超高分子量聚乙烯的改性及摩擦磨损研究

1 前言

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种新型工程塑料，1958年由德国科学家发明了UHMWPE的合成方法，到60年代末国外实现了工业化生产。我国正式投产是在70年代末80年代初开始的，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、摩擦因数小、耐低温等优良特性。

超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性但也有许多不足：硬度低、强度低、耐热性能差、有蠕变性等，为了弥补这些不足和进一步提高其耐磨性可对其进行填料(超细玻璃微珠、二硫化钼、滑石粉、玻璃纤维、碳纤维、聚四氟乙烯)改性。此外，应根据其应用工矿条件和要求进行不同的改性。作者用M-200型摩擦磨损试验机进行了环(45#钢)块摩擦磨损试验研究，并在腐蚀磨损试验机上进行了超高分子量聚乙烯沙浆磨损试验。

2 实验仪器、设备及原料和添加剂

2.1 原料和添加剂

● 超高分子量聚乙烯：白色粉末，M-Ⅱ型，北京助剂二厂生产；

● 抗氧剂：北京化工三厂生产；

● 偶联剂：硅烷类，南京曙光化工总厂生产；

● 超细玻璃微珠：450目，从发电厂粉煤灰筛选(图

1)；

图1 超细玻璃微珠的形貌(图略)

●二硫化钼：200目，市售；

● 碳纤维：辽宁锦州斌富隆塑料有限公司(图

2)；

图2 碳纤维的形貌(图略)

● 聚四氟乙烯：型号7A-J(约200目)，日本三井株式会社生产(图

3)；

图3 聚四氟乙烯的形貌(图略)

●玻璃纤维：南京化工研究院生产(见图

4)；

图4 玻璃纤维的形貌

● 滑石粉：200目，市售。

2.2 实验设备

● M-200型磨损试验机，宣化材料试验厂生产。

● MSH型腐蚀磨损试验机，宣化材料试验机厂生产，转速为低速中的高速(683r/min)。

2.3 测试仪器

称重仪器：湘仪-岛津电子分析天平AEL-200，中国长沙湘仪天平仪器厂。

2.4 试件制备

试件毛坯的制备采用烧结压制法，具体工艺为：把配好的原料称重装进喷洒过脱模剂的模具中，然后放进烤箱在195℃下烘80min后，取出模具放到压力机上加压，压力大小按制品上下端面面积考虑为8MPa，模具在压力机上加压的同时进行自然冷却，冷却10min～15min即可卸压开模取出制品，就完成了1个试件毛坯的加工过程。试件毛坯通过机加工，加工成试件。

3 实验

3.1 环块试验

实验采用M-200型磨损试验机，为了加载更准确，把弹簧加载装置改为杠杆加载，杠杆的力臂之比为3∶1，如图5所示。实验分为油润滑和无油润滑两种。无油润滑时测试摩擦因数和磨损量；油润滑(普通机油滴油润滑)时，由于磨损量太小因此只测试摩擦因数。

图5 磨损试验机加载装置原理图(图略)

1.塑料试件 2.钢圆环 3.支撑座 4.销轴

5.加载杆 6.弹簧 7.加载载荷

试件在试验、称重之前要先清洗，清洗剂用丙酮，清洗装置为无锡超声电子设备厂生产的H66005超声清洗器。清洗时间一般由试件的大小和脏污程度而定。本实验清洗时间为15min。

磨损量的测试按GB 3960-88《塑料滑动摩擦磨损试验方法》进行，为环块试验，环为45#钢，粗糙度0.8，块为塑料，试件载荷为200N，环的转速为200r/min，运转时间10min(由于测试时间长时，塑料发热出现表面熔化现象，所以运转时间选为10min)。

3.2 沙浆磨损实验

沙浆磨损实验在宣化材料试验机厂生产的MSH型腐蚀磨损试验机上进行。图6是试验装置的原理图。速度为低速中的高速(683r/min)。石英沙40目～70目，北京市房山三八石英厂生产。沙、水的比例(体积比)为1∶4(水为自来水)。试件几何尺寸和表面光洁度尽量一致，一次可测试4个试件。

图6 沙浆磨损实验的试验装置原理图(图略)

1.沙浆容器 2.试件 3.上工作台

4.皮带轮 5.皮带 6.导向柱 7.皮带轮 8.电动机 9.底座

4 实验结果与分析

图7是环块磨损试验时添加剂比例与磨损量的关系，可以看出添加剂比例小时，随着添加剂比例的增加磨损量明显降低，当添加剂比例大于20%时，磨损量降低缓慢，个别出现磨损量增大现象。

图7 环块磨损时添加剂比例与磨损量的关系(图略)

◆ 玻璃微珠 ■ 玻璃纤维 ▲ 碳纤维

× 聚四氟乙烯 *滑石粉

图8是在腐蚀磨损试验机进行的沙浆磨损时添加剂的比例与磨损量的关系曲线。相对磨损率是指磨损量与磨损前的质量之比，可以看出：磨损量随着添加剂比例的增加反而增大，出现了和环块磨损时不同的现象。这说明摩擦磨损是与工矿条件密切相关的，受工矿条件的影响极大，同一种材料在不同条件下磨损情况完全不同，也说明摩擦磨损是很复杂和难以确定的。

图8 沙浆磨损时添加剂比例与磨损量的关系(图略)

◆ 玻璃微珠 ■ 玻璃纤维 ▲ 碳纤维

× 聚四氟乙烯 *滑石粉

图9是环块试验时不同添加剂和不同比例与摩擦因数之间的关系曲线。可以看出：添加玻璃纤维和滑石粉对摩擦因数影响较大，使摩擦因数增大；添加玻璃微珠和碳纤维对摩擦因数几乎没有影响，添加聚四氟乙烯可降低摩擦因数。

图9 环块试验时添加剂比例与摩擦因数之间的关系(图略)

● 玻璃微珠 ■ 玻璃纤维 ▲ 碳纤维

× 聚四氟乙烯 *滑石粉

5 结论

(1)环块磨损时随着添加剂比例增加磨损量减小；

(2)沙浆磨损时随着添加剂比例增加磨损量增加；

(3)添加玻璃纤维和滑石粉使摩擦因数增大；

(4)添加碳纤维和玻璃微珠对摩擦因数几乎无影响；

(5)添加聚四氟乙烯可使摩擦因数减小；

(6)从综合性能和价格考虑添加玻璃微珠最理想。

参考文献：

［1］胡平等.塑料〔J〕.1990,4:11～16

［2］李志良等.塑料〔J〕．1984，3：51～54［4］刘广建.煤矿机械〔J〕．1998，4：10～11