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| 填充剂对超高分子量聚乙烯摩擦磨损性能的改进 |
2014/11/25 20:06:14
超高分子量聚乙烯（UHMW—PE）是一种新型工程塑料，1958年由德国科学家发明了它的合成方法，到20世纪60年代末国外实现了工业化生产，我国正式投产是在70年代末肋年代韧开始的，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、摩摈系数小、耐低温等优良特性，在国外有人称其为“神奇的塑料”。
超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性，但也有许多不足，如硬度低、强度低、耐温性能差、蠕变性能差等。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，应根据其应用工况条件和要求进行不同的改性。 有关超高分子量聚乙烯性能、加工工艺、改性、应用等方面的研究已有许多报道，国内对其摩擦磨损的性能试验研究报道很少，而超高分子量聚乙烯则是因耐磨损、韧性好等才引起人们的重视和应用的，因此，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，并用腐蚀磨损试验机进行了超高分子量聚乙烯沙浆磨损试验。
2 实验仪器、设备、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（分子量250万）；
抗氧剂；
偶联剂；
超细玻璃微珠，450目；
碳纤维；
聚四氟乙烯：型号7A—J（约200目）；
玻璃纤维；
滑石粉：200目。
2.2 实验设备
试验机：M－200型磨损试验机，型号：MSH型，转速选为 683rpm。
2.3 测试仪器
称重仪器：湘仪一岛津电子分析天平AEL—200。
3 试验
3.1 环块试验
实验用试验机为M—200型磨损试验机，环块尺寸为：Φ40×12、14×14，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。实验分为油润滑和无油润滑两种。无油润滑时测试摩擦系数和磨损量；有油润滑（普通机油滴油润滑）时，由于磨损量太小只测试摩擦系数。试件在试验、称重之前要先清洗，清洗剂用丙酮，清洗装置为H66005超声清洗器。清洗时间视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GB3960—88《塑料滑动摩擦磨损试验方法》进行的。环块试验，环为45＃钢，表面粗糙度0.8μm，块为超高分子量聚乙烯塑料，试件载荷为200N，环的转速为200rpm，每次运转时间l0min（通过预测试由于时间长时塑料发热出现表面熔化现象，所以运转时间为10min）。
3.2 沙浆磨损实验
沙桨磨损实验在腐蚀磨损试验机上进行，试验装置的原理图见图l。速度为低速中的高速（683rpm）。石英沙：40～70目。沙／水的比例（体积比）为1:4（水为自来水）。各试件几何尺寸和表面光洁度尽量一致，一次可测试四个试件。
图2 环块磨损试验时添加剂比例与磨损量的关系
4实验结果与分析
4.1 环块磨损试验时添加剂比例对磨损量的影响
图2是环块磨损试验时添加剂比例与磨损量的关系曲线。由图可以看出。当添加剂比例≤5％时，随着添加剂比例的增加磨损量明显降低，即耐磨性提高。当添加剂比例大于
20％时磨损量降低缓慢，甚至个别出现磨损量增大现象。这说明添加剂的比例达到一定值时超高分子量聚乙烯的耐磨性不再提高，亦即达到饱和值。这是由于这些无机添加剂与超高分子量聚乙烯的相容性差，虽然这些添加剂都用偶联剂进行了偶联处理，但添加比例也不能过高，不宜超过各自的“饱和值”，否则，耐磨性、冲击强度、拉伸强度等反而降低。
4.2 沙浆磨损试验时添加剂比例对磨损量的影响
图3是在腐蚀磨损试验机上进行沙浆磨损试验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试件重量之比。由图3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况条件密切相关的，受工况条件的影响极大，同一种材料在不同工况条件下磨损情况完全不同，也说明摩擦磨损的机理是很复杂和难以确定的。
4.3 环块试验时不同添加剂及比例对摩擦系数的影响
图4是环块试验时不同添加剂和不同比例与摩擦系数之间的关系曲线。由图4可以看出：添加玻璃纤维和滑石粉对摩擦系数影响较大，使摩擦系数增大；添加玻璃微珠和碳纤维对摩擦系数几乎没有影响，添加聚四氟乙烯可降低摩擦系数。
超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性，但也有许多不足，在应用时一般根据不同的需要进行不同的改性。例如：作为轴承、轴套使用时要求添加剂能使超高分子量聚乙烯摩擦系数低、耐磨损；作为滚轮使用时要求添加剂能使超高分子量聚乙烯达到耐磨损要求即可。此外还要考虑添加剂的成本等。
5 结论
（1）环块磨损时随着添加剂比例增加磨损量减少；
（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系数增大；
（4）添加碳纤维和玻璃微珠对摩撩系数几乎无影响；
（5）添加聚四氟乙烯可使摩擦系数减小；
（6）从综合性能和价格考虑添加玻璃微珠最理想，既可提高综合性能，又能降低成本；用超细玻璃微珠改性的超高分子量聚乙烯已经应用于矿山等机械中，开发了十几种超高分子量聚乙烯制品，应用效果良好。
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超高分子量聚乙烯