改性彈性體復合材料的抗摩擦性能

江畹蘭 編譯

（華南理工大學材料學院, 廣東 廣州 510641）

改性彈性體復合材料的抗摩擦性能

江畹蘭 編譯

（華南理工大學材料學院, 廣東 廣州 510641）

研究了可影響彈性體復合材料摩擦性能的改性劑——表面活性劑的使用效果。

改性；摩擦特性；表面活性劑；摩擦系數(shù)；磨耗

當前，在各類機械制造業(yè)中，提高機器設備及裝置的可靠性及使用壽命的問題迫在眉睫。與此同時，在開發(fā)新技術時移動部件的能效問題非常突出。這些部件在高負荷、高溫及高壓等嚴酷條件下工作，從而對所有所使用的結構材料，包括用于制造密封件及軸承等彈性體材料的使用性能，提出了嚴格的要求。

要改善被廣泛實際使用的彈性體材料的綜合性能，可通過彈性體的改性達到目的。改性是一種非常完美的方法，它可以在寬域的范圍內(nèi)，改變彈性體材料在指定用途方面的多項性能。采用改性方法還可以獲得質(zhì)量上乘的彈性體材料及改善了綜合性能的各種彈性體制品。

減小摩擦系數(shù)，是許多橡膠制品綜合使用性能指標中最重要的要求之一?？刹捎孟铝袔追N不同的方法來達到這一要求：

1. 整體改性，在彈性體膠料加工過程中加入改性劑；

2. 表面改性，用改性劑處理成品表面；

3. 吸附—吸收改性，將成品浸入改性劑介質(zhì)中，制品表面吸附了改性劑，表面層中吸收了改性劑；

4. 綜合改性，此方法囊括了表面改性、整體改性及吸附—吸收改性。

在橡膠制品的貯存及使用過程中，改性劑會遷移至制品表面，形成一層功能層（例如低摩擦系數(shù)層或抗腐蝕性介質(zhì)層）。

在實施整體改性時，最常用抗摩擦改性劑有石墨、聚四氟乙烯、炭纖維填料、含鹵預聚物等。往膠料中添加抗摩擦改性劑，可以使減小橡膠摩擦和磨耗系數(shù)的效應延長，但這樣做一般又會降低橡膠的力學性能。

在多種表面改性方法中，最廣泛使用的是鹵化化學改性。當進行氟化或氯化改性時，摩擦系數(shù)可減小71%，溴化改性時可降低29%～44%。但此種改性所用的含鹵改性劑有毒性，加之，這些改性劑或者其反應產(chǎn)物及復雜的工藝會污染環(huán)境，這就使得這種改性方法難以推廣，這是它的缺點所在。

當然，等離子化學改性橡膠表面也是大家所熟知的方法。但由于其裝備結構復雜，加之，改性了的抗摩擦表面層不穩(wěn)定而未能得到廣泛應用。

此外，還有不少用元素氟來改性聚合材料和彈性體表面的方法，人們也很熟悉。實驗證明，用這種氟化工藝可使摩擦系數(shù)降低50%～83%。

在一般情況下，以上幾種表面改性方法會在制品表面生成一薄層，該薄層在制品工作的起始階段可起重要的作用，而后在惡劣的使用條件下會被磨損掉。

在大量的研究工作中，探索了用綜合改性方法來提高彈性體材料的耐磨性和改善抗摩擦性能的可行性。被大量用作改性劑的氟化物，有氟化聚醚、氟化醇調(diào)聚物、聚四氟乙烯在發(fā)動機油中的分散體等?？捎迷胤姆磻M行表面改性。

綜合改性方法可使摩擦系數(shù)初始值降低75%～88%,且降低其固定值。綜合改性會對彈性體材料的磨耗性能產(chǎn)生很大影響。因此，采用此種方法可以顯著提高彈性體材料的耐磨性，且在使用初期還可減小彈性體的摩擦系數(shù)。

在有些論文中研究了用吸附—吸收方法來改善彈性體材料的抗摩擦性能的可能性。使用液態(tài)有機硅、含氟液體及表面活性劑—低分子量聚氧化乙二醇作為此方法的改性劑。在低分子量的聚氧化乙二醇介質(zhì)中，吸附—吸收方法對抗摩擦性能的作用最佳，它可使摩擦系數(shù)減小20%（與對比試樣相比），而不降低力學性能。

對把表面活性劑用作彈性體材料的改性劑的研究已持續(xù)了多年，但將其用作改性劑后，對彈性體復合材料（彈性體—鋼）的摩擦系數(shù)f及磨耗I的影響，實際上并未加以研究。

該文作者就對此進行了研究。文中揭示了彈性體材料的改性表面的動態(tài)特性與其摩擦特性之間的相關性。

以廣泛用于橡膠制品生產(chǎn)的丁腈橡膠БНКС-28（過氧化物硫化）作為研究對象。用非離子型表面活性劑—分子量為400～4000的聚氧化乙烯二醇對彈性體材料進行改性。

表1 列示了聚氧化乙烯二醇的簡明技術特性

在研究中曾對橡膠材料進行了整體改性，即分別將分子量為400及4000的聚氧化乙烯二醇少量（100份生膠中加入1～5份）加入橡膠中。與此同時，還實施了吸附—吸收改性，即將不含聚氧化乙烯二醇的膠料浸入聚氧化乙烯二醇（分子量400）的介質(zhì)中進行綜合改性（整體改性和吸附—吸收改性后）：將含聚氧化乙烯二醇（分子量分別為400及4000）的膠料（100份生膠中加入1～5份）浸入聚氧化乙烯二醇（分子量為400）的介質(zhì)中。

表1 分子量為400～4000的聚氧化乙烯二醇的簡明技術特性

按照力學性能及摩擦性能指標的變化情況評估改性是否有效。

膠料的力學性能按俄羅斯國家標準ГОСТ（263-75,9.024-74,9.029-74,9.030-74）測定；摩擦性能（干摩擦系數(shù)及磨耗）測定則按國家標準研究院制定的系統(tǒng)方法推薦書中的規(guī)定進行，實驗條件為負荷—1.9 kg、反轉速度—4.18 m/s。

表面活性劑（改性劑）的吸附層可用兩個參數(shù)來表征：一、聚合物表面的最大吸附值Гm；二、被吸附層中表面活性劑分子所占據(jù)的面積Sm。含表面活性劑水溶液的彈性體表面，可用表面張力бжг及潤濕邊界角θ來表征。

為了計算聚氧化乙烯二醇在彈性體—聚氧化乙烯二醇溶液界面上的吸附值，該文作者應用了尤格（ЮНГ）和吉普士（ГИББС）公式。

低能表面潤濕邊界角的等溫曲線，可用來計算（彈性體—溶液）界面上聚氧化乙烯二醇的吸附值：

式中：бжг—固體-氣體界面上的表面張力，mJ/m2（常數(shù)），бTж—固體-氣體界面上的表面張力，m3/m2；бTг—液體-氣體表面上的表面張力，mJ/m2。

式中：c-溶液濃度，mol/L；R-氣體常數(shù)，J/(mol·K)，T-溫度，K。

當潤濕低能表面時，表面活性劑在<固體—氣體>界面上的吸附值為零，即бТГ為常數(shù)，dбTГ/dc=0。由此，綜合（1）及（2）式，得

用公式（3）計算了聚氧化乙烯二醇在<彈性體—聚氧化乙烯二醇>界面上的吸附值Гтж，繪制了бжГ·cosθ與溶液濃度c的關系曲線。用圖解積分法測定了Гтж值。

由所得Гтж值繪制了Гтж(C)吸附等溫曲線，借助于蘭格米優(yōu)爾（Ленгмюр）公式（4）在C/ Гтж=f(c)坐標上測定了吸附極限值Гm。

式中：Гm—吸附極限值，mol/m2；A—吸附活性（在濃度增大時決定吸附增長的斜率）。

一個聚氧化乙烯二醇分子所占據(jù)的面積Sm及其吸附層的厚度δ，分別由式（5）和式（6）算出：

式中：Na—亞佛加德洛（Aвогадро）常數(shù)，mol-1。

式中：M—聚氧化乙烯二醇的分子量，g/mol；P—聚氧化乙烯二醇的密度，g/cm3。

表2列出了經(jīng)過整體改性，吸收-吸附改性和綜合改性后的幾種膠料的力學性能。

表2 用同不同方法改性的膠料的力學性能

由表2可以看出，用分子量為400的聚氧化乙烯二醇進行整體改性時，膠料在空氣中的壓縮永久變形指標下降了22%，而用分子量為4000的聚氧化乙烯二醇進行整體改性時，所有指標都未發(fā)生變化。

吸附—吸收改性及綜合改性（整體改性+吸附—吸收改性）顯著提高了所有彈性體膠料的壓縮永久變形性能。這些膠料的熱氧化穩(wěn)定性都有所提高。經(jīng)空氣老化后，各項指標的老化系數(shù)小于經(jīng)整體改性及吸附—吸收改性的膠料。

表3為用不同改性方法進行改性的，分子量為400和4000的聚氧化乙烯二醇試樣的摩擦特性。

所得結果表明，經(jīng)綜合改性的試樣，其摩擦性能得到最大程度的改善。在所選擇的綜合改性濃度范圍內(nèi)，分子量為400和4000的聚氧化乙烯二醇的總體濃度為5份，摩擦系數(shù)f較未改性試樣減小40%。

表4為<彈性體—聚氧化乙烯二醇>界面上的極限吸附值Гm、吸附層厚度δ和一個聚氧化乙烯二醇分子在<彈性體—聚氧化乙烯二醇>界面上所占有的面積Sm。

進入一個分子的面積接近于Sm。根據(jù)文獻報導，聚氧化乙烯二醇可能有兩種構型：一種較疏松，所占面積為28?；另一種則較為緊密，占據(jù)面積<16?。由此可以認為，在進行綜合改性時，聚氧化乙烯二醇在彈性體表面上形成較為密實的表面層。

表3 用不同改性方法處理的膠料試樣的摩擦特性（聚氧化乙烯二醇的分子量為400和4000）

表4 不同改性方法對彈性體膠料摩擦特性的影響

比較表4中的各項數(shù)據(jù)可以得出，隨Гm增高，δ也增大，而摩擦系數(shù)f及磨耗I減小。故Гm、δ及Sm是作為改性劑的表面活性劑及改性方法效應的表征性參數(shù)。

[1] Пятов Н С. АНТИФPИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ[J]. ППИЭ, 2012(1):35-38.

[責任編輯：張啟躍]

TQ 330.1+2

B

1671-8232(2015)10-0044-04

2013-06-28