丙烯酸聚氨酯漆是一种快干保护涂料，广泛用于各种工业应用，如地板漆、汽车漆等。当作为地坪漆使用时，它可以服务于人流和胶轮车流量大的地方，如人行道、路边和停车场。
传统上，根据ASTM D4060标准，采用Taber磨损试验来评估丙烯酸聚氨酯地坪漆的耐磨性。然而，正如标准中所提到的，"对于某些材料，由于测试过程中车轮的磨料特性发生变化，使用Taber磨料磨具进行的磨损测试可能会发生变化。“1这可能导致检测结果的可重复性差，并造成比较不同实验室报告的值的困难。此外，在Taber磨损试验中，耐磨性计算为在指定次数的磨损循环下的重量损失。而丙烯酸聚氨酯地坪漆的推荐干膜厚度为37.5 ~ 50 μm2。
Taber Abraser的侵蚀性磨蚀过程可以迅速磨穿丙烯酸聚氨酯涂层，并造成基材的质量损失，从而导致涂料重量损失计算的巨大误差。在磨蚀试验过程中，磨料颗粒植入涂料中也会造成误差。因此，一个控制良好的可量化和可靠的测量对于确保涂料的可重复性磨损评估至关重要。此外，还有 划痕测试 允许用户在实际应用中检测到过早的粘合剂/胶粘剂失效。
本研究评估了四种市售的水性丙烯酸地板涂料，它们具有相同的底漆（基底漆）和相同配方的不同面漆，为了提高耐久性，在添加剂的混合上有小的变化。这四种涂料被确定为样品A、B、C和D。
NANOVEA 摩擦计用于评估摩擦学行为，例如摩擦系数、COF 和耐磨性。将 SS440 球头（直径 6 毫米，等级 100）应用于测试涂料。 COF 是现场记录的。磨损率K的计算公式为K=V/(F×s)=A/(F×n)，其中V为磨损体积，F为法向载荷，s为滑动距离，A为磨损轨迹的横截面积，n是转数。表面粗糙度和磨损轨迹轮廓由 NANOVEA 评估 光学轮廓仪，并使用光学显微镜检查磨损轨迹形态。
常态力
20 N
速度
15米/分钟
测试时间
100、150、300和800周期
配备了罗克韦尔C金刚石触控笔(200 μm半径)的NANOVEA机械测试仪使用微刮擦测试模式对油漆样品进行渐进负载刮擦测试。使用了两种最终负载:5 N的最终负载用于研究底漆上的油漆分层，35 N的最终负载用于研究金属基材上的底漆分层。对每个样品在相同的测试条件下重复进行三次测试，以确保结果的可重复性。
整个划痕长度的全景图像被自动生成，它们的临界失效位置被系统软件与施加的载荷相关联。这一软件功能便于用户随时对划痕进行分析，而不是在划痕测试后立即在显微镜下确定临界载荷。
| 装载类型 | 渐进的 |
| 初始负载 | 0.01 mN |
| 终极装载 | 5 N / 35 N |
| 装载率 | 10 / 70 N/min |
| 划痕长度 | 3毫米 |
| 刮擦速度，dx/dt | 6.0毫米/分钟 |
| 压头的几何形状 | 120º锥体 |
| 压印材料（尖端） | 钻石 |
| 压头半径 | 200 μm |
在不同转数(100、150、300和800循环)下，对每个样品进行了四次针对盘磨损试验，以监测磨损的演变。在进行磨损测试之前，用NANOVEA 3D非接触剖面仪测量样品的表面形貌，以量化表面粗糙度。所有样品的表面粗糙度均约为1 μm，如图1所示。COF在磨损试验中原地记录，如图2所示。图4为100、150、300和800循环后的磨损轨迹演变，图3为不同样品在磨损过程不同阶段的平均磨损率。
与其他三种样品的COF值~0.07相比，样品a的COF值在开始时要高得多，为~0.15，经过300次磨损循环后，COF值逐渐增加，稳定在~0.3。如此高的COF加速了磨损过程，并产生了大量的油漆碎片，如图4所示——样品a的面漆在前100转中已经开始被去除。如图3所示，样品A在前300个循环中磨损率最高，为~5 μm2/N，由于金属基体的耐磨性较好，磨损率略微下降到~3.5 μm2/N。样品C的面漆在150次磨损后开始失效，如图4所示，图2中COF的增加也说明了这一点。
相比之下，样品B和样品D表现出增强的摩擦学性能。样品B在整个测试过程中保持较低的COF - COF从~0.05轻微增加到~0.1。这样的润滑效果大大提高了它的耐磨性-面漆在800次磨损循环后仍然对底漆提供优越的保护。样品B在800次循环时的最低平均磨损率仅为~0.77 μm2/N。样品D的面漆在375次循环后开始分层，从图2中COF的突然增加可以看出。样品D在800次循环时的平均磨损率约为1.1 μm2/N。
与传统的Taber磨损测量相比，NANOVEA摩擦仪提供了良好控制的可量化和可靠的磨损评估，确保了商业地板/汽车涂料的可重复性评估和质量控制。此外，原位COF测量的能力使用户能够将磨损过程的不同阶段与COF的演变联系起来，这对于提高对各种油漆涂层的磨损机制和摩擦学特性的基本认识至关重要。
图1: 涂料样品的三维形态和粗糙度。
图2: 在引脚磁盘测试期间，COF。
图3: 不同涂料的磨损率的演变。
图4: 钉盘试验期间磨损痕迹的演变。
图5显示了以样品A为例，法向力、摩擦力和真实深度与划痕长度的关系图。可以安装一个可选的声发射模块来提供更多信息。随着法向载荷的线性增加，压痕尖端逐渐下沉到被测样品中，这反映在真实深度的逐渐增加上。摩擦力和真实深度曲线的斜率变化可以作为涂层开始出现故障的含义之一。
图5: 法向力、摩擦力和真实深度与划痕长度的关系。 最大载荷为5N的样品A的划痕测试。
图6和图7显示了在最大载荷为5N和35N的情况下测试的所有四个油漆样品的全部划痕。样品D需要更高的负荷，即50N才能使底漆脱层。在5N的最终载荷下的划痕测试（图6）评估了面漆的内聚/粘附失效，而在35N的测试（图7）评估了底漆的分层。显微照片中的箭头表示顶层涂料或底层涂料开始从底层或基材上完全脱落的点。在这一点上的载荷，即所谓的临界载荷，Lc，是用来比较涂料的内聚力或粘合力的，如表1所总结的。
很明显，油漆样品D具有最好的界面附着力——在油漆分层处显示出最高的Lc值4.04 N，在底漆分层处显示出36.61 N。样品B显示出第二好的耐刮性。从划痕分析中，我们发现涂料配方的优化对丙烯酸地板涂料的力学性能，或更具体地说，耐划痕性和粘附性至关重要。
表1: 关键负荷的总结。
图6: 最大负荷为5N的完全划痕的显微照片。
图7: 最大负荷为35N的完全划痕的显微照片。
与传统的Taber磨蚀测量相比，NANOVEA机械测试仪和摩擦仪是商业地板和汽车涂料评估和质量控制的卓越工具。NANOVEA机械测试仪在划痕模式下可以检测涂层系统中的附着力/内聚力问题。NANOVEA摩擦仪对涂料的耐磨性和摩擦系数提供了良好控制的可量化和可重复的摩擦学分析。
基于对本研究中测试的水基丙烯酸地板涂料的综合摩擦学和机械分析，我们表明样品B拥有最低的COF和磨损率，以及第二好的耐刮擦性，而样品D表现出最好的耐刮擦性和第二好的耐磨性。这一评估使我们能够评估和选择针对不同应用环境需求的最佳候选人。
NANOVEA机械测试仪的纳米和微模块都包括ISO和ASTM兼容的压痕，划痕和磨损测试模式，提供了最广泛的测试范围，可在单个模块上进行油漆评估。NANOVEA摩擦计使用符合ISO和ASTM标准的旋转和线性模式提供精确和可重复的磨损和摩擦测试，并可在一个预先集成的系统中提供可选的高温磨损、润滑和摩擦腐蚀模块。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚、软或硬涂层、薄膜和基材的全套机械/摩擦学性能的理想解决方案，包括硬度、杨氏模量、断裂韧性、附着力、耐磨性和许多其他性能。可选NANOVEA非接触式光学剖面仪可用于划痕和磨损轨迹的高分辨率三维成像，以及其他表面测量，如粗糙度。
一般来说，硬度测试是测量材料对永久变形或塑性变形的抵抗能力。硬度测量有三种类型:划痕硬度、压痕硬度和回弹硬度。划痕硬度测试的是材料对锋利物体摩擦产生的划痕和磨损的抵抗能力。它最初是由德国矿物学家弗里德里希·莫赫在1820年发明的，至今仍被广泛用于评定矿物的物理性质2。这种测试方法也适用于金属、陶瓷、聚合物和涂层表面
在划痕硬度测量过程中，用指定几何形状的金刚石触头在恒定的法向力和恒定的速度下沿线性路径划入材料表面。测量划痕的平均宽度，并用于计算划痕硬度数(HSP)。这种技术为不同材料的硬度缩放提供了一个简单的解决方案。
NANOVEA PB1000机械测试仪对三种抛光金属（Cu110、Al6061和SS304）进行了划痕硬度测试。使用了一个顶角为120°、尖端半径为200 µm的锥形金刚石测针。每个样品以相同的测试参数进行了三次划痕，以确保结果的可重复性。测试参数总结如下。在10mN的低正常载荷下，在划痕前后进行剖面扫描。 划痕测试 来测量划痕的表面轮廓的变化。
测试参数
常态力
10 N
温度
24°C (RT)
滑动速度
20毫米/分钟
划痕长度
10毫米
气体环境
空气
三种金属（Cu110、Al6061和SS304）测试后的划痕图像显示在图1中，以便比较不同材料的划痕硬度。NANOVEA机械软件的绘图功能被用来创建三个在相同条件下测试的平行划痕的自动协议。表1中总结和比较了测量的划痕宽度和计算的划痕硬度数（HSP）。金属显示出不同的磨损轨迹宽度，Al6061、Cu110和SS304分别为174、220和89微米，从而计算出的HSP为0.84、0.52和3.2GPa。
除了根据划痕宽度计算出的划痕硬度外，在划痕硬度测试期间还现场记录了摩擦系数（COF）、真实深度和声发射的变化。这里，真实深度是指划痕测试中测针的穿透深度与预扫描中测得的表面轮廓之间的深度差。Cu110的COF、真实深度和声发射作为一个例子显示在图2中。这些信息提供了对划痕过程中发生的机械故障的洞察力，使用户能够检测机械缺陷并进一步研究被测材料的划痕行为。
划痕硬度测试可以在几分钟内完成，具有很高的精度和可重复性。与传统的压痕程序相比，本研究中的划痕硬度测试为硬度测量提供了另一种解决方案，这对于质量控制和新材料的开发非常有用。
Al6061
Cu110
SS304
图1: 测试后划痕的显微镜图像（100倍放大）。
| 刮痕宽度（μm） | HSp (GPa) | |
| Al6061 | 174±11 | 0.84 |
| Cu110 | 220±1 | 0.52 |
| SS304 | 89±5 | 3.20 |
表1: 划痕宽度和划痕硬度数的总结。
图2: 在对Cu110进行划痕硬度测试时，摩擦系数、真实深度和声发射的演变。
在这项研究中，我们展示了NANOVEA机械测试仪在进行符合ASTM G171-03标准的划痕硬度测试方面的能力。除了涂层附着力和耐刮擦性之外，恒定负载下的刮擦测试为比较材料的硬度提供了另一种简单的解决方案。与传统的划痕硬度测试机相比，NANOVEA机械测试机提供了可选模块，用于监测摩擦系数、声发射和真实深度的原地演变。
NANOVEA机械测试仪的纳米和微模块包括ISO和ASTM兼容的压痕、划痕和磨损测试模式，在单个系统中提供最广泛和最用户友好的测试范围。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚，软或硬涂层，薄膜和基材的全部机械性能的理想解决方案，包括硬度，杨氏模量，断裂韧性，附着力，耐磨性和许多其他。
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