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(xué)家發(fā)明了UHMWPE的合成方法，到60年代末國外實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。我國正式投產(chǎn)是在70年代末80年代初開始的，它具有耐磨損、耐腐蝕、耐沖擊、自潤滑、摩擦因數(shù)小、耐低溫等優(yōu)良特性。

超高分子量聚乙烯雖然有許多優(yōu)良特性但也有許多不足：硬度低、強(qiáng)度低、耐熱性能差、有蠕變性等，為了彌補(bǔ)這些不足和進(jìn)一步提高其耐磨性可對其進(jìn)行填料(超細(xì)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(yīng)根據(jù)其應(yīng)用工礦條件和要求進(jìn)行不同的改性。作者用M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了環(huán)(45#鋼)塊摩擦磨損試驗(yàn)研究，并在腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了超高分子量聚乙烯沙漿磨損試驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及原料和添加劑

2.1　原料和添加劑

　　● 超高分子量聚乙烯：白色粉末，M-Ⅱ型，北京助劑二廠生產(chǎn)；

　　● 抗氧劑：北京化工三廠生產(chǎn)；

　　● 偶聯(lián)劑：硅烷類，南京曙光化工總廠生產(chǎn)；

　　● 超細(xì)玻璃微珠：450目，從發(fā)電廠粉煤灰篩選(圖1)；

圖1　超細(xì)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(hào)7A-J(約200目)，日本三井株式會(huì)社生產(chǎn)(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(chǎn)(見圖4)；

圖4　玻璃纖維的形貌

● 滑石粉：200目，市售。

2.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

● M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)，宣化材料試驗(yàn)廠生產(chǎn)。

● MSH型腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，宣化材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)，轉(zhuǎn)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　試件制備

試件毛坯的制備采用燒結(jié)壓制法，具體工藝為：把配好的原料稱重裝進(jìn)噴灑過脫模劑的模具中，然后放進(jìn)烤箱在195℃下烘80min后，取出模具放到壓力機(jī)上加壓，壓力大小按制品上下端面面積考慮為8MPa，模具在壓力機(jī)上加壓的同時(shí)進(jìn)行自然冷卻，冷卻10min～15min即可卸壓開模取出制品，就完成了1個(gè)試件毛坯的加工過程。試件毛坯通過機(jī)加工，加工成試件。

3　實(shí)驗(yàn)

3.1　環(huán)塊試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)，為了加載更準(zhǔn)確，把彈簧加載裝置改為杠桿加載，杠桿的力臂之比為3∶1，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)分為油潤滑和無油潤滑兩種。無油潤滑時(shí)測試摩擦因數(shù)和磨損量；油潤滑(普通機(jī)油滴油潤滑)時(shí)，由于磨損量太小因此只測試摩擦因數(shù)。

圖5　磨損試驗(yàn)機(jī)加載裝置原理圖(圖略)

1.塑料試件　2.鋼圓環(huán)　3.支撐座　4.銷軸

5.加載桿　6.彈簧　7.加載載荷

試件在試驗(yàn)、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設(shè)備廠生產(chǎn)的H66005超聲清洗器。清洗時(shí)間一般由試件的大小和臟污程度而定。本實(shí)驗(yàn)清洗時(shí)間為15min。

磨損量的測試按GB 3960-88《塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》進(jìn)行，為環(huán)塊試驗(yàn)，環(huán)為45#鋼，粗糙度0.8，塊為塑料，試件載荷為200N，環(huán)的轉(zhuǎn)速為200r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10min(由于測試時(shí)間長時(shí)，塑料發(fā)熱出現(xiàn)表面熔化現(xiàn)象，所以運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間選為10min)。

3.2　沙漿磨損實(shí)驗(yàn)

沙漿磨損實(shí)驗(yàn)在宣化材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MSH型腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。圖6是試驗(yàn)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(chǎn)。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盡量一致，一次可測試4個(gè)試件。

圖6　沙漿磨損實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)裝置原理圖(圖略)

1.沙漿容器　2.試件　3.上工作臺(tái)

4.皮帶輪　5.皮帶　6.導(dǎo)向柱　7.皮帶輪　8.電動(dòng)機(jī)　9.底座

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7是環(huán)塊磨損試驗(yàn)時(shí)添加劑比例與磨損量的關(guān)系，可以看出添加劑比例小時(shí)，隨著添加劑比例的增加磨損量明顯降低，當(dāng)添加劑比例大于20%時(shí)，磨損量降低緩慢，個(gè)別出現(xiàn)磨損量增大現(xiàn)象。

圖7　環(huán)塊磨損時(shí)添加劑比例與磨損量的關(guān)系(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(yàn)機(jī)進(jìn)行的沙漿磨損時(shí)添加劑的比例與磨損量的關(guān)系曲線。相對磨損率是指磨損量與磨損前的質(zhì)量之比，可以看出：磨損量隨著添加劑比例的增加反而增大，出現(xiàn)了和環(huán)塊磨損時(shí)不同的現(xiàn)象。這說明摩擦磨損是與工礦條件密切相關(guān)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復(fù)雜和難以確定的。

圖8　沙漿磨損時(shí)添加劑比例與磨損量的關(guān)系(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(huán)塊試驗(yàn)時(shí)不同添加劑和不同比例與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系曲線。可以看出：添加玻璃纖維和滑石粉對摩擦因數(shù)影響較大，使摩擦因數(shù)增大；添加玻璃微珠和碳纖維對摩擦因數(shù)幾乎沒有影響，添加聚四氟乙烯可降低摩擦因數(shù)。

圖9　環(huán)塊試驗(yàn)時(shí)添加劑比例與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系(圖略)

●　玻璃微珠　■ 玻璃纖維　▲ 碳纖維

× 聚四氟乙烯　*滑石粉

5　結(jié)論

(1)環(huán)塊磨損時(shí)隨著添加劑比例增加磨損量減小；

　　(2)沙漿磨損時(shí)隨著添加劑比例增加磨損量增加；

　　(3)添加玻璃纖維和滑石粉使摩擦因數(shù)增大；

　　(4)添加碳纖維和玻璃微珠對摩擦因數(shù)幾乎無影響；

　　(5)添加聚四氟乙烯可使摩擦因數(shù)減小；

　　(6)從綜合性能和價(jià)格考慮添加玻璃微珠最理想。

參考文獻(xiàn)：

［1］胡平等.塑料〔J〕.1990,4:11～16

［2］__良等.塑料〔J〕．1984，3：51～54

［3］劉廣建.煤礦機(jī)電〔J〕．1996，3：28

［4］劉廣建.煤礦機(jī)械〔J〕．1998，4：10～11