納米坡縷石改進(jìn)水潤(rùn)滑軸承性能的研究

王家序+潘陽(yáng)+李俊陽(yáng)+肖科+周廣武

摘 要：水潤(rùn)滑軸承的摩擦性能取決于橡膠軸瓦的潤(rùn)滑狀態(tài)、硬度、動(dòng)態(tài)粘彈性等.選取坡縷石（AT）納米粉體，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面改性處理后，加入NBR制成AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件與AT/NBR水潤(rùn)滑軸承試件.檢測(cè)表明，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的綜合力學(xué)性能、硬度提高.動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA測(cè)得，NBR，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件0 ℃時(shí)的損耗因子大約相等，表明兩者的濕滑能力基本不變.通過(guò)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，測(cè)出AT/NBR軸承試件的水潤(rùn)滑摩擦噪聲、摩擦系數(shù)與磨損量降低.以上實(shí)驗(yàn)表明，AT/NBR軸承試件比NBR軸承試件的摩擦磨損等性能指標(biāo)有所提高，并達(dá)到了美軍標(biāo)（船舶）MIL-DTL-17901C（SH）的規(guī)定.

關(guān)鍵詞：水潤(rùn)滑；軸承；納米坡縷石；丁腈橡膠；摩擦性能

中圖分類號(hào)：TH133.3； TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The friction performance of water-lubricated bearing depends on the lubricated conditions， hardness， dynamic viscoelasticity of rubber， and so forth. After the surface was modified with silane coupling agent KH-550， palygorskite （AT） nano-powder was added to NBR rubber to prepare AT/NBR rubber-liner vulcanizate sample and AT/NBR water-lubricated bearing sample. Proved by testing results， the comprehensive mechanical properties and the hardness of AT/NBR rubber-liner vulcanizate sample were enhanced. Detected by dynamic mechanical analyzer （DMA）， the loss factor values at 0 ℃ of NBR and AT/NBR rubber-liner vulcanizate samples were approximately the same， and the wet sliding properties almost remained unchanged. When tested with friction wear-test machine of bearing， the water-lubricated friction coefficient of AT/NBR bearing sample decreased. Those experiments have shown that the performance index of AT/NBR bearing sample is better than that of the NBR bearing sample and meets the requirements of MIL-DTL-17901C （SH） specification.

Key words：water-lubricated； bearing； nano-palygorskite； acrylonitrile butadiene rubber； friction performance

水潤(rùn)滑橡膠軸承是一種滑動(dòng)軸承，用于礦山采掘設(shè)備、船舶螺旋槳軸、水輪機(jī)、水泵和渦輪鉆機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)裝置，軸瓦襯里是橡膠，由大量水介質(zhì)潤(rùn)滑，能經(jīng)受水中漂浮固體粒子的磨耗；橡膠彈性模量小，對(duì)載荷緩沖良好，能自動(dòng)調(diào)位和有效減振降噪.其設(shè)計(jì)與工作條件、摩擦材料及潤(rùn)滑介質(zhì)特性、潤(rùn)滑介質(zhì)量和潤(rùn)滑方式等因素有關(guān)[1].水潤(rùn)滑橡膠軸承靜態(tài)接觸面積與動(dòng)態(tài)摩擦力的統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析表明，二者線性相關(guān)顯著，即改善軸承摩擦性能的關(guān)鍵因素，是橡膠材質(zhì)的選擇[2].

在低速、重載、啟動(dòng)、停機(jī)等一些特殊工況下，水潤(rùn)滑軸承處于邊界潤(rùn)滑或與軸頸直接接觸的干摩擦狀態(tài)，橡膠軸瓦會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損.因此，性能優(yōu)良的水潤(rùn)滑軸承，不僅濕摩擦系數(shù)很低，而且耐磨性能很好.氧化鋅晶須能顯著提高橡膠的強(qiáng)度、耐磨性、防滑性、減振抗沖能力[3]，但同時(shí)也會(huì)增大橡膠的摩擦系數(shù).

坡縷石（坡縷鎬石，palygorskite），又名凹凸棒石（attapulgite），簡(jiǎn)稱凹土（AT），是含水的層鏈狀鎂質(zhì)硅酸鹽粘土礦物，可作吸附劑、橡膠填料、鉆井泥漿等[4].通過(guò)常規(guī)加工混煉，天然凹土微米粉體就可解離、分散為納米針狀單晶，以棒晶納米短纖維方式分散在聚合物基體中，對(duì)橡膠基體產(chǎn)生優(yōu)異的增強(qiáng)效果，且加工性能更好[5].王益慶等[6]用機(jī)械共混法成功制備了新型凹土/橡膠納米復(fù)合材料，TEM觀察表明，絕大部分AT在丁腈橡膠基體中達(dá)到納米級(jí)分散，并確認(rèn)硅烷偶聯(lián)劑Si-69改性凹土、制備NBR復(fù)合材料有良好的增強(qiáng)效果，性能達(dá)到N330炭黑的增強(qiáng)水平.胡志孟等[7]將改性納米級(jí)凹凸土作為丁腈橡膠的淺色補(bǔ)強(qiáng)劑，能有效改善丁腈橡膠的性能指標(biāo)，可以取代常規(guī)的炭黑和昂貴白炭黑，主要性能指標(biāo)達(dá)到了錠子橡膠的石油部標(biāo)準(zhǔn).尹芳華等[8]利用硅烷偶聯(lián)劑Si-69改性AT，填充到NBR中制備復(fù)合材料，得到性能優(yōu)異的納米AT/NBR復(fù)合材料，并比較不同AT的改性方式對(duì)NBR補(bǔ)強(qiáng)的效果.尹慧等[9]研究了AT加入量對(duì)AT/NBR復(fù)合材料綜合性能的影響.

另外，由硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性劑制備的聚合物復(fù)合材料，填充顆粒在基體中分散均勻，且具有良好的熱穩(wěn)定性[10].

本文選取NBR極性橡膠作為基體，采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性坡縷石，制備AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件，檢測(cè)其力學(xué)性能；制作AT/NBR軸承試件，并進(jìn)行軸承摩擦磨損試驗(yàn).探討坡縷石優(yōu)化水潤(rùn)滑橡膠軸承工藝性能的途徑，研究坡縷石提高軸承摩擦性能的有效方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及配方

1.1.1 原材料

NBR，牌號(hào)N41（蘭州石化），丙烯腈含量約0.28～0.30；坡縷石納米粉體（原礦產(chǎn)自貴州大方），純度95%，由貴州大學(xué)機(jī)械學(xué)院丁旭老師提供；改性劑，硅烷偶聯(lián)劑KH-550，化學(xué)純，南京曙光化工公司；無(wú)水乙醇，分析純，重慶川江化學(xué)試劑廠；其他補(bǔ)強(qiáng)劑和助劑均為橡膠工業(yè)市售.

1.1.2 配 方

參照專利（申請(qǐng)?zhí)枺篫L 200810070080.2）《橡膠合金材料及利用該材料制造傳動(dòng)件的方法》，選取試驗(yàn)?zāi)z料基本配方（質(zhì)量phr）：NBR 100，氧化鋅7.1，硫磺2.9，促進(jìn)劑CZ 2.9，防老劑NBC 2.9，C18飽和脂肪酸2.9，半補(bǔ)強(qiáng)炭黑100，填充劑玻璃纖維57.1，納米坡縷石粉體9.6，硅烷偶聯(lián)劑KH-550取坡縷石用量的1%.

1.2 儀器及設(shè)備

QM-3SP4行星式球磨機(jī)，南京大學(xué)儀器廠；AL204電子天平，美國(guó)梅特勒托利多公司；X（S）K-160型雙輥開(kāi)煉機(jī)，無(wú)錫華源橡塑機(jī)械廠；C-XLB-D500×500-1000Ⅲ單層平板硫化機(jī)（制備膠料）、XLB/DZ-1950×2270-1000抽真空平板硫化機(jī)（制作軸承），寧波千普機(jī)械有限公司；DXLL-5000電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)、XY-1型橡膠硬度計(jì)、MH-74型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，上海德杰儀器設(shè)備有限公司； JEM-2000FXⅡ型高分辨透射電鏡TEM，日本電子公司；KYKY-2008B型掃描電鏡SEM，中科院科學(xué)儀器廠； Q800 DMA動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，美國(guó)TA儀器公司；MPV-20D屏顯式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；AWA5661型聲級(jí)計(jì)，杭州愛(ài)華儀器有限公司.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.3.1 坡縷石粉體改性處理

采用濕式球磨法，在乙醇介質(zhì)的作用下，將坡縷石礦物棒晶體打斷、解束并改性.

1） 配制坡縷石與改性劑混合液.三口燒瓶中加入50 mL乙醇、坡縷石質(zhì)量1%的改性劑KH-550攪拌，使KH-550充分溶解于乙醇，之后加入去離子水?dāng)嚢?；混合液中緩慢加入坡縷石粉體，攪拌均勻；一個(gè)頸口接入冷凝器，另一個(gè)頸口插溫度計(jì)且沒(méi)入混合液，中間頸口安裝攪拌器，燒瓶50～60 ℃邊加熱邊攪拌30 min；產(chǎn)物用乙醇洗滌5次，混合液再用無(wú)水乙醇稀釋至600 mL.

2） 球磨.

將偶聯(lián)劑乙醇與坡縷石粉體混合液裝罐，用QM-3SP4行星式球磨機(jī)，濕式球磨（工藝參數(shù)：球料比1∶2，轉(zhuǎn)速150 r/min，交替10 min）2 h，然后在80 ℃烘干備用.

1.3.2 橡膠軸瓦硫化膠的制備與軸承試件的制作

1） NBR，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠的制備.

工藝路線：生膠→塑煉→（加入配合劑）混煉→成型、硫化→制樣.

工藝流程：在雙輥開(kāi)煉機(jī)上先用小輥距冷輥膠料；輥距調(diào)至最小，控制混煉溫度在50 ℃左右，輥筒速比1∶1.2，加入配合劑和改性坡縷石納米粉體（分多次加入），割膠翻煉；薄通、打三角包6次以上，反復(fù)壓煉、搗膠，形成均勻的AT/NBR混煉膠；由硫化儀測(cè)定正硫化時(shí)間；用硫化機(jī)模壓制成2 mm厚的AT/NBR硫化膠試片，在硫化壓力18 MPa、硫化溫度160 ℃下，硫化18 min，冷卻至室溫；取出試片放置12 h.

同期制備等量未加坡縷石的NBR硫化膠，備用.

2） NBR，AT/NBR軸承試件的制作.用硫化機(jī)將AT/NBR混煉膠模壓成型，同時(shí)硫化粘接在銅套內(nèi)表面，制成水潤(rùn)滑直槽軸承試件，其工藝參數(shù)為硫化壓力20 MPa，硫化溫度160 ℃，硫化時(shí)間30 min.

同期制作相等尺寸、未加坡縷石的NBR軸承，備用.

1.3.3 橡膠軸瓦硫化膠試件的力學(xué)性能測(cè)試

用電子拉力機(jī)測(cè)試定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率，拉伸速度500 mm/min，測(cè)試溫度（22±1） ℃，相對(duì)濕度60%±1.試件沖裁成啞鈴狀，取10個(gè)NBR，AT/NBR試件分別測(cè)試，取其平均值.拉伸性能按GB/T 528-2009標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定.邵氏硬度按GB/T 531-1999方法測(cè)定.撕裂強(qiáng)度按GB/T 529-2008標(biāo)準(zhǔn)，制成直角形試樣測(cè)定.耐磨性能按GB/T 1689-1998標(biāo)準(zhǔn)，制成膠輪試樣，用阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試設(shè)定壓力下與砂輪直接對(duì)磨的磨損量.

1.3.4 橡膠軸瓦硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試

用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀DMA分別測(cè)試NBR，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件在-80～100 ℃的損耗因子tanδ.試件尺寸13.97 mm×6.61 mm×2 mm.

測(cè)試條件：拉伸夾具；頻率1 Hz；升溫速度3 ℃/min；應(yīng)變0.5%；預(yù)加力0.01；力跟蹤125%；泊松比0.44；溫度為-80～100 ℃.

1.3.5 水潤(rùn)滑軸承試件的摩擦性能測(cè)試

試驗(yàn)采用的水潤(rùn)滑軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，由交流電機(jī)拖動(dòng)，液壓油泵加載，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接讀出摩擦系數(shù).其原理圖如圖1所示.

1） 設(shè)備組成及功能.

①供水系統(tǒng)由水箱、流量閥、水泵、水管等組成，為水潤(rùn)滑軸承運(yùn)轉(zhuǎn)提供潤(rùn)滑介質(zhì)；②試驗(yàn)系統(tǒng)由電機(jī)、聯(lián)軸器、支架等組成，模擬運(yùn)轉(zhuǎn)軸系；③加載系統(tǒng)由液壓泵、液壓缸組成，給實(shí)件施加徑向載荷；④控制系統(tǒng)，啟停水泵、控制電機(jī)轉(zhuǎn)速并加載；⑤輸出設(shè)備，動(dòng)態(tài)記錄并輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2） 試驗(yàn)對(duì)象.

水潤(rùn)滑NBR，AT/NBR直槽軸承，尺寸d = 40 mm，D = 60 mm，L = 80 mm，橡膠軸襯厚6 mm，8個(gè)縱向水槽.

3） 潤(rùn)滑介質(zhì).

清水（自來(lái)水），潤(rùn)滑水流量Q = 0.5 L/min.

4） 試驗(yàn)方法及步驟.

① 采用體積法，將軸承試件完全浸入水中，測(cè)定與其體積等量的排水量，間接測(cè)出其磨損量.試驗(yàn)前，分別測(cè)定未磨損NBR，AT/NBR軸承試件的排水量V0，水的體積用酸式滴定管測(cè)出.

② 分別將NBR，AT/NBR軸承試件裝入試驗(yàn)臺(tái)，順序調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)速200，400，600，800和1 000 r/min，順序加載荷640，800，960 N，每個(gè)工況運(yùn)轉(zhuǎn)1.6 h，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)共24 h；各工況每隔1 min讀取較穩(wěn)定的摩擦噪聲聲壓值、摩擦系數(shù)示數(shù)，分別得出NBR，AT/NBR軸承試件轉(zhuǎn)速載荷與摩擦噪聲、摩擦系數(shù)的關(guān)系.試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫22～25 ℃.

③ 運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束，將磨損的軸承試件沖洗干凈，分別測(cè)定磨損后NBR，AT/NBR軸承試件的排水量V1，根據(jù)磨損前后軸承試件排水量的體積差ΔV=V1-V0，計(jì)算得到軸承試件的磨損量Δm=ΔVρ（其中，ρ為橡膠軸瓦的密度）.

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 坡縷石納米粉體的微觀結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)用坡縷石粉體在水中超聲分散，滴膜法制樣，用透射電鏡TEM觀察其微觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，改性后坡縷石粉體單根棒晶的直徑大約為20～100 nm左右，長(zhǎng)徑比在10～50之間，達(dá)到納米級(jí).

2.1.2 加入坡縷石前后橡膠軸瓦硫化膠試件的力學(xué)性能

加入坡縷石后橡膠軸瓦硫化膠的力學(xué)性能如表1所示，表中0#試件不含坡縷石，1#試件添加膠料質(zhì)量約1/10的坡縷石.

加入坡縷石的AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件，定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、邵氏硬度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性能都有所提高，比原NBR橡膠軸瓦膠料更強(qiáng)韌、更硬.

阿克隆磨耗試驗(yàn)中，膠輪試件與標(biāo)準(zhǔn)砂輪在設(shè)定壓力下直接接觸對(duì)磨的磨損量，可以反映軸承橡膠軸瓦在干摩擦、磨粒磨損條件下的耐磨性能[11].AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的阿克隆磨耗量降低，即AT/NBR軸承試件在干摩擦、磨粒磨損條件下的耐磨性能提高.

在一定程度上，膠料共混的均勻程度會(huì)影響其中各成分的均勻分散，從而影響硫化膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，也就影響其常規(guī)物理力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度和永久變形等）.所以，可以用間接方法——通過(guò)測(cè)定硫化膠的物理力學(xué)性能，評(píng)價(jià)橡膠共混體系均勻性、分散性的好壞[12].

2.1.3 加入坡縷石前后橡膠軸瓦硫化膠試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

NBR與AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，如圖3所示.NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為-12.99 ℃，對(duì)應(yīng)的tanδmax為1.211；AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為-12.63 ℃，對(duì)應(yīng)的tanδmax為1.136.

NBR與AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量的對(duì)比如圖4所示.相對(duì)于NBR橡膠軸瓦硫化膠試件，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的初始儲(chǔ)能模量較大，說(shuō)明AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的交聯(lián)點(diǎn)密度相對(duì)比較均勻[13]，其工藝性能得到改善.

NBR與AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件損耗因子的對(duì)比如圖5所示.通過(guò)tan δ-T曲線對(duì)比， 0 ℃時(shí)NBR，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的損耗因子tanδ差異很小，可看作近似相等，即兩者濕滑能力相當(dāng).在軸承0～60 ℃正常工作溫度的范圍內(nèi)，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的損耗因子較大，這有助于提高軸承減振降噪的能力.

2.1.4 兩種軸承試件的水潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn)

NBR，AT/NBR軸承試件的水潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6（a）（b）為軸承試件的摩擦噪聲測(cè)試結(jié)果.啟動(dòng)后，軸承試件聲壓值隨轉(zhuǎn)速增加而增加，在800 r/min達(dá)到最大，之后開(kāi)始減小.

整體上，各工況AT/NBR軸承試件的摩擦噪聲聲壓值小于NBR軸承試件的摩擦噪聲聲壓值.

圖6（c）（d）為軸承試件的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果.低速時(shí)隨轉(zhuǎn)速升高摩擦系數(shù)明顯減??；中間轉(zhuǎn)速時(shí)隨轉(zhuǎn)速升高，摩擦系數(shù)略微減小.任何一個(gè)特定速度，摩擦系數(shù)均隨載荷增大而減小，這主要是因?yàn)檩d荷較低，軸承承壓較小，橡膠彈性形變很微小，還不能形成連續(xù)的潤(rùn)滑水膜，即軸承內(nèi)部潤(rùn)滑不良.隨著載荷增大，橡膠產(chǎn)生彈性形變，逐漸形成彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)，因此摩擦系數(shù)降低.整體上，各工況AT/NBR軸承試件的摩擦系數(shù)小于NBR軸承試件的摩擦系數(shù).

2.1.5 軸承試件的磨損量

2.2 討 論

2.2.1 坡縷石對(duì)水潤(rùn)滑軸承摩擦性能的影響

橡膠元件（例如輪胎）摩擦的產(chǎn)生與動(dòng)態(tài)性能有關(guān)，在發(fā)生摩擦的振動(dòng)頻率104～108 Hz范圍[14]內(nèi)，因?yàn)槲⒂^橡膠分子鏈與接觸面的粘附、滯后，產(chǎn)生摩擦力，之后周期重復(fù)，粘滑過(guò)程[15]的頻率即摩擦產(chǎn)生的頻率，這是橡膠摩擦過(guò)程與動(dòng)態(tài)性能相關(guān)的根本原因.用1 Hz，0 ℃下的tanδ表征橡膠的抗?jié)窕阅埽炎鳛檩喬ツz料中聚合物和填料開(kāi)發(fā)的判據(jù)[16].

彈性體的摩擦力由粘附摩擦力和遲滯摩擦力兩部分組成[17-18]，粘附摩擦力是表面力，在接觸面分子尺度范圍內(nèi)發(fā)生；遲滯摩擦力是體積力，在體積變形范圍內(nèi)發(fā)生，由彈性體大的變形產(chǎn)生.摩擦力與彈性體的tanδ成正比，粘附摩擦力隨硬度增加而減小[18].

本文所用的水潤(rùn)滑橡膠合金軸承是徑向滑動(dòng)軸承；其橫截面水膜形成和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律如圖7所示，軸承逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，O為軸承中心， O′為軸頸中心，e為軸頸偏心距.

水潤(rùn)滑軸承的承載原理：軸承橡膠軸瓦（橡膠襯）、軸頸摩擦副之間形成楔形水隙，粘性剪切力使水隙形成徑向速度梯度，整個(gè)間隙腔內(nèi)的潤(rùn)滑水膜產(chǎn)生流體動(dòng)壓，與其自重、外載相平衡，形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑.與干摩擦不同，濕摩擦由于水膜潤(rùn)滑的作用，影響因素較復(fù)雜.水潤(rùn)滑軸承的摩擦性能，取決于軸承橡膠軸瓦表面增加水膜厚度的能力.其中，重要的影響因素是潤(rùn)滑狀態(tài)、膠料粗糙度[19-20]等.

1） 坡縷石對(duì)硬度的影響.

水潤(rùn)滑橡膠軸承物理力學(xué)性能的重要指標(biāo)——硬度，反映了軸承橡膠軸瓦的受壓變形程度與抗刺穿能力.橡膠軸瓦的硬度越大，剛性越強(qiáng).硬度提高，彈性下降，可以減少遲滯摩擦；但硬度過(guò)高容易刺穿水膜.硬度適中的水潤(rùn)滑軸承橡膠軸瓦，摩擦性能較優(yōu)異.

美國(guó)國(guó)防部軍用標(biāo)準(zhǔn)（船舶）MIL-DTL-17901C（SH）規(guī)定，軸承橡膠軸瓦的邵氏硬度為65～75.

加坡縷石后，AT/NBR軸承橡膠軸瓦的邵氏硬度由72增加到74（參見(jiàn)表1）.

2） 坡縷石對(duì)軸承橡膠軸瓦摩擦系數(shù)的影響.

膠料的摩擦是粘附摩擦與遲滯摩擦的總和.AT/NBR軸承橡膠軸瓦膠料試件，硬度提高，彈性下降，遲滯摩擦減小.相對(duì)于AT/NBR軸承橡膠軸瓦膠料試件，NBR軸承橡膠軸瓦膠料試件的拉伸強(qiáng)度較小，橡膠填料的界面結(jié)合力較低，摩擦過(guò)程中容易脫落、形成凹陷，使膠料表面粗糙度增加，導(dǎo)致粘附摩擦增大.相對(duì)于NBR軸承橡膠軸瓦膠料試件，AT/NBR軸承橡膠軸瓦膠料試件的遲滯摩擦、粘附摩擦均較小，所以AT/NBR軸承試件的摩擦系數(shù)小于NBR軸承試件的摩擦系數(shù).

2.2.2 坡縷石對(duì)水潤(rùn)滑軸承橡膠軸瓦耐磨損性能的影響

1） 彈流潤(rùn)滑狀態(tài).在軸承水潤(rùn)滑工況的穩(wěn)定運(yùn)行階段，因?yàn)樗鬟f載荷，橡膠軸瓦表面承受交變應(yīng)力，兩表面不直接接觸（存在彈流動(dòng)壓水膜），會(huì)發(fā)生疲勞磨損——在周期性載荷、粘著作用相當(dāng)小的情況下產(chǎn)生，是一種非常緩慢、不可忽視的磨損.疲勞磨損有一個(gè)過(guò)程，而且其疲勞過(guò)程只局限在薄的表層內(nèi)，某應(yīng)力值下經(jīng)過(guò)多次循環(huán)才發(fā)生.橡膠軸瓦摩擦表面的微凸體應(yīng)力場(chǎng)周期變化，循環(huán)交變接觸應(yīng)力周期作用在摩擦表面，接觸表層多次變形而萌生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展直至引起材料脫落，使材料表面疲勞，產(chǎn)生滑動(dòng)（接觸）疲勞磨損.橡膠疲勞磨損是在給定條件下橡膠表層破壞并脫離基體的變形次數(shù)，也是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)；隨著法向載荷的增加、抗拉強(qiáng)度的下降以及動(dòng)態(tài)疲勞特性指數(shù)的減小，疲勞磨損增大[21].

相對(duì)于NBR橡膠軸瓦硫化膠試件，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的拉伸強(qiáng)度、韌性增加，有利于改善軸承橡膠軸瓦的耐疲勞磨損能力.本試驗(yàn)條件下，相對(duì)于NBR軸承試件，穩(wěn)定運(yùn)行情況下AT/NBR軸承試件的磨損量減小，即AT/NBR軸承試件的水潤(rùn)滑耐磨性能得到改善.

2） 邊界潤(rùn)滑及干摩擦狀態(tài).在低速、重載、啟停等特殊工況下，水潤(rùn)滑軸承處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，甚至?xí)l(fā)生橡膠軸瓦與軸頸直接接觸的干摩擦，導(dǎo)致橡膠軸瓦的嚴(yán)重磨損.膠輪與標(biāo)準(zhǔn)砂輪干摩擦對(duì)磨的阿克隆磨耗量，可以反映軸承橡膠軸瓦在干摩擦、磨粒磨損條件下的耐磨性能.AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的阿克隆磨耗量減小，即AT/NBR軸承試件在干摩擦、磨粒磨損條件下的耐磨性能有所提高.

2.2.3 坡縷石對(duì)橡膠軸瓦物理力學(xué)等性能的影響

加入改性納米坡縷石粉體的AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件，其物理力學(xué)等性能提高，這是因?yàn)椋?/p>

1） 填料增強(qiáng)橡膠的三要素是“填料的粒徑、結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)”，如果納米填料顆粒在橡膠基體中達(dá)到納米級(jí)分散，即使不加任何改性劑，其小尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生優(yōu)異的增強(qiáng)效果.坡縷石是一種天然無(wú)機(jī)納米材料，具有流變性、催化性和熱穩(wěn)定性等獨(dú)特的性能[4，22]，比表面大、表面活性高，納米棒晶通常容易團(tuán)聚[23]；另一方面，其表面含大量極性羥基親水基團(tuán)，易吸附水分子，與非極性、憎水有機(jī)高聚物的親和性相當(dāng)差；所以在一些橡膠、塑料中，坡縷石達(dá)不到很好的補(bǔ)強(qiáng)效果，制得的產(chǎn)品理化性能不好，通常只能作惰性填料[24-25].可用物理化學(xué)、機(jī)械等方法對(duì)粉體表面進(jìn)行處理，改變其潤(rùn)濕性，改善其在高聚物基體中的分散、與基體的結(jié)合力[26].采用簡(jiǎn)單有效的工藝技術(shù)，將坡縷石解離、表面有機(jī)化改性，使之與橡膠基體良好浸潤(rùn)、均勻分散，增加補(bǔ)強(qiáng)的效果，提高復(fù)合材料性能又降低成本[27].

2） NBR復(fù)合材料的性能取決于AT粉體的分散、AT粉體與基體界面的結(jié)合.AT粉體分散性越好（顆粒分布均勻且大小精細(xì)），界面結(jié)合越強(qiáng)，復(fù)合材料性能越優(yōu)異；反之，若AT粉體分散性差、界面結(jié)合弱，橡膠基體難以傳遞所受應(yīng)力給剛性填料，較高形變下界面會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移.因此，本文用硅烷偶聯(lián)劑KH-550作為表面改性劑，通過(guò)同時(shí)有2種以上相異反應(yīng)性基團(tuán)的有機(jī)硅化物——硅烷偶聯(lián)劑，在無(wú)機(jī)物、有機(jī)物界面間架起“分子橋”，連接2種性質(zhì)迥異的材料，從而提高無(wú)機(jī)有機(jī)相的結(jié)合強(qiáng)度，改善橡膠復(fù)合材料的性能.具有特殊結(jié)構(gòu)的低分子硅烷偶聯(lián)劑，通式為RSiX3，式中R代表與聚合物分子有親和力或反應(yīng)能力的活性官能團(tuán)，X代表能夠水解的烷氧基[26].進(jìn)行偶聯(lián)時(shí)X基水解形成硅醇，然后與AT粉體顆粒表面的羥基反應(yīng)，形成氫鍵并縮合為-SiO-M共價(jià)鍵（M表示AT顆粒表面）；同時(shí)KH-550各分子的硅醇相互齊聚、締合，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜覆蓋在AT顆粒表面，使其表面有機(jī)化；硅烷取代填料AT表面的水分子且包覆顆粒，使R基團(tuán)朝外，變得親油疏水，并易于被基料潤(rùn)濕；基料分子插入、隔開(kāi)填料AT的顆粒，使其分散穩(wěn)定并防止結(jié)塊，降低了填料AT與NBR基體間的結(jié)構(gòu)化作用.

另外，硅烷偶聯(lián)劑KH-550小分子通過(guò)化學(xué)作用吸附在AT單晶表面，削弱單晶自聚力，降低表面能，提高與膠料的親合，混合、剪切過(guò)程中便于AT充分解離，提高其分散性；另一端的官能團(tuán)與橡膠反應(yīng)，增強(qiáng)填料橡膠基界面的化學(xué)鍵合，阻止納米纖維再聚集.而且，KH-550帶有氨基，膠料采用硫黃硫化時(shí)，活潑的氨基參與硫化反應(yīng)、牢固界面作用，利于基體傳遞載荷給剛性無(wú)機(jī)填料，充分發(fā)揮填料的增強(qiáng)作用.

3） 實(shí)驗(yàn)中采取二段混煉法、增加薄通次數(shù)、延長(zhǎng)貯存時(shí)間等系列工藝措施，降低NBR分子鏈、提高NBR分子活性，使納米坡縷石纖維結(jié)構(gòu)在橡膠中取向[27-28]排列.

3 結(jié) 論

1） 納米坡縷石粉體經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面改性，加入NBR制備出的AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件，工藝性能改善，綜合力學(xué)性能提高.AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件的抗拉強(qiáng)度、韌性增加，有助于提高軸承試件水潤(rùn)滑工況的耐磨損性能.

2） NBR，AT/NBR橡膠軸瓦硫化膠試件0 ℃時(shí)的損耗因子tanδ基本相等，兩者的濕滑能力相當(dāng).

3） 軸承試件摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于NBR軸承試件，AT/NBR軸承試件的水潤(rùn)滑摩擦噪聲、摩擦系數(shù)和磨損量減小.AT/NBR軸承試件的性能指標(biāo)有所提高，并達(dá)到了美國(guó)國(guó)防部軍用標(biāo)準(zhǔn)（船舶） MIL-DTL-17901C（SH）的規(guī)定.

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