1. 塑料工业 第３５卷增刊
ＣＨＩＮＡ ＰＩ。ＡＳｎＣＳ ＩＮＤＵＳｒＲＹ ２０∞年６月
钛酸钾品须填充ＵＨＭＷＰＥ复合材料的
摩擦磨损性能研究
叶素娟。禹权，黄承亚
（华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州５１０６４０）
摘要：用钛酸钾晶须（Ｐ１ｗ）对超高摩尔质量聚乙烯（１ＪＨＭｗＰＥ）进行填充改性，考察了复合材料的摩擦磨损性
能，研究了其结晶情况，观察了磨损表面形貌并分析了其机理。结果表明：随着Ｐ１ｗ用量的增加，复合材料的硬度、
结晶度以及维卡软化点都有所增大。Ｐ１ｗ提高了复合材料的耐磨性，但摩擦系数有所上升。Ｐ１ｗ的加入使得ｕＨＭＷ．
ＰＥ的磨损机理从黏着磨损和塑性变形改变成疲劳磨损和轻微的塑性变形，提高了其抗磨粒磨损的性能。
关键词：超高摩尔质量聚乙烯；钛酸钾晶须；结晶；摩擦磨损
Ｓｔｕｄｖ ｏｎ ｌＨｃｔｉｏｎ ａｎｄ、Ｖｅａｒ Ｂｅｌｌａ订ｏｒ ０ｆ Ｉ】Ｉ］ｍＩ、：ＶＰＥ
Ｆｉｌｌｅｄ谢ｔｈ Ｐｏｔａ鹤ｉ咖Ｔｉｔａ衄ｔｅ Ｗｂｉｓｋｅｒｓ
ＹＥ Ｓｕ．ｊｕａｎ，ＹＵ Ｑｕａｎ，ＨＵＡＮｅ Ｃｈｅｎ争ｙａ
（ＩＩｌｓｔｉｔｕｌｅ ０ｆ Ｍ蹴ｒｉａｌｓ Ｓｃｉ．＆Ｅｎｇ．，融ｌｍ ｃ｝ｌｉ衄ｕＩＩｉｖｅｆｓｉｔｙ ０ｆ‰ｈｎｏｌｏ盯，Ｃｕａｎ班跏５１０６４０，ｃｌｌｉ眦）
Ａｂｓ打ａｃｔ：Ｕｌ皿ｈｉ曲ｍｏｌｅｃｕｋｌｒ ｗｅｉ出ｔ ｐｏｌｙｅ出ｙｌｅｎｅ（ＵＨＭＷＰＥ）ｗａｓ ｎ１０ｄｉｆｉｅｄ ｂｙ ｆｉｕｉｎｇ ｗｉｔＩｌ ｐｏｔａｓｓｉ啪ｔｉ—
ｔａＩｌａｔｅ ｗｈｉｓｋｅｒｓ（ＰＴｗ），ｔｈｅ岱ｃｔｉｏｎ ａＩｌｄ ｗｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｄｌｅ ｃｏｎｌｐｏｓｊｔｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｄｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ吐１ｅ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｊｅｄ， 山ｅ ｎ的印ｈ０１０９ｙ ｏｆ ｔｌｌｅ ｗ唧ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｕｒｆ如ｅｓ ｗ鹪ｅ）删ｒＩｅｄ锄ｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈ柚ｉ锄ｏｆ ｔ｝ｌｅ ｗｅａｒ
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ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔ｝ｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎｃ形ａｓｅｄ．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓ觚ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃ伽叩ｏｓ沁坝峙ｉＩＩｌｐｍ、ｒｅｄ，ａｌ廿１０ｕ【ｇｈ山ｅ颤ｃｔｉｏｎ
ｃｏｅ伍ｃｉｅｎｔ ｉＩｌｃｒｅａｓｅｄ．ｎｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ唧ｍａｄｅ ｗｅａｒ卸ｄ凼ｔｉｃ ｄｅ矗姗】ａ＿ｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎｔ０ ｆａｔｉｇｕｅ
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ｗｅａｒ肌ｄ ｌｉｔｄｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏⅡｍｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ脚ｒｏｖｅｄ ｔ｝ｌｅ ｗ曲ｒｅｓｉｓｔａＩｌｃｅ ｏｆ ＵＨＭＷＰＥ．
Ｋｌ蛩啊ｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａ Ｈｉ曲ｎ矗ｅｅｕ】ａｒ习艮ｉ曲ｔ Ｐ耐ｙｅｔｈｙｌｅｎｅ；Ｐｏ仕瞄ｉｕｍ Ｔｉｔａｒｌａｔｅ Ｗｈｉｓｋｅｒｓ；ＣＤ毽仕ｄｌｉｚａｔｉｏｎ；
１Ｍｃｔｉｏｎａｌ Ｗｅａｒ
超高摩尔质量聚乙烯（ｕＨＭｗＰＥ）与普通聚乙烯 膨胀系数与塑料相当，复合增强塑料相容性好，表现
具有相同的分子结构，但ｕＨ嗍却具有塑料和一 出良好的耐磨性和润滑性，Ｐｒｗ不仅强度高，而且
些金属所不及的优异综合性能，如耐低温冲击、耐磨 尺寸细微，在树脂中分散极好，能增强到ｕＨｍ旧Ｅ
损、耐化学腐蚀、自润滑等。因此被广泛地用于纺
织、造纸、农业、化工、矿山及机械等领域。但是由
基体中更细微的角落［２｜。对晶须增强ｕＨ姗复合
材料摩擦磨损性能及其机理的研究目前尚未见有报
于其耐热性差，表面硬度低，抗磨粒磨损性能差，限 道。本文主要是针对六钛酸钾晶须增强ｕＨＭＷＰＥ复
制了在一些场合的应用。因此，近几年来研究人员对
合材料在干摩擦条件下的摩擦学性能进行了较为系统
如何提高Ｉ『Ｈ脚Ｅ的耐磨损性能进行了大量的研究 的研究，并探讨了其磨损机理。
工作…，主要是通过添加不同的有机、无机非金属以
及金属等填料来提高ＵＨ腻的耐磨损性能。添加 １实验部分
１．１原料
碳纤维和玻璃纤维虽然可以提高ｕｍ佩盹的耐磨损
超高摩尔质量聚乙烯（ｕＨＭｗＰＥ）：摩尔质量２．５
性能，但是由于纤维粗大，产生机械强度差的贫纤维
区，存在制品的表面光洁度差，加工时对模具磨损严 ×ｌ驴ｇ／Ｉｌｌｏｌ，北京助剂二厂；六钛酸钾晶须（ｎｗ）：
重等缺点。钛酸钾晶须（ＰＩＴｗ）是一种新型无机纤维 直径Ｏ．５。２肿，长２０～６０肿，上海晶须复合材料
状材料，具有很高的电绝缘性，耐热，隔热性能好， 制造有限公司。
作者简介：叶素娟，１９８１年，硕士研究生，主要从事聚合物复合材料摩擦磨损研究。ｙｅｓｕｊ咖１００＠１６３．ｃｏｍ

2. 第３５卷增刊 叶素娟等：钛酸钾晶须填充Ｉ＿『｜ＩＭｗＰＥ复合材料的摩擦磨损性能研究
１．２样品制备 数有增大的倾向［３｜，硬度的提高，增加了基体抗犁切
将ｕＨＭＷＰＥ、田ｗ按比例混合、装模、预压、 的能力，阻断了犁沟的连续，减小了犁沟的深度，抑
加热、保温、冷却、保压、出模得成品。 制了犁沟的扩展，使得材料的耐磨粒磨损性能得以大
１．３性能测试 幅度的提高。
邵氏Ｄ硬度：按ＧＢ／Ｔ ２４１１一１９８０测试。 ２．２复合材料的结晶和热性能
维卡软化点：用ｃＥＡＳＴ ＨＤ乃ＶＩＣＡＴ Ｐ／Ｎ 表ｌ ＵＨＭ骊下ｌＥ复合材料的结晶和热性能
６９１１．０００实验仪测试，升温速率１２０℃／ｈ；初始温度
５０℃，最高温度２３０℃，预热时间１２０ ｓ，载荷４９．０５
Ｎ。
ＤＳＣ分析：用德国Ｎ１ＺＳＣＨ公司的２９６０ Ｓ叽
Ｖ３。ｏＦ型热重分析仪测试，升温速率为１０℃／“ｎ，
温度范围２０—２００℃，氮气气氛。
摩擦磨损性能：采用ＭＭ一２００型材料磨损试验
表ｌ是唧填充ＵＨＭＷＰＥ复合材料ＤＳＣ测试结
机，试样尺寸为２０—砌×７—砌×６啪，摩擦环材料为 果。结晶度按下式计算：Ｃ。＝凹。／凹。。（１一ｘ。），
其中，取完美结晶熔融焓值为２８８．４２ Ｊ／一４｜。从表１
４５８钢，整体淬火，ＨＲｃ４０一４５，内径１６ ｎｌｌｌｌ，外径
４０舢，厚度为１０ ｍｍ；速度０．４２ Ｈ∥ｓ、０．８４ ｍ／ｓ，载
可见，由于Ｐｒｗ的存在，ｕＨ栅的结晶能力大为
改善，这是异相成核作用。当加入ｌ％Ｐ１ｗ时结晶度
荷１００ Ｎ、２００Ｎ，对磨时间６０ ＩＴｌｉｎ；摩擦状况为干摩
开始增加，１０％ｆｒｒｗ时结晶达到最大值，当超过
擦。磨痕宽度作为评定耐磨性的指标，用读数精度为
２０％时结晶度有所下降。这是由于少量的ＰＴｗ存在
０．０１咖的读数仪测量。
用ＮＪＩ广Ｌ型正置式金相显微镜观察ｕＨＭ船Ｅ复 成为晶核［５］。促进结晶，当大量Ｉｙｌｗ存在时由于聚
集，所以导致结晶能力有所下降。结晶度的提高也会
合材料的超薄切片结晶情况。用扫描电子显微镜
提高复合材料的耐热性能，如图２所示，复合材料的
ＪＳＭ一５９１０考察了ｕＨＭＷＰＥ复合材料的磨损表面。
维卡软化点温度随着填料的增加而增大。当添加
２结果与讨论
３０％玎Ⅳ，维卡软化点从８９℃提高到１０７℃，这是
２．１ Ｐ１ｗ用量对复合材料硬度的影响
由两方面共同作用，一是Ｐ１ｗ本身耐热性能较好，
加入到基体中会提高复合材料的耐热性，二是结晶度
提高有利于提高耐热性。
ｐ
《
基
爆
业
璐
图１ Ｐ１ｗ用量对ｌⅡ｛ｍＩ，ＰＷ复合材料硬度的影响
图ｌ是ｍｒ用量对Ｕｍ嗍复合材料硬度的影
响。从图ｌ可看出，ｕＨＭＷＰＥ复合材料的邵氏Ｄ硬 图２ ｍｒ用量对Ｉ『卸册复合材料维卡软化点的影响
度随Ｐ１ｗ用量呈线性增加，在开始时复合材料的硬
度剧增，随着ＰＩＷ用量的增加，增加比较缓慢的。
含１％Ｐ１ｒｗ复合材料的硬度剧增，是由于内部结构发
生变化引起，后面的Ｄｓｃ测试也证实了这一点。而
后面呈线性缓慢的增加是由于填料引起的。
复合材料的硬度在很大程度上影响其摩擦性能，
通常材料越硬就越耐切削磨损。金属在纯粹磨粒磨损
图３ ＩＩＨＭｗＰＥ复合材料结晶偏光显微照片（×４００）
时，磨损量和硬度成反比，材料的柔性增大，摩擦系

3. 塑料工业 ２００ｒ７年
图３是Ｐ１ｗ质量分数为１％的复合材料超薄切片 变小，结果使得复合材料整体结晶度提高，硬度增
的结晶偏光显微照片。从图３可看出，复合材料是异 大，耐热性和耐磨性提高【６｜。
相成核结晶；ｆｒ唧的加入，促进了结晶，使得晶粒 ２．３复合材料的摩擦磨损性能
表２ ｍｒ含量对Ｉ肘ＭｗＰＥ／ＰｒＷ摩擦磨损性能的影响
表２是在不同条件下Ｐ１ｗ用量对ＵＨ㈣复合
材料摩擦系数及磨痕宽度的影响。从表２可知，在不
同载荷和速度情况下，ｕＨＭｗＰＥ复合材料的摩擦系
数随着ＰｒＷ用量的增加而增加。这是因为加入盯Ⅳ
后，随着Ｐ１ｗ用量的增加，复合材料的硬度逐渐增
大，材料抵抗外力的能力提高，唧在基体中分散
形成应力转移层，在一定程度上阻碍了材料的黏塑性
变形，材料在外来负载的压应力作用下变形量减小，
这两点都使得在摩擦过程中复合材料与对磨钢环的实 ａ一纯Ｉ『Ｈ黼
际接触面积变小，因而摩擦系数升高。在相同载荷不
同速度下，高速下的摩擦系数明显高于低速的摩擦系
数。这是因为随着速度的提高，转移膜难以维持动态
平衡，在摩擦面上不利于形成稳定连续的转移膜，而
且转移膜容易破坏，摩擦生热加大，热量不能及时排
除，复合材料形变增大，蠕变加剧，导致ｕＨＭＷＰＥ
复合材料摩擦系数增大，磨损加剧。相同速度下，随
着载荷的增大，ｕＨ删复合材料的摩擦系数增大。 ｃ一１０％ＰＩＷ＋９０％ＵＨＭＷＰＥ ｄ一３０％ＰＩＷ＋７０％ＵＨＭＷｆ．Ｅ
通过相同Ｐｙ值（Ｐ为载荷，ｙ为速度）下的比较得 图４ Ｉ舢ⅥｗＰＥ复合材料磨损表面的ＳＥＭ照片
出，速度对摩擦系数的影响远远超过了裁荷对摩擦系 图４是ｕｍ册Ｅ复合材料磨损表面的ＳＥＭ照片。
数的影响，说明ｕＨｍ卯Ｅ复合材料适宜在高载荷的 从图４可看出，纯ｕＨＭｗＰＥ的磨损表面存在比较明
环境下使用，而并不适合在高速下使用。 显的犁沟和塑性变形，很多片状磨屑，微区开裂，以
从表２还可见，胛ｗ的加入有效的降低了复合 及大片的剥落。当加入１％唧时，发现虽然仍有片
材料的磨痕宽度，提高了复合材料的耐磨性能。在不
状剥落，但是犁沟已经明显变浅，同时磨屑大量减少
同条件复合材料的磨痕宽度在唧质量分数为０．
１０％的时候减少的比较急剧，然后趋于平缓。发现相
且变小。这是由于１％唧加入到ｕＨ概中，结
晶度和硬度都提高，硬度的提高可增强其抵抗颗粒犁
同的尸ｙ值下，载荷对于复合材料磨损的影响远远大
削的能力。随着门Ⅳ的增加，磨损表面已经不存在
于速度的影响。载荷的增加，在摩擦面上金属凸峰与
ｕＨ舰复合材料的接触压应力和剪切力加大，金 犁沟和大片的基体剥落，说明ＰｒＷ的加入明显的改
善了ｕＨＭＷＰＥ的黏着磨损，改变了磨屑的形成机理，
属凸峰深入ｕＨＭｗＰＥ表面，刨削深度增加，引起了 提高了其抗犁削的能力。这是由于唧的加入提高
摩擦面上ｕＨ栅破坏，导致转移膜破碎，磨损量 了复合材料的硬度，具有了一定的承载作用，抑制了
增加。 （下转第３２１页）
２．４复合材料磨损表面的Ｓ聊分析

4. 第３５卷增刊 张玮等：聚丙烯管材专用料ＥＰＩＤ６０Ｐ的开发应用 ・３２１．
外观（２３℃±２ ｑｃ） 管材内外表ｌ面应光滑。平惟，无阳铂。 符材内外表而府光滑。平整．无凹陷。
气泡年Ｉｌ其’宦影响性能的表而缺陷。管 气泡手¨其它影响性能的表向缺陷。管 Ａ媛
“佾
材不应含有ＩＩＪ弛杂质。管材端面应切 材尢【Ｉ『见杂质。管材端叫切割半馅并 ’
割平恪并与轴线垂直 与轴线垂卣。管材为庆色
不透光性（２３℃±２℃） 管材应不透光 管树应不透光 合格
平均外径及偏差（２３℃±２℃）／ｍ・ ２０．Ｏ一２０．３ ２０．０３～２０．０４ 合格
壁厚及偏差（２３℃±２℃）／ｍ ２．８ ２．８～３．０７ 仑格
静液压试验 术破裂，未渗漏 合格
２０℃，１６ ＭＰａ，１ ｈ 无破裂，无渗漏 未破裂，未渗漏 合格
９５℃．４．２ ＭＰａ，２２ ｈ 无破裂，无渗漏 未破裂，未渗漏 合格
９５℃。３．８ ＭＰａ，１６５ ｈ 无破裂，无渗漏 未破裂，未渗漏 合格
９１５℃．３．５ ＭＰａ，１ ０００ ｈ 无破裂，无渗漏
简支粱冲击试验（Ｏ℃±２℃） 破损率＜试样的１０％ 破损Ｏ个 合格
纵向回收率（１３５℃±２℃，
≤２ Ｏ．８４ 合格
６０±２耐ｎ）／％
熔体质量流动速率（２３０℃，２．１６
原料：≤Ｏ．５ 标称值：Ｏ．２５ 合格
ｋｇ）／ｇ‘（１０ＩＩｌｉｎ）。
实测值：２．２８
管材：变化率≤原料的３０％ 合格
变化率：１２％
蚕篓芎景箕ｌ，｝幽压试验，９５℃，１・１１
ＭＰａ．１ ｈ）ｏｏＯ “”“’／ｕ９”
无破裂，无渗漏 无破裂，无渗漏 合格
系统适应性（冷热水循环试验，一个
霉≯磐要导蓥翟，呵；’。薏‘嫩舅无破裂，无渗漏
℃，１５ ＩＩＩｉｎ；２０℃，１５ ＩＴｌｉｎ；试验压力
１．０胁；共循环５ ０００次）
“”４’“∥” 未破裂，未渗漏 合格
瞥穗景婪夸焉蕈壤鸭繁凳定性试验无破裂。无渗漏
（１。９ⅣⅡ）ａ，１１０℃，８ ７６０ ｈ）
“”“’“９” 试验进行８ ７６０ ｈ未见破裂，未渗漏 合格
（上接第３１４页） 干摩擦条件下的磨损机理，随着Ｐ１ｗ的加入，
犁沟的扩展，ｕＨＭｗＰＥ的塑性变形及磨粒的嵌人和 使得ｕＨ删的磨损机理从黏着磨损和塑性变形改
切削作用，从而提高复合材料的耐磨性。 变成疲劳磨损和轻微的塑性变形，提高了其抗磨粒磨
３结论 损的性能。
唧填充ｕＨ嗍，在一定程度上提高了复合 参考文献
材料的硬度，维卡软化点以及结晶度。添加１％Ｐ１ｗ ｌ陈战，王家序，秦大同等．润滑与密封，２００１，（４）：３４
时，异相成核使得结晶度的提高，从而复合材料的硬 ２王大全主编．无机晶须。北京：化学工业出版社，２０Ｑ５
３王承鹤等主编．塑料摩擦学一塑料的摩擦、磨损、润滑理
度提高了６．５，维卡软化温度提高６．３℃。含有３０％
论与实践．北京：机械工业出版社，１９９４
Ｐｒｗ的复合材料的维卡软化温度提高了１８℃。
４刘佑习，郭誉文，杨始望．高分子学报，１ ９９＿５，（２）：１３５
复合材料的摩擦系数随着ｍｒ的增加而增加， ５ Ｋ”Ｔ，Ⅶｄ｝ｌａｒ Ｐ．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐ０１），ＩＩｌ Ｓｃｉ，１９８６，３２（６）：５
磨痕宽度随着Ｉｙｌｗ增加而减少。当Ｐｒｗ质量分数为 ６ Ｓｏｎｇ Ｊ，ＥｋｎｓｔｅｉｎＧＷ．强ｅｄｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｒ ｏｆｓ越ｒｅｉｒｍｃｅｄｔｈｅｒ．
１０％时，摩擦系数增加不是很大的同时磨损已经降得 啪ｐｌ蹈６ｃｓ，ｉｎ：蹦ｅ商ｃｈ Ｋ（Ｅｄ），Ａｄ删ｓ ｊｎ伽ｐｏｓｊｔｅ％Ｍ－
比较低。 ｏ舒．Ａ栅；ｔｅＩｄ锄：Ⅱｓｅ、，ｉｅｒ，１９９３．１９