纳米SiO2填充UHMWPE/PTFE/纳米MMT复合材料的摩擦磨损行为

雷 毅，郭建良

(中国石油大学机电工程学院，山东东营 257061)

纳米SiO2填充UHMWPE/PTFE/纳米MMT复合材料的摩擦磨损行为

雷 毅，郭建良

(中国石油大学机电工程学院，山东东营 257061)

通过热压成型工艺制备纳米SiO2和纳米蒙脱土(MMT)及聚四氟乙烯(PTFE)复合填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料，采用销－盘式摩擦磨损试验机考察复合材料在干摩擦条件下与45#钢配副时的摩擦磨损行为，用扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌。结果表明：当PTFE和MMT的填充质量分数均保持6%，填充质量分数为2%的纳米SiO2时复合材料可获得较好的耐磨性能，其磨损机制主要表现为黏着磨损;不含纳米SiO2的复合材料的摩擦行为主要表现为一次磨合期和一次稳定期以及二次磨合期和二次稳定期4个明显的特征;随着填充纳米SiO2质量分数的增加，复合材料的摩擦过程呈现出复杂的变化规律，其磨损机制主要表现为不同程度的黏着磨损和磨粒磨损，且耐磨性能呈现出明显的恶化现象。

超高分子量聚乙烯;纳米氧化硅;纳米蒙脱土;聚四氟乙烯;摩擦磨损性能;复合材料

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为近年来备受关注的一种热塑性工程材料，越来越显示出诱人的应用前景。利用无机刚性微粒增强聚合物性能的设想在实践中已得到充分肯定［1］。有关研究成果［2-6］表明，通过纳米粒子填充改性聚合物是获得高性能高分子复合材料的一种重要手段。但是，目前基于纳米粒子填充改性超高分子聚乙烯(UHMWPE)基复合材料的摩擦学研究大多集中在填充不同单一纳米粒子对复合材料摩擦磨损性能影响方面的探讨。雷毅等［7］的前期研究成果显示，多种无机纳米微粒共混填充UHMWPE时，其复合填料表现出明显的协同效应。郭建良［8］研究表明，填充适量的聚四氟乙烯(PTFE)和纳米蒙脱土(MMT)能有效改善UHMWPE的成型加工性能。纳米SiO2具有比表面积大和分散性好等特点，有利于填充效果的改善。黄丽等［9］在聚合物中填充适量纳米SiO2可使UHMWPE的耐热性能得到较大改善。但是，迄今为止尚未见到针对纳米SiO2填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT复合材料的摩擦磨损性能方面的研究报道。据此，笔者通过热压成型方法制备纳米SiO2填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT复合材料，考察其在干摩擦条件下与45#钢配副时的摩擦磨损行为。

1 复合材料试验

1.1 试验原料及试样制备

UHMWPE选用北京助剂二厂生产的黏均分子质量200万的白色微米粉体，平均粒径为100～200 μm，密度为0.935 g/cm3;PTFE为济南化工厂生产，粒径约为20～30 μm;纳米MMT为浙江丰虹黏土化工有限公司提供，其表观密度为0.25～0.35 g/cm3，叠层厚度小于25 nm;纳米SiO2为浙江弘晟材料科技股份有限公司提供，密度0.12 g/cm3，粒径小于20 nm;硅烷偶联剂KH550为南京曙光化工总厂提供;乙醇和丙酮均为市售。

考虑UHMWPE复合材料的综合改性效果，依据郭建良［8］的研究成果，将复合填料中纳米MMT质量分数和PTFE的质量分数均固定为6%，而填充纳米SiO2质量分数分别选取2%、4%、6%、8%和10%。首先将各填充原料组分按设计比例进行配料，加入硅烷偶联剂KH550进行表面处理，再经过滤和烘干后得到硅烷偶联复合填料。然后再将此复合填料按一定质量分数与UHMWPE进行共混，经溶剂处理和高速搅拌分散后，烘干进行热压成型。所制备的复合材料经车削加工成Φ4.5 mm×13 mm试样销，试样销待测表面采用800#水砂纸打磨，并用丙酮溶液对其进行超声波清洗，干燥后密封待用。

1.2 摩擦性能试验及磨损表面形貌观察

复合材料摩擦试验采用三针摩擦试验方式，试验设备为济南试金集团制造的MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机，摩擦副配用Φ54 mm的45#钢盘(淬火后硬度值HRC 44～46，试验前用800#水砂纸打磨摩擦表面)，试验条件为干摩擦。通过精密电子天平(精度0.1 mg)测定UHMWPE复合材料的试样销磨损质量损失量，并依据单位载荷和单位滑动距离内复合材料试样销的磨损质量损失量换算成磨损率。采用荷兰FEI公司制造的QUANTA 200扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的试样销磨损表面形貌进行观察。

2 试验结果讨论

2.1 复合材料摩擦磨损性能

图1中分别给出了纳米SiO2不同含量填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT复合材料在载荷P=200 N、相对滑动线速度v=0.604 m/s和摩擦时间t=120 min的试验条件下的摩擦系数μ以及复合材料对磨面温度θ随时间的变化关系。

从图1中不难看出，复合填料中不含纳米SiO2的UHMWPE/PTFE/nano-MMT基复合材料摩擦过程的基本特征呈现出一次磨合期和一次稳定期以及二次磨合期和二次稳定期4个明显的阶段(图1(a))。在一次磨合期，复合材料的摩擦对磨面温度上升较快，当摩擦对磨面温度上升到100℃左右时，其摩擦系数出现了一个快速上升过程，并且其摩擦过程呈现出不稳定特征，即系统进入二次磨合期。当复合材料的摩擦过程进入二次稳定期时，其对磨面温度的变化趋于平稳。当填充纳米SiO2含量为2%时，复合材料的摩擦过程仍存在4个明显的阶段，但系统进入二次稳定期后的摩擦系数有所下降。随着填充纳米SiO2含量的增加，复合材料在磨合期时的摩擦系数变化较大(图1(c))，整个摩擦过程中摩擦系数呈现出复杂的变化规律。当填充纳米SiO2含量达到10%时(图1(d))，系统进入稳定状态的时间缩短，而且摩擦过程中的稳定性也得到了一定程度的改善。

图2所示为纳米SiO2含量对其填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT复合材料磨损率的影响曲线(P=200 N，v=0.604 m/s)。当复合填料中纳米SiO2含量低于2%时，UHMWPE/PTFE/nano-MMT/nano-SiO2复合材料的磨损率随SiO2含量的增加而下降;当纳米SiO2含量高于2%时，其磨损率随SiO2含量的增加而增大。当复合填料中纳米MMT和PTFE的填充量均保持6%时，在本文试验条件下，填充纳米SiO2的含量为2%可适当改善UHMWPE的抗磨性能，但填充纳米SiO2含量高于2%时，其耐磨性能不但没有得到一定程度的改善，反而开始出现了明显的恶化现象。

图1 纳米SiO2含量对UHMWPE/6%PTFE/6%MMT复合材料摩擦系数的影响以及对磨面温度随时间的变化Fig.1 Variations of friction coefficient and friction surface temperature with sliding time for UHMWPE/6%PTFE/6%MMT/nano-SiO2composite

图2 纳米SiO2含量对UHMWPE/6%PTFE/6%MMT复合材料磨损率的影响Fig.2 Variations of wear rate with nano-SiO2content for UHMWPE/6%PTFE/6%MMT composite

2.2 复合材料磨损表面分析

图3为纳米SiO2不同含量填充UHMWPE/PTFE/MMT复合材料的磨损表面形貌SEM照片(P=200 N，v=0.604 m/s)。从磨损表面形貌的SEM照片中不难看出：不含纳米 SiO2的 UHMWPE/PTFE/nano-MMT复合材料的磨损表面上(图3(a))存在大量撕裂特征，并且塑性变形也较为严重，其磨损机制主要表现为疲劳磨损和黏着磨损;填充2%纳米SiO2复合材料的磨损表面明显比不含纳米SiO2的复合材料光滑，而且表面凹坑也较少，说明填充2%纳米SiO2的UHMWPE/PTFE/nano-MMT复合材料的磨损机制主要表现为黏着磨损;随着复合填料中纳米SiO2含量的增加，复合材料的磨损表面上出现了一些不同程度的犁沟迹象，磨粒磨损程度也不断加剧，填充4%纳米SiO2的复合材料磨损表面除了出现黏着磨损特征外，还存在轻微的磨粒磨损迹象;当复合材料填充10%纳米SiO2时，其磨损表面出现了严重的撕裂迹象，且划痕也较为明显，已呈现出磨粒磨损的特征，其磨损机制主要表现为磨粒磨损和黏着磨损。

在摩擦过程中，一方面，由于复合纳米填料对载荷具有优先承载的作用，并且经过偶联的纳米微粒表面能够吸附UHMWPE大分子链，导致复合纳米粒子促进转移膜的形成。当UHMWPE中一条分子链受到应力时，可通过复合纳米填料把应力分散到UHMWPE其他分子链上，并使其转移膜的形成更加连续和均匀，从而获得均匀的应力分布。因此，填充复合纳米粒子对UHMWPE基复合材料在摩擦过程中的转移膜具有一定的机械铆定作用，从而使得复合材料的耐磨性得到一定程度的提高。另一方面，由于多种纳米微粒复合填充UHMWPE基复合材料时存在一定的协同效应，在一定的填充比例条件下，使得复合纳米填料在UHMWPE基体中比单一纳米填充时分散更加均匀，从而可实现对UHMWPE更多的大分子链产生钉扎作用，进一步提高了UHMWPE基复合材料的抗磨性能。但是，当复合填料中纳米SiO2含量较高时，采用常规共混方法难以实现复合纳米粒子在UHMWPE中的超细微分散，从而导致部分复合纳米微粒仍以团聚形式存在，而以团聚形式存在的组织结构往往较为松散，不利于发挥纳米粒子的增韧效应［10］。因此，当复合纳米填充材料超过一定含量后，就有可能破坏UHMWPE原有的一些特性和基体的连续性，从而导致UHMWPE基复合材料的耐磨性能出现不同程度的恶化现象。复合纳米粒子填充UHMWPE所表现的量子尺寸效应、体积效应、自身的表面效应和宏观量子隧道效应等一些复杂的特性，也使得复合纳米粒子填充UHMWPE基复合材料的内部相结构变得十分复杂，从而使其摩擦学规律也变得更加复杂。因此，对其摩擦学的相关研究有待深入。

图3 不同纳米SiO2含量的UHMWPE/PTFE/MMT复合材料磨损表面形貌SEM照片Fig.3 SEM pictures of worn surfaces of nano-SiO2filled UHMWPE/PTFE/MMT composites

3 结论

(1)当PTFE和纳米MMT的填充质量分数均保持6%不变时，填充质量分数为2%的纳米SiO2时复合材料可获得较好摩擦磨损性能。随着填充纳米SiO2含量的增加，复合材料的耐磨性能出现了明显的恶化现象。

(2)当复合填料中纳米SiO2含量较低时，其磨损机制主要表现为黏着磨损，随着复合填料中纳米SiO2含量的增加，其磨损机制主要表现不同程度的黏着磨损和磨粒磨损。

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Friction and wear behavior of nano-SiO2filled ultra high molecular weight polyethylene/polytetrafluoroethylene/nano-montmorillonite composites

LEI Yi，GUO Jian-liang
(College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum，Dongying 257061，China)

Ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE)based composites filled with nanometer SiO2，nanometer montmorillonite(MMT)and polytetrafluoroethylene(PTFE)were prepared by heat compression molding.The friction and wear behaviors of the composites sliding against AISI-10 45 carbon steel disc under dry ambient condition were evaluated on a pin-on-disc test rig.The worn surfaces of the composites were observed on a scanning electron microscope.The results show that when the mass fractions of PTFE and nanometer MMT both are fixed at 6%，the composites with 2%nano-SiO2obtain better wear-resisting property，and the main wear mechanism is adhesive wear.There are four obvious characteristics which are primary running in period，primary steady period，second running in period and second steady period during the friction process of the composites without nano-SiO2.With the increase of the mass fraction of nano-SiO2in the compounded fillers，the friction process characteristics of the composites present complicated variation law，and main wear mechanisms are characterized by adhesive wear and abrasive wear in varying degrees，and the wear-resisting property of the composites is obviously deteriorated.

ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE);nanometer SiO2;nanometer montmorillonite(MMT);polytetrafluoroethylene(PTFE);friction and wear performance;composite material

TB 383

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.01.023

1673-5005(2011)01-0115-04

2010－05－15

中国石油天然气集团公司中青年科技创新基金项目(W020311)

雷毅(1960－)，男(汉族)，湖南茶陵人，教授，主要从事材料成型及控制工程、无损检测方面的科研工作。

(编辑 沈玉英)