界面潤濕性和粗糙度對橡膠滑動摩擦行為的影響

高天燕,張開森,葉家鑫,劉小君,劉 焜

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院 摩擦學研究所，安徽 合肥 230000)

橡膠作為1種典型的黏彈性體材料，被廣泛應用于車輛輪胎[1,2]、雨刮器[3-4]、密封圈[5]及鞋底[6]等領域.橡膠的摩擦和磨損一直是摩擦學領域重要的研究內(nèi)容之一[7]. 下雨后，雨刮器在滑動中往往會出現(xiàn)噪音及運動不平穩(wěn)的現(xiàn)象[8]. Deleau等[3]和Gao等[9-12]通過試驗發(fā)現(xiàn)黏彈性體接觸界面由濕到干期間往往會出現(xiàn)1個高于干摩擦的潤濕狀態(tài)，并稱之為黏著態(tài). 這種黏著態(tài)下的高摩擦響應會加劇橡膠配件的磨損，縮短其使用壽命，其磨損產(chǎn)生的微納米尺度的碎屑會加劇環(huán)境污染，甚至危害人類的呼吸健康. 相反，如果對這種黏著態(tài)現(xiàn)象加以利用，實現(xiàn)雨天剎車距離的縮短以及鞋底抓地力的提高，對于降低車輛事故和滑倒事故的風險具有重要意義.

黏著態(tài)下，接觸區(qū)域殘余液體及分子間相互作用對于摩擦的增長具有重要影響. Gao等[10]探究了水膜占比對潤濕轉(zhuǎn)變過程中摩擦的影響，發(fā)現(xiàn)黏著態(tài)摩擦峰與高剪切強度的水膜有關. 類似地，許多昆蟲可以在天花板和垂直表面平穩(wěn)爬行，這一能力被歸結(jié)于粗糙度、液體分泌(毛細和黏度效應)和范德華相互作用[13-14]. 研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲襯墊的內(nèi)部纖維可能對附著力的增加具有重要作用，并且其分泌的黏性液體通過提高毛細和黏性黏附可以補償小尺度粗糙度帶來的真實接觸面積的損失[15-18]. 關于潤濕性對昆蟲黏附力的影響，Voigt等[19]指出疏水性的基底表面更有利于附著. 本文中作者利用自主搭建的原位觀測摩擦試驗臺探究了涂覆不同材料的載玻片與硅橡膠接觸界面由濕到干過程摩擦系數(shù)的演變規(guī)律，分析了不同載玻片表面特性對黏著態(tài)下摩擦峰的影響.

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

如圖1結(jié)構(gòu)圖所示，微牛級原位觀測摩擦試驗臺由運動系統(tǒng)、力測量系統(tǒng)和光學觀測系統(tǒng)3部分組成.運動系統(tǒng)利用伺服電機(MDI,IMS,USA)通過聯(lián)軸器和絲杠實現(xiàn)線性往復運動. 力測量系統(tǒng)選用平行四邊形軟懸臂梁結(jié)構(gòu)和電容式位移傳感器(D-510.020,PI,Germany). 摩擦試驗中，利用水平和豎直2個方向的位移傳感器分別測量懸臂梁在豎直和水平方向的位移偏轉(zhuǎn)量. 然后，根據(jù)桿的純彎曲理論[20]，可以實現(xiàn)從位移偏轉(zhuǎn)量到力的轉(zhuǎn)換. 該試驗裝置中選用的軟懸臂梁的力測量精度為±14 μN. 光學觀測系統(tǒng)是1臺倒置的金相顯微鏡(MR3000)，并配備有20×物鏡. 另外，顯微鏡的光路中安裝了濾波片(中心波長589.3 ±10 nm)，并且還外配了1臺數(shù)碼相機(分辨率：0.6 piexl/μm；拍攝速率：7 frame/s).

摩擦試驗中， 上試樣選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)半球并通過尼龍桿件固定在L型板上. 下試樣選用3種載玻片(尺寸：76 cm×26 cm×1 mm)：普通載玻片、粘貼有聚四氟乙烯(PTFE)薄膜的載玻片和粘貼有聚丙烯(BOPP)薄膜的載玻片(分別命名為樣本A、B和C)，并固定于水平位移臺上. 為了試驗操作方便以及實現(xiàn)對接觸區(qū)域的觀測，下試樣均選擇載玻片作為基底. 在施加載荷之前，首先在下試樣表面滴加0.3 μL的去離子水，然后將PDMS半球與下表面接觸并在外載荷為3 mN的作用下進行線性往復運動(滑動速度：20 μm/s，行程：200 μm)，同時記錄接觸界面潤濕轉(zhuǎn)變過程(從濕到干)中摩擦系數(shù)的演變過程. 另外，空白對照組中接觸區(qū)域沒有滴加去離子水，即干燥條件. 所有摩擦試驗開展的環(huán)境條件為室溫25 ℃、濕度30%～40%.

Fig. 1 Schematic diagram of in-situ optical micro tribometer圖 1 微牛級原位觀測摩擦試驗臺原理圖

1.2 試驗材料及制備

如圖2所示，PDMS半球的制備，首先是將預聚體(組分A)與固化劑(組分B)按照質(zhì)量比5:1進行攪拌混合，然后將混合物放置在真空泵中進行脫氣約20 min，直到?jīng)]有氣泡產(chǎn)生[20-21]. 另外，制備中選擇玻璃板作為基片，制備前，先將基片依次放置在丙酮和去離子水溶液中用超聲清洗器超聲振蕩10 min，并將清洗后的玻璃板放置在裝有水溶液的培養(yǎng)皿中. 然后利用注射器將脫氣后的PDMS混合物轉(zhuǎn)移到該培養(yǎng)皿中的玻璃板上，PDMS混合物在水下由于表面張力的作用而呈現(xiàn)球狀[22]. 然后將培養(yǎng)皿常溫下靜置24 h后，把玻璃板從水中取出置于鼓風干燥箱中，在80 ℃條件下加熱90 min，得到的PDMS半球的直徑為3.58 mm，彈性模量約為3 MPa. 利用光學接觸角測量儀(SL200KS，KINO，USA)測得PDMS半球的潤濕接觸角約為115°，并利用三維共聚焦顯微鏡(VK-X250，Keyence，Japan)測得其表面粗糙度，約為120±3 nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同載玻片表面的材料特性

為了確定3種載玻片樣本的表面潤濕性，利用光學接觸角測量儀測量了固-液接觸角(θ). 試驗中選擇去離子水作為測量液體，每次試驗滴加的液體體積為2 μL. 然后利用ImageJ軟件對潤濕圖片(圖3)進行處理分析，得到接觸角. 每個樣本的潤濕接觸角由5組測量數(shù)據(jù)的平均值得到. 圖3中展示了樣本A、B和C的潤濕圖片以及接觸角的測量結(jié)果. 從試驗結(jié)果中可以看出樣本A為親水性表面(θ＜90°)，樣本B和C為疏水表面(θ＞90°)，并且潤濕接觸角相近.

3種載玻片樣本的表面形貌通過三維共聚焦顯微鏡測得，試驗選取20×鏡頭進行觀測. 算數(shù)平均粗糙度(Ra)計算中，測量區(qū)域為200 μm×200 μm，每種載玻片樣本測量5次，每種載玻片樣本的Ra都是由5組測試結(jié)果的均值得到. 圖4所示為樣本A、B和C的表面形貌照片及Ra的測量結(jié)果. 測量結(jié)果顯示，樣本A和B的Ra相近且約為樣本C的4倍，表明樣本A和B的表面比樣本C更粗糙.

2.2 PDMS半球在不同載玻片表面的滑動摩擦過程分析

圖5所示為干燥條件下，PDMS半球在3種載玻片表面的動態(tài)摩擦系數(shù). 圖5(a)所示為1個試驗周期內(nèi)摩擦系數(shù)隨位移的變化規(guī)律. 可以看出，在滑動方向發(fā)生轉(zhuǎn)變時，摩擦系數(shù)隨著位移的變化而呈現(xiàn)出滯后特性. 為了表征單個周期的橡膠摩擦系數(shù)，選擇圖5(a)中的黑色虛線框作為原始計算數(shù)據(jù). 通過將正、反2個方向的數(shù)據(jù)點取平均值[23-24]，可以消除安裝傾斜帶來的測量誤差，得到單個周期的摩擦系數(shù).

Fig. 2 Diagram of preparation process of PDMS hemisphere圖 2 PDMS半球的制備流程圖

Fig. 3 Measurement results of contact angle: (a) sample A; (b) sample B; (c) sample C圖 3 潤濕接觸角的測量結(jié)果：(a) 樣本A；(b) 樣本B；(c) 樣本C

其中， μf表示前進方向的摩擦系數(shù)， μr表示后退方向的摩擦系數(shù). 3種樣本的干摩擦系數(shù)均通過該計算方法得到，如圖5(b)所示. 樣本A、B和C的干摩擦系數(shù)分為1.05、0.60和0.98.

不同于其他材料摩擦，橡膠摩擦主要由黏著項和滯后項2部分組成[25-26]. 當發(fā)生相對滑動的表面較為光滑時，摩擦阻力主要來源于黏著摩擦. 黏著摩擦與真實接觸面積和表面自由能有關，橡膠摩擦系數(shù)隨著表面自由能的增加而增大[7,27]. 樣本A和B的表面粗糙度相近，并且樣本A為親水性表面，樣本B為疏水性表面.樣本A的干摩擦系數(shù)高于樣本B，這一結(jié)果應該與樣本A的高表面能有關. 樣本B和C的潤濕接觸角相近，樣本B的表面粗糙度約是樣本C的4倍，摩擦試驗發(fā)現(xiàn)樣本C的干摩擦系數(shù)比樣本B的大. 這一結(jié)果與粗糙度的引入會降低橡膠摩擦的理論相一致，粗糙度的引入使得真實接觸面積減小，從而削弱黏著項的貢獻[26].

圖 4 三維表面粗糙度的測量結(jié)果：(a) 樣本A；(b) 樣本B；(c) 樣本C

Fig. 5 (a) Dry friction coefficient between PDMS hemisphere and glass slide sample A; (b) measurement results of dry friction coefficient of three glass slide samples圖 5 (a) PDMS半球與載玻片樣本A的滑動干摩擦系數(shù)隨時間的變化過程；(b) 3種載玻片樣本干摩擦系數(shù)的測量結(jié)果

摩擦試驗探究了PDMS半球與樣本A、B和C接觸界面由濕到干過程中滑動摩擦系數(shù)的演變規(guī)律. 根據(jù)圖5(a)所展示的摩擦系數(shù)處理方法，得到了潤濕轉(zhuǎn)變過程中摩擦系數(shù)隨時間的變化過程，如圖6(a～c)所示.圖6(a～c)中的由藍到白的漸變過程代表了接觸區(qū)域間水逐漸揮發(fā)的過程，白色代表接觸區(qū)域干燥條件下的摩擦狀態(tài). 可以看出，樣本A、B和C的摩擦系數(shù)隨時間的演變規(guī)律基本相同，動態(tài)滑動初期，摩擦系數(shù)均是先基本保持不變(分別為0.84、0.54和1.12)，然后減小到1個極小值(分別為0.79、0.43和1.03)，隨著時間的推移，水進一步揮發(fā)，摩擦系數(shù)又逐漸增大到1個最大值(分別為1.20、1.02和1.25). 從摩擦系數(shù)隨時間的變化圖可以看出，樣本A、B和C在接觸區(qū)域由濕到干的過程中均出現(xiàn)1個高于干摩擦系數(shù)的峰值，該峰值稱為摩擦峰，用μpeak表示，摩擦峰相比于干摩擦系數(shù)μdry的增長稱為相對增長百分比，用Δμ%表示，Δμ%=(μpeak-μdry)/μdry×100%. 圖6(d)所示為樣本A、B和C相對增長百分比的結(jié)果，該結(jié)果分別由3組試驗得到. 結(jié)果表明，樣本A和樣本C的Δμ%較低，分別為15%和28%，樣本B的Δμ%相對較高，高達約70%.

圖7(a～c)所示為1個運動周期內(nèi)，樣本A、B和C在干燥(白色數(shù)據(jù)點)和黏著態(tài)(灰色數(shù)據(jù)點)條件下的摩擦系數(shù)隨位移的變化過程. 圖7(a～c)的試驗結(jié)果顯示，當PDMS半球的運動方向發(fā)生改變時，摩擦系數(shù)隨位移的改變呈現(xiàn)出明顯的滯后特性. 可以看出，相比于干燥條件，樣本A、B和C在黏著態(tài)下摩擦系數(shù)均表現(xiàn)出更明顯的滯后效應. 為了量化樣本A、B和C在干燥和黏著態(tài)條件下的滯后特性，將從運動方向改變到摩擦系數(shù)減小為0的位移定義為滯后位移，用ΔS表示.圖7(d)所示為樣本A、B和C在干燥和黏著態(tài)條件下滯后位移結(jié)果. 由圖7(d)可以看出，樣本A、B和C在干燥條件下的滯后位移用ΔSdry表示，其值分別為36、16和27 μm，在黏著態(tài)條件下的滯后位移用ΔStacky表示，其值分別為44、38和39 μm. 通過計算發(fā)現(xiàn)，樣本B在黏著態(tài)下的ΔStacky相比于干燥條件的ΔSdry增長百分比最大，約為130%.

根據(jù)上述試驗結(jié)果，可以計算得到樣本A、B和C的Δμ%分別為15%、70%和28%以及ΔS%分別為20%、130%和40%. 為了分析Δμ%與ΔS%相關性，繪制了Δμ%與ΔS%散點圖，如圖8所示. 由圖8可以看出，Δμ%隨ΔS%的增大而增大，通過線性擬合發(fā)現(xiàn)Δμ%與ΔS%呈現(xiàn)出較好的線性相關性，其中相關系數(shù)R2為0.99. 該結(jié)果表明，摩擦系數(shù)在位移上的滯后特性與摩擦峰的增長呈線性相關.

Fig. 6 Evolution of friction coefficient during the wetting transition between PDMS hemisphere and glass slide samples:(a) sample A; (b) sample B; (c) sample C; (d) measurement results of the relative percentage increase of friction peak of the three glass slide samples圖 6 PDMS半球與3種載玻片樣本接觸界面潤濕轉(zhuǎn)變過程中摩擦系數(shù)的演變過程：(a) 樣本A；(b) 樣本B；(c) 樣本C；(d) 3種載玻片樣本中摩擦峰的相對增長百分比的測量結(jié)果

Fig. 7 Evolution of friction coefficient with displacement under dry and tacky conditions: (a) sample A; (b) sample B;(c) sample C; (d) measurement results of lag displacement of the three slide samples under dry and tacky conditions圖 7 干燥和黏著態(tài)條件下摩擦系數(shù)隨位移的演變規(guī)律：(a) 樣本A；(b) 樣本B；(c) 樣本C；(d) 3種載玻片樣本在干燥和黏著態(tài)條件下滯后位移的測量結(jié)果

Fig. 8 Linear correlation between the increase percentages of friction coefficient (Δμ%) and lag displacement (ΔS%)圖 8 摩擦系數(shù)增長百分比(Δμ%)與滯后位移增長百分比(ΔS%)之間的線性相關性

2.3 摩擦峰與表面粗糙度和潤濕性的關聯(lián)性分析

橡膠摩擦在位移上的滯后特性，從根本上講，與接觸面的表面特性(如黏附能、表面自由能、潤濕性及表面粗糙度等)有關[7,27]. Gao等[9]通過靜態(tài)接觸試驗發(fā)現(xiàn)潤濕轉(zhuǎn)變過程中法向載荷先減小后增大，并指出接觸界面毛細黏附作用對摩擦峰的出現(xiàn)具有重要影響.通過分析接觸區(qū)域水膜占比與摩擦系數(shù)的關系，Gao等[10]指出黏著過渡期間接觸區(qū)高剪切強度水膜是摩擦系數(shù)增長的主要原因. 并且通過計算接觸區(qū)域離散液膜的厚度分布，在之前發(fā)表的文章中作者提出黏著態(tài)摩擦的增長與接觸區(qū)域內(nèi)離散分布的液橋有關[12].根據(jù)樣本A、B和C的潤濕接觸角和表面粗糙度以及摩擦試驗結(jié)果，推測樣本B與PDMS半球之間的表面微凸體在黏著狀態(tài)下更容易形成微液橋，其在滑動過程中的剪切阻力是摩擦增加的重要因素. 圖9所示為黏著狀態(tài)下樣本A、B和C接觸區(qū)殘余水滴的分布示意圖. 從圖9中可以看出，對于Ra相近的樣本A和B，由于樣本A的潤濕接觸角較小，所以，相同體積的水滴在樣本A表面的高度更低，更不利于接觸區(qū)域內(nèi)微液橋的形成. 對于均為疏水表面且潤濕接觸角相近的樣本B和C，Ra更小的樣本C (約為樣本B的1/4)在潤濕轉(zhuǎn)變中卻出現(xiàn)了Δμ%更小的現(xiàn)象. 這一試驗結(jié)果與現(xiàn)實生活中的現(xiàn)象相反，比如粗糙度的引入會使黏附降低.猜想這是因為，相比于樣本B，樣本C表面的粗糙度更小，所以與PDMS半球的真實接觸區(qū)域占比更大，從而更有利于接觸區(qū)域內(nèi)水膜的排出，使得黏著態(tài)下樣本C接觸區(qū)域殘余的液滴更少，導致毛細黏附力降低，從而削弱摩擦的增長. 對于光滑的疏水表面，微米級粗糙度的引入可能對黏著態(tài)摩擦峰具有促進作用. 滑動過程中界面的去濕行為、微液橋數(shù)量和形狀等都可能對摩擦峰產(chǎn)生影響，具體的作用機理還需要作進一步的研究與探討.

3 結(jié)論

a. 表面粗糙度相近時，表面潤濕性較強的表面與PDMS半球的干摩擦較大；表面潤濕性相近時，表面粗糙度較低的表面與PDMS半球的干摩擦較大.

b. 黏彈性體接觸界面由濕到干過程中，總是觀察到1個高于干摩擦系數(shù)的潤濕狀態(tài)，稱為黏著態(tài). 潤濕轉(zhuǎn)變過程中，摩擦系數(shù)先基本不變，然后減小到1個極小值后開始增大，增大到某個最大值后，然后減小最終趨于穩(wěn)定. 相比于干燥條件，黏著態(tài)下的PDMS半球的滯后位移增大. Δμ%與ΔS%之間存在較好的線性關系，Δμ%隨著ΔS%的增大而增大.

c. 不同載玻片表面的潤濕性和粗糙度都會影響摩擦峰的增長幅度. 而表面的潤濕性和粗糙度關系到接觸表面之間液橋的數(shù)量和形狀，從而影響?zhàn)ぶ鴳B(tài)下摩擦峰的增長幅度. 載玻片表面粗糙度相近時，較親水的表面更不利于微凸體之間液橋的形成，從而削弱摩擦峰的增長幅度；載玻片表面疏水性相近時，微米級粗糙度的引入可以促進摩擦峰的增長幅度.

Fig. 9 Distribution illustration of residual water droplets in the contact region under tacky regime: (a) sample A;(b) sample B; (c) sample C圖 9 黏著狀態(tài)下接觸區(qū)殘余水滴的分布示意圖：(a) 樣本A；(b) 樣本B；(c) 樣本C