植绒密封件的摩擦性能
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· 摘要
为了减少接触时的摩擦力，密封件上通常会添加绒毛以实现这一目的，这是密封技术中常用的方法。这种带有绒毛的密封件广泛应用于汽车领域，如车门、手套箱、帽子架和储物空间。它们对乘客对车辆质量的感知有着重要影响。 如今的消费者要求，例如，移动车窗应几乎无摩擦且无声地滑动。尽管在这一领域已经进行了优化，但在某些机械和气候条件下，密封件接触时仍会反复出现由摩擦引起的噪音问题。本次讲座将科学且经济地探讨这一重要问题， 并通过系统性的摩擦分析提供研究成果，这些分析将羽绒被描述为噪声的来源。 目前尚不清楚羽绒群的特性及其摩擦伙伴的属性对摩擦行为有何影响。
近年来，车内噪音问题日益严重，已成为一个重要的经济问题。因为刺耳的吱吱声或嘎吱声不仅影响车辆的舒适度和质量感知，还存在安全隐患，因此汽车制造商非常重视噪音控制。当材料因不利的摩擦特性而产生相对运动时，例如在驾驶过程中突然加速或打开车窗等操作，就会产生噪音干扰。为了减少噪音，可以通过改善密封件的摩擦性能来实现，例如使用植绒技术，这种技术比传统的粘合涂层具有更高的冲击力和噪音吸收能力。植绒密封件广泛应用于汽车的门、窗、手套箱、储物架和储物空间等部位。
图1：应用示例
尽管在这一领域进行了优化，但带绒密封件仍会因摩擦而产生噪声，这取决于安装情况、机械负载和气候条件。为了解决这些问题， 目前在带绒密封件上应用了一种粘结涂层，特别是防摩擦涂层。虽然这种涂层可以减少干扰噪声， 但同时也掩盖了纤维结构的其他优点，并增加了制造成本。
如果从一开始就设计这种密封件，使其在车辆常见的各种负载和条件下不会产生干扰噪声，这将更加符合经济和生态的考虑。然而， 目前还没有足够的研究可以用于有针对性地优化材料。例如，关于群集（如基材、制造条件和可能 的后处理）的可调参数与密封件摩擦行为之间的相互关系， 目前尚不清楚。影响因素非常多样，且这些因素之间并非独立。本研究旨在科学和经济地解决这一重要问题，描述并评估影响发泡密封件制造和应用过程中噪音产生的因素。 项目的目标是分析和描述发泡汽车密封件的摩擦行为，并开发有针对性的方法来影响这种行为。
· 经济意义
绒毛纤维的应用，尤其是在汽车行业中，正逐渐增加。这里区分了用于光学增强（设计）的绒毛和主要用于隔音 ( 噪音）的技术绒毛。此外，经济上相关的应用领域还包括密封、公差补偿、避免振动噪音、易于滑动、防止冷凝、 高温下防接触保护、高吸水性和防滑。由于噪音导致的保修成本估计占总保修成本的10%（全球每年超过100亿€) 。 因此，优化材料以减少相对运动时的可感知噪音，被认为是成功开发车辆的重要组成部分。 目前，尚无普遍适用的标准来描述植绒密封件的摩擦特性。项目成果为此提供了基础，使得基于客观测试程序的材料优化成为可能。了解植绒特性与表面性能之间的基本关系，可以指导产品开发，使其更加有效。此外，植绒后处理领域的研究和开发为技术层面开辟了新的可能性和应用领域。
假设摩擦学系统如图所示，我们需考虑的样品结构包括基材、粘合剂、绒毛纤维、配合材料及某些颗粒。除了绒毛纤维本身的特性外，绒毛的结构和特性（如纤维密度、纤维方向、规则性等）也对摩擦行为有重要影响。
图2：摩擦学系统（左）和不同绒毛特性（右）
然而，植绒表面的特性不仅影响摩擦性能，还影响材料的其他功能。例如，密封件的主要作用是分隔两个空间，并 防止灰尘、水、空气等异物在这些空间之间流通。密封效果和摩擦行为受植绒表面特性（尤其是纤维类型、密度、长度和方向）的影响，因此，根据这些特性，在最坏的情况下，异物可能会进入摩擦间隙（图2，左）。必须防止这种情况，因此在优化密封的摩擦行为时应始终考虑这一点。
我们希望解决以下问题：
1.植绒密封件的材料性能与摩擦性能之间有什么关系？
2.如何具体影响植绒材料的摩擦和噪音行为？
3.后续改性植绒工艺是否可以有效地改善植绒密封件的摩擦性能？
首先，我们需要确定如何描述这些簇绒海豹。主要参数包括纤维的长度、直径（dtex）和材料类型。此外，纤维密度是工艺中的一个重要参数。因此，需要计算或统计每平方毫米区域内的纤维数量。在项目过程中，我们通过计算机辅助图像分析技术对表面进行了分析，并统计了纤维的数量。
图3：不同纤维密度和直径的表示（左）以及通过图像分析计数纤维（右）
另一个与摩擦行为相关的有趣事实是粘附效应。纤维与接触材料的相互作用非常重要。这种相互作用通常通过表面能及其极性和分散部分来讨论。表面能可以通过不同液体的滴形分析计算得出。通过比较两种相之间表面能/张力的分散部分与极性部分的比例，可以预测这两种相之间的粘附情况。比例越接近，相间相互作用的可能性越大，预期的粘附力也越高。
图4：涂层或未涂层绒毛表面的落形分析
对于未涂层的表面，水滴会直接落入表面。而涂层表面大多具有疏水性，水滴则会停留在表面。粘附力的强弱取决于接触面的特性，这将决定摩擦力的大小。
此外，还测量了样品的变形行为或硬度以及粘合剂和基材的性能，并予以考虑。
为了找到摩擦与纤维特性之间相关性的第一个答案，我们绘制了计算出的纤维密度与摩擦系数（共价有机框架）的关系图。
· 纤维末端与摩擦的相关性
摩擦系数与每平方毫米的纤维数量之间存在显著的相关性。这与接触面积的大小有关。纤维数量多意味着它们之间的间隙较小。因此，这些纤维在弯曲时会相互干扰，倾向于保持直立状态。这样，纤维端更可能与配合表面接触，从而减少接触面积，降低摩擦。
图6：纤维及其接触面
这导致了一些简短的结论。
较小的直径（dtex）会导致更大的平坦化。这种平坦化与更大的接触面积有关，从而导致更高的摩擦力。同样地，如果增加法向力或压力，也会出现同样的现象。较高的压力会导致更明显的平坦化。此外，延长纤维长度会使它们更容易弯曲，这将导致更多的变形，进而提高摩擦力。
纤维涂层增强了疏水性。这有助于减少摩擦，但始终取决于接触面（表面能差）。
但是涂层的替代品呢？
在研究项目中，测试了三种不同的方法（见图7）。
采用大气压等离子体工艺，在植绒表面沉积非常薄的聚合物层。这种工艺已应用于不同领域，以减少摩擦。
一种目前仍很少使用的工艺是通过激光技术对植绒表面进行后续结构化处理。这样，可以在植绒表面上引入特定的结构。 由于表面结构通常对摩擦行为有显著影响，因此该变体将通过带绒密封件进行测试，以验证其有效性和适用性。在优化摩擦和粘滑性能方面，重点将放在减少接触面积上。
第三，对纺织整理剂的应用进行了测试，以寻找一种替代涂层表面的方法。
图7：改善摩擦行为的替代方法。
· 通过等离子体聚合涂层对材料进行后处理
为了节约成本并优化当前的涂层工艺，项目中将探索替代方案，以降低成本并改善摩擦性能。首先采用等离子体聚合技术进行涂层处理。为此，通过等离子喷嘴在纤维表面沉积了一层SiOx（图8）。
图8：等离子喷嘴工艺示意图
沉积层在现阶段仍然过厚（图9）。涂层纤维表面也显示出较为粗糙的结构。这种粗糙结构可能对摩擦性能产生积极影响。 目前正在进行进一步实验，通过调整工艺参数（如降低前驱体流量、加快处理速度）来研究其影响。然而，过厚的沉积层导致了极低的变形能力，这至今对摩擦性能产生了负面影响。
图9：未涂层和涂层绒毛纤维的对比
其次，考虑了激光处理。使用激光系统开发并应用于样品的定义结构。根据激光强度的不同，纤维可以被完全或部分烧蚀。纤维因热输入而熔化，因此可以表现出不同的特性。
图10：激光处理和修改后的样品
随后对样品进行了摩擦分析，考虑了不同的力和速度。例如，下图显示了部分纤维表面的摩擦系数。
图11：摩擦系数与激光处理和光纤长度的关系
这里展示的结构比红色原始结构的摩擦系数显著降低。这证明了激光结构化可以改善摩擦性能。此外，较长的纤维 (0.8毫米）导致摩擦值略高。这可能是因为弯曲较长的纤维，增加了接触面积，从而提高了摩擦值。
第三，对纺织品整理工艺进行了试验，将各种整理剂施加在绒毛表面，整理剂可分为四类：油水两不相溶整理剂、无氟碳疏水剂、柔软剂和无硅柔软剂。
图12：不同绒毛表面与纺织整理的摩擦系数
对配备的材料也进行了摩擦测试。图11显示了与未经处理的样品（红色）相比的摩擦系数。可以看出，纺织品涂层可以成功地优化摩擦性能。
为了研究流胶密封在实际应用中的表现，需要建立一个能够反映密封、滑动和清洁性能的测试装置。 目前，汽车制造商仅在生产结束时，在模拟雨天条件下对车窗进行静态泄漏测试。到目前为止，还没有进行过侧窗开闭循环测试。现在，通过这个新的测试装置，可以实现这一目标。
图13：针对磨损、泄漏和雨天条件的新试验台
· 总结
1. 基材材料的影响：这种影响主要与植绒完整几何体的变形特性形成有关。根据其粘弹性，会形成不同大小的接触区域。接触面积越大，摩擦力也越大。
2. 粘合剂的影响：选择合适的粘合剂对增强粘结强度至关重要。粘合剂不仅要牢固地附着在基材上，还要能够吸收纤维。粘合剂的粘度会影响纤维的渗透，进而通过层的厚度和弹性/刚度间接影响纤维的滑动强度。这种滑动强度直接影响纤维与基材表面的摩擦力，进而影响纤维在基材表面的滑动性能。
3. 纤维特性的影响：纤维特性由纤维刚度、纤维长度、纤维直径和纤维密度等参数描述。根据这些参数的变化，会影响变形特性和最终的接触面积。摩擦力主要由纤维密度决定。
4. 后处理的影响：后处理有两种成功的方法。首先，可以通过后续的结构化处理来影响与配合材料的接触面。其次，通过纤维的涂层或功能表面处理，可以控制纤维与配合材料之间的粘附倾向。减少粘附可以降低材料发生粘滑现象的可能性。
5. 反材料的影响：反材料或摩擦伙伴对摩擦行为有显著影响。因此，一种防滑材料应适用于多种不同的摩擦伙伴。为了优化材料，必须考虑化学成分（与粘附性能相关）和表面结构（描述接触区域）的兼容性。
6. 负载的影响：不同类型的负载（机械和热）会影响材料的表面特性（如粘附性）以及材料本身的特性（如刚度、阻尼和变形）。这不仅影响清洁效果（密封性），还影响摩擦行为。在此过程中，接触面和粘附性能均会发生变化。
上述对接触面、刚度、阻尼、粘附特性和变形的影响不仅影响摩擦强度，而且影响粘滑行为。
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