高度不一，在接触时会形成犬牙交错的互相接触，这就决定了产生摩擦时有两种基本的表面作用：一种是两个表面压紧时，在接触区域的某些部分发生粘着，另一种是表面微凸体互嵌产生的运动阻力，即摩擦力的产生主要在于“粘着”和“微凸体互嵌”两种相互表面作用之中[11]。对于静摩擦而言，物体和表面的静止接触时间要比动摩擦长得多，由于接触点上的压力较高，材料发生弹塑性互相压入，接触时间长，因塑性流动得到的面积大，互相压入的深度也大，因此从表面的相互作用来看都是随时间而加强的。而且样品在由静止进入相对运动后，材料表面的物理特性不同于静摩擦，材料表面会由于相对运动产生摩擦损伤，同时在滑动摩擦时脱落的微粒将夹杂在两摩擦面之间，这些因素共同导致了材料的动摩擦系数小于静摩擦系数。另外一方面，从微观上来说，物体在运动时的接触面积要比静止时小，这也是造成动摩擦系数小于静摩擦系数的一个原因。

从图5还可以看出，在干态测试条件下，具有不同表面形貌的3个样品之间的静摩擦系数和动摩擦系数总体而言差别不大。这是由于摩擦力的本质是由两物体接触面上的分子间的内聚力引起的[12]，但是对于实际互相接触的物体而言，只有在表面间的微观凸起才互相接触，大多数地方是不接触的，因此对于两个刚性固体表面间的实际的接触面积要远远小于表观的接触面。然而对于柔性的PVC浸塑手套和刚性的玻璃之间而言，由于PVC浸塑手套柔性较大，极易变形，因此具有不同表面结构的PVC浸塑手套与玻璃接触时，接触的面积与标称的面积相当，因此样品的表面形貌在干态测试条件下对材料的摩擦系数影响不大。

图6是在湿态下测定的不同表面结构的PVC浸塑手套在光滑玻璃表面的静摩擦系数和动摩擦系数。

图6 PVC浸塑手套在玻璃表面的湿态摩擦系数

对比图6和图5可以看出，3种不同表面结构的PVC浸塑手套在湿滑表面下的动摩擦系数相比干态测试条件下均有不同程度的下降。造成3种材料在湿态下动摩擦系数下降的原因在于：在有水润湿的情况下，PVC表面不能直接与玻璃表面发生实际接触，这时分布在PVC表面与玻璃表面之间的水膜就充当了润滑剂起到润滑的作用，从而导致摩擦力急剧减小 [13–14]。

从图6可以看出，相比于传统的PVC浸塑手套(1#样品)，具有表面开孔结构的PVC浸塑手套(5#和9#样品)在湿态下的动态摩擦系数从0.31分别增加到0.79和0.75，分别增加了155%和142%。这是由于5#样品和9#样品表面具有大量的微孔，当有少量水的介入并在一定的压力下，这些微孔结构就像一个个吸盘一样，吸附在玻璃的表面，从而增大了摩擦力，提高了材料的防滑性能。从测试结果也可以看出，手套表面开孔的大小对材料的摩擦系数有影响，但影响不大。

从图6还可以看出，3种PVC浸塑手套在湿态下的静摩擦系数差别不大，而且和干态相比并没有明显变化。这是由于在滑移速度低或负荷较大的情况下，接触表面没有达到流体润滑，此时，润滑剂层破裂，表面被分子尺度的润滑剂膜分离[15]。在这样的条件下，有一层非常薄的润滑剂膜通过很强的分子粘附力粘附在玻璃表面上，润滑剂膜失去了其本体流动性能。在此情况下，水膜对摩擦性能的影响基本失去作用。

3 结论

(1)采用微相分离和物理发泡相结合的手段，在PVC浆液中加入正己烷／乙醇混合溶液以及自制的脲醛树脂微胶囊发泡剂，制备了具有不同开孔结构的PVC浸塑手套。通过控制正己烷和乙醇的体积比为1∶1，正己烷／乙醇混合液与PVC浆液的体积比控制在20∶25，并向浆液中加入2体积份脲醛树脂微胶囊发泡剂可以制得表面具有均匀开孔结构的PVC浸塑手套。

(2)对于PVC浸塑手套而言，手套表面的开孔结构对材料在湿滑表面的动摩擦系数有比较明显的影响。这是由于手套表面的开孔结构，在手套与湿滑表面接触时能够像吸盘一样牢牢吸住接触表面，因此具有优异的动态防滑性能。相比传统的PVC浸塑手套，具有表面开孔结构的PVC浸塑手套在湿滑表面的动摩擦系数增加155%，而手套表面开孔的大小对手套在湿滑条件下的防滑性能影响不大。