超高分子量聚乙烯的改性及摩擦磨損研究

1　前言

　　超高分子量聚乙烯***UHMWPE***是一種新型工程塑料，1958年由德國科學家發明了UHMWPE的合成方法，到60年代末國外實現了工業化生產。我國正式投產是在70年代末80年代初開始的，它具有耐磨損、耐腐蝕、耐衝擊、自潤滑、摩擦因數小、耐低溫等優良特性。

　　超高分子量聚乙烯雖然有許多優良特性但也有許多不足：硬度低、強度低、耐熱效能差、有蠕變性等，為了彌補這些不足和進一步提高其耐磨性可對其進行填料***超細玻璃微珠、二硫化鉬、滑石粉、玻璃纖維、碳纖維、聚四氟乙烯***改性。此外，應根據其應用工礦條件和要求進行不同的改性。作者用M-200型摩擦磨損試驗機進行了環***45#鋼***塊摩擦磨損試驗研究，並在腐蝕磨損試驗機上進行了超高分子量聚乙烯沙漿磨損試驗。

2　實驗儀器、裝置及原料和新增劑

2.1　原料和新增劑
　　● 超高分子量聚乙烯：白色粉末，M-Ⅱ型，北京助劑二廠生產；
　　● 抗氧劑：北京化工三廠生產；
　　● 偶聯劑：矽烷類，南京曙光化工總廠生產；
　　● 超細玻璃微珠：450目，從發電廠粉煤灰篩選***圖1***；

圖1　超細玻璃微珠的形貌***圖略***

　　●二硫化鉬：200目，市售；
　　● 碳纖維：遼寧錦州斌富隆塑料有限公司***圖2***；

圖2　碳纖維的形貌***圖略***

　　● 聚四氟乙烯：型號7A-J***約200目***，日本三井株式會社生產***圖3***；

圖3　聚四氟乙烯的形貌***圖略***

　　●玻璃纖維：南京化工研究院生產***見圖4***；

圖4　玻璃纖維的形貌

　　● 滑石粉：200目，市售。

2.2　實驗裝置

　　● M-200型磨損試驗機，宣化材料試驗廠生產。

　　● MSH型腐蝕磨損試驗機，宣化材料試驗機廠生產，轉速為低速中的高速***683r/min***。
2.3　測試儀器

　　稱重儀器：湘儀-島津電子分析天平AEL-200，中國長沙湘儀天平儀器廠。

2.4　試件製備

　　試件毛坯的製備採用燒結壓制法，具體工藝為：把配好的原料稱重灌進噴灑過脫模劑的模具中，然後放進烤箱在195℃下烘80min後，取出模具放到壓力機上加壓，壓力大小按製品上下端面面積考慮為8MPa，模具在壓力機上加壓的同時進行自然冷卻，冷卻10min～15min即可卸壓開模取出製品，就完成了1個試件毛坯的加工過程。試件毛坯通過機加工，加工成試件。

3　實驗

3.1　環塊試驗

　　實驗採用M-200型磨損試驗機，為了載入更準確，把彈簧載入裝置改為槓桿載入，槓桿的力臂之比為3∶1，如圖5所示。實驗分為油潤滑和無油潤滑兩種。無油潤滑時測試摩擦因數和磨損量；油潤滑***普通機油滴油潤滑***時，由於磨損量太小因此只測試摩擦因數。

圖5　磨損試驗機載入裝置原理圖***圖略***

1.塑料試件　2.鋼圓環　3.支撐座　4.銷軸
5.載入杆　6.彈簧　7.載入載荷

　　試件在試驗、稱重之前要先清洗，清洗劑用丙酮，清洗裝置為無錫超聲電子裝置廠生產的H66005超聲清洗器。清洗時間一般由試件的大小和髒汙程度而定。本實驗清洗時間為15min。

　　磨損量的測試按GB 3960-88《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》進行，為環塊試驗，環為45#鋼，粗糙度0.8，塊為塑料，試件載荷為200N，環的轉速為200r/min，運轉時間10min***由於測試時間長時，塑料發熱出現表面熔化現象，所以運轉時間選為10min***。

3.2　沙漿磨損實驗

　　沙漿磨損實驗在宣化材料試驗機廠生產的MSH型腐蝕磨損試驗機上進行。圖6是試驗裝置的原理圖。速度為低速中的高速***683r/min***。石英沙40目～70目，北京市房山三八石英廠生產。沙、水的比例***體積比***為1∶4***水為自來水***。試件幾何尺寸和表面光潔度儘量一致，一次可測試4個試件。

圖6　沙漿磨損實驗的試驗裝置原理圖***圖略***
1.沙漿容器　2.試件　3.上工作臺
4.皮帶輪　5.皮帶　6.導向柱　7.皮帶輪　8.電動機　9.底座

4　實驗結果與分析

　　圖7是環塊磨損試驗時新增劑比例與磨損量的關係，可以看出新增劑比例小時，隨著新增劑比例的增加磨損量明顯降低，當新增劑比例大於20%時，磨損量降低緩慢，個別出現磨損量增大現象。

圖7　環塊磨損時新增劑比例與磨損量的關係***圖略***

◆ 玻璃微珠　■ 玻璃纖維　▲ 碳纖維
× 聚四氟乙烯　*滑石粉

　　圖8是在腐蝕磨損試驗機進行的沙漿磨損時新增劑的比例與磨損量的關係曲線。相對磨損率是指磨損量與磨損前的質量之比，可以看出：磨損量隨著新增劑比例的增加反而增大，出現了和環塊磨損時不同的現象。這說明摩擦磨損是與工礦條件密切相關的，受工礦條件的影響極大，同一種材料在不同條件下磨損情況完全不同，也說明摩擦磨損是很複雜和難以確定的。

圖8　沙漿磨損時新增劑比例與磨損量的關係***圖略***
◆ 玻璃微珠　■ 玻璃纖維　▲ 碳纖維
× 聚四氟乙烯　*滑石粉

　　圖9是環塊試驗時不同新增劑和不同比例與摩擦因數之間的關係曲線。可以看出：新增玻璃纖維和滑石粉對摩擦因數影響較大，使摩擦因數增大；新增玻璃微珠和碳纖維對摩擦因數幾乎沒有影響，新增聚四氟乙烯可降低摩擦因數。

圖9　環塊試驗時新增劑比例與摩擦因數之間的關係***圖略***
●　玻璃微珠　■ 玻璃纖維　▲ 碳纖維
× 聚四氟乙烯　*滑石粉

5　結論

　　***1***環塊磨損時隨著新增劑比例增加磨損量減小；
　　***2***沙漿磨損時隨著新增劑比例增加磨損量增加；
　　***3***新增玻璃纖維和滑石粉使摩擦因數增大；
　　***4***新增碳纖維和玻璃微珠對摩擦因數幾乎無影響；
　　***5***新增聚四氟乙烯可使摩擦因數減小；
　　***6***從綜合性能和價格考慮新增玻璃微珠最理想。

參考文獻：

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