耐磨添加劑對超高分子量聚乙烯摩擦磨損性能的改進試驗

1 前言
超高分子量聚乙烯（UHMW—PE）是一種新型工程塑料，1958年由德國科學家發明了它的合成方法，到20世紀60年代末國外實現了工業化生產，我國正式投產是在70年代末肋年代韌開始的，它具有耐磨損、耐腐蝕、耐沖擊、自潤滑、摩擯系數小、耐低溫等優良特性，在國外有人稱其為"神奇的塑料"。
超商分子量聚乙烯雖然有許多優良特性，但也有許多不足，如硬度低、強度低、耐溫性能差、蠕變性能差等。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，應根據其應用工況條件和要求進行不同的改性。
有關超高分子量聚乙烯性能、加工工藝、改性、應用等方面的研究已有許多報道，國內對其摩擦磨損的性能試驗研究報道很少，而超高分子量聚乙烯則是因耐磨損、韌性好等才引起人們的重視和應用的，因此，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，并用腐蝕磨損試驗機進行了超高分子量聚乙烯沙漿磨損試驗。
2 實驗儀器、設備、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（分子量250萬）；
抗氧劑；
偶聯劑；
超細玻璃微珠，450目；
碳纖維；
聚四氟乙烯：型號7A—J（約200目）；
玻璃纖維；
滑石粉：200目。
2.2 實驗設備
試驗機：M－200型磨損試驗機，型號：MSH型，轉速選為 683rpm。
2.3 測試儀器
稱重儀器：湘儀一島津電子分析天平AEL—200。
　
3 試驗
3.1 環塊試驗
實驗用試驗機為M—200型磨損試驗機，環塊尺寸為：Φ40×12、14×14，為了加載更準確把彈簧加載裝置改為杠桿加載，杠桿的力臂之比為 3:1。實驗分為油潤滑和無油潤滑兩種。無油潤滑時測試摩擦系數和磨損量；有油潤滑（普通機油滴油潤滑）時，由于磨損量太小只測試摩擦系數。
試件在試驗、稱重之前要先清洗，清洗劑用丙酮，清洗裝置為H66005超聲清洗器。清洗時間視試件的大小和臟污程度而定。本實驗清洗時間為15min。
磨損量的測試按GB3960—88《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》進行的。環塊試驗，環為45＃鋼，表面粗糙度0.8μm，塊為超高分子量聚乙烯塑料，試件載荷為200N，環的轉速為200rpm，每次運轉時間l0min（通過預測試由于時間長時塑料發熱出現表面熔化現象，所以運轉時間為10min）。
3.2 沙漿磨損實驗
沙槳磨損實驗在腐蝕磨損試驗機上進行，試驗裝置的原理圖見圖l。速度為低速中的高速（683rpm）。石英沙：40～70目。沙／水的比例（體積比）為1:4（水為自來水）。各試件幾何尺寸和表面光潔度盡量一致，一次可測試四個試件。
　
圖2 環塊磨損試驗時添加劑比例與磨損量的關系　
4實驗結果與分析
4.1 環塊磨損試驗時添加劑比例對磨損量的影響
圖2是環塊磨損試驗時添加劑比例與磨損量的關系曲線。由圖可以看出。當添加劑比例≤5％時，隨著添加劑比例的增加磨損量明顯降低，即耐磨性提高。當添加劑比例大于 20％時磨損量降低緩慢，甚至個別出現磨損量增大現象。這說明添加劑的比例達到一定值時超高分子量聚乙烯的耐磨性不再提高，亦即達到飽和值。這是由于這些無機添加劑與超高分子量聚乙烯的相容性差，雖然這些添加劑都用偶聯劑進行了偶聯處理，但添加比例也不能過高，不宜超過各自的"飽和值"，否則，耐磨性、沖擊強度、拉伸強度等反而降低。
4.2 沙漿磨損試驗時添加劑比例對磨損量的影響
圖3是在腐蝕磨損試驗機上進行沙漿磨損試驗時添加劑的比例與磨損量的關系曲線。相對磨損率是指磨損量與磨損前的試件重量之比。由圖3可以看出：磨損量隨著添加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況條件密切相關的，受工況條件的影響極大，同一種材料在不同工況條件下磨損情況完全不同，也說明摩擦磨損的機理是很復雜和難以確定的。
　
圖3 沙漿磨損時添加劑比例與磨損量的關系
4.3 環塊試驗時不同添加劑及比例對摩擦系數的影響
圖4是環塊試驗時不同添加劑和不同比例與摩擦系數之間的關系曲線。由圖4可以看出：添加玻璃纖維和滑石粉對摩擦系數影響較大，使摩擦系數增大；添加玻璃微珠和碳纖維對摩擦系數幾乎沒有影響，添加聚四氟乙烯可降低摩擦系數。
超高分子量聚乙烯雖然有許多優良特性，但也有許多不足，在應用時一般根據不同的需要進行不同的改性。例如：作為軸承、軸套使用時要求添加劑能使超高分子量聚乙烯摩擦系數低、耐磨損；作為滾輪使用時要求添加劑能使超高分子量聚乙烯達到耐磨損要求即可。此外還要考慮添加劑的成本等。

圖4 環塊試驗時不同添加劑和不同比例與摩擦系數之間的關系曲線
5 結論
（1）環塊磨損時隨著添加劑比例增加磨損量減少；
（2）沙漿磨損時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系數增大；
（4）添加碳纖維和玻璃微珠對摩撩系數幾乎無影響；
（5）添加聚四氟乙烯可使摩擦系數減??；
（6）從綜合性能和價格考慮添加玻璃微珠最理想，既可提高綜合性能，又能降低成本；用超細玻璃微珠改性的超高分子量聚乙烯已經應用于礦山等機械中，開發了十幾種超高分子量聚乙烯制品，應用效果良好。