水润滑条件下聚甲基丙烯酸甲酯／有机改性蒙脱土复合材料摩擦磨损性能研究.pdf

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1、2 0 0 7年 9月 第3 2卷 第 9期 润滑与密封 LUBRI CAT I ON ENGI NEERI NG S e p 2 0 0 7 Vo I 3 2 No 9 水润滑条件下聚 甲基丙烯酸 甲酯 有机 改性蒙脱 土复合材料摩擦磨损性 能研究 杨瑞成 陈奎 张天云 ( 1 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建 国家重点实验室甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 兰州城市学院物理 与工程技术学院甘肃兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘要 ：采用 2种有机改性蒙脱土 ( O M MT ，T J - 2型和 K H V 6型) ，研究了乳液插层法制备的 2种聚 甲基丙烯 酸甲酯 (

2、P MM A) O M M T复合材料在水介质作用下 的摩擦磨损性能 ，并用扫描电子显微镜观察分析了复合 材料 的磨损表面。结 果表明：2种 P M MA O M M T复合材料的摩擦因数和磨损率都随 O MM T含量的增加先减小后增加。当 O M MT质量分数为 5 时 ，2种复合材料 的磨损率最小 ，约为 P MM A的5 5 ，当 O M MT质量分数为 4 时，2种复合材料的摩擦 因数最小 ， 约为 P MM A的6 8 。此外 ，2种复合材料的磨损机制也基本相同 ，随着 O MM T含量的增 加，主要磨损形式依次是粘着 磨损 、磨粒磨损和疲劳磨损与磨粒磨损的混合磨损形式。 关键词：聚

3、甲基丙烯酸 甲酯 ；蒙脱土；复合材料 ；摩擦磨损性能 中图分类号 ：T H1 1 7 1 文献标识码 ：A文章编号 ： 0 2 5 4 0 1 5 0 ( 2 0 0 7 )9 0 3 2 3 F r i c t i o n a n d W e a r Be h a v i o r 0 f Po l y( me t h y l me t h a c r y l a t e ) M o n t m o r i l l o ni t e Co mpo s i t e s u nd e r W a t e r Lub r i c a t i o n Yan g Ru i c h e n g Ch e

4、 n Ku i _ Zh a n g Ti an y u n ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G a n s u A d v a n c e d N o n f e o u s Me t a l M a t e r i a l s ， La n z ho u Uni v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， La n z h o u Ga n s u 73 0 05 0， Chi n a； 2 L a n z h o u C i t y U n i v e r s i t y ， C o l l e g e

5、 o f P h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g T e c h n o l o gy， Lan z h o u G a n s u 7 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： Wi t h t w o k i n d s o f o r g a n i c a l l y m o d i f i e d m o n t mo r i l l o n i t e( OMMT)， T J - 2 t y p e a n d K H V 6 t y p e ， t w o k i n d s o f p o l

6、 y ( me t h y l me t h a c r y l a t e)( P MMA) OMMT c o mp o s i t e s w e r e p r e p a r e d b y e mu l s i o n i n t e r c a l a t i o n p o l y me ri z a t i o n， t h e i r f r i c t i o n a n d we a r b e h a v i o r ， s l i d i n g a g a i n s t GCr l 5 s t e e l u nd e r 1 5 0 N a nd wa t e

7、r l u br i c a t i o n c o n d i t i o n s wa s e x a mi n e d o n M一 2 0 0 0 t e x t r i g i n a rin g o n b l o c k c o n fi g u r a t i o n Th e wo r l l s u r f a c e s o f t h e c o mp o s i t e s we r e e x a mi n e d b y me a n s o f s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y T h e r

8、e s u l t s s h o w t h a t ， wi t h t h e i n c r e a s i n g o f OMMT c o n t e n t ， t h e f r i c t i o n c o e f fic i e n t a n d we a r r a t e o f t wo k i n d s o f c o mp o s i t e s， PMMA0MMT1 a n d PMMA 0MM3 “ 2 b o t h d e c r e a s e fi r s t ， t h e n i n c r e a s e W h e n c o n t a

9、 i n i n g 5 0MMT， we a r r a t e s o f t wo k i n d s o f c o mp o s i t e s are a b o u t 5 5 p e r c e n t t o P MMA Wh e n c o n t a i n i n g 4OMMT f r i c t i o n c o e ffi c i e n t s o f t wo k i n d s o f c o mp o s i t e s a r e a b o u t 6 8 p e r c e n t t o PMMA Be s i d e s， t h e we a

10、 r me c h a n i s ms o f t wo k i n d s o f c o mp o s i t e s are s i mi l arl y W i t h t h e i n c r e a s i n g o f OMMT c o n t e n t ， c o mp o s i t e s i s d o mi n a t e d b y a b r a s i v e we a r fi rst ， t he n a b r a s i v e we ar ， wh i l e t h e c o n t e n t o f OMMT i s u p t o 7

11、t h e c o mp o s i t e s i S d o mi n a t e d b y f a t i g ue we ar a n d ab r a s i v e we a r K e y w o r d s ： p o l y ( me t h y l me t h a c r y l a t e ) ； mo n t mo r i l l o n i t e ； c o m p o s i t e s ； f ri c t i o n a n d w e ar b e h a v i o r 由于片层内强化学键结合 、层问弱分子键结合 ，典 型的层状硅酸盐蒙脱土在外界作用下

12、很容易解离成 厚度为 l B i n 的单片层结构，分散于聚合物基体中，从而 形成聚合物基蒙脱土纳米复合材料。此复合材料兼有 无机物的刚度和强度、尺寸稳定性 、 热稳定性和有机聚 合物的塑性、可加工性、介电性能等优点，是国际上近 基金项 目：甘肃省自然科学基金资助项 目( Z S O 2 1 一 A 2 5 - 0 2 8 C ) 收稿 日期：2 0 0 7 0 41 0联系人：陈奎 ，E m a i l ：c h e n k u i4 0 5 l 2 6 c o rn 作者简介：杨瑞成 ( 1 9 4 6 一 ) ，男 ，教授 ，博士生导师，目前主 要从事新材料开发 年来材料科学领域研究的热

13、点之一 j 。 聚甲基丙烯酸 甲酯 ( P M M A)是一种兼有极好光 学性能和较好力学性能的塑料 ，然而表面硬度不够 高，不耐刮伤，耐磨性差 ，在使用过程中表面易被擦 伤 ，已 极 大 地 限 制 了 其 应 用 范 围 。 S u p r a k a s 等 认为，聚合物受限于蒙脱土片层结构 中，有可 能表现 出特殊的摩擦磨损特性。文献 1 0 研究表 明 ：干摩擦条件下 ，采用乳液插层法制备的片状分散 型聚甲基丙烯 酸甲酯 蒙脱土复合材料可显著降低 P MM A的磨损率。本文作者在此基础上，针对 2种商 用有机改性蒙脱土 ( O M M T ) ，进行水介质条件下的 维普资讯 http

14、:/ 2 0 0 7年第 9期 杨瑞成等：水润滑条件下聚甲基丙烯酸甲酯 有机改性蒙脱土复合材料摩擦磨损性能研究 3 3 摩擦磨损 性能 研究 ，为进一 步 开发 P M MA提供 理论 指导与试 验依据。 1 实验部 分 1 1 原料及试样制备 所用 甲基丙烯 酸 甲酯( M MA，分 析纯 ) 由天 津 市化学试剂 一厂 生 产 ；T J 一 2型 ( O MM T 1 ) 和 K H V 6 型 ( O M M T 2 )O MM T由中科院化学所提供。其余原 料均 为分析纯 ，市售 。 P M MA与 P M MA O M MT复合材 料 的制备 及成 型 工艺参见文献 1 0 。 1

15、2性 能 测 试 摩擦 磨损 性 能评 价在 M 一 2 0 0 0型试 验机 上进 行 ， 偶件材料为 G C r l 5轴承钢环，其外径尺寸为 4 0 l n l ， 试样尺寸 为 3 0 m i l l 6 m i l l 7 m i l l 。试验 条件 ：水 润 滑( 以 5 0 0 m L h的速 度滴 加 蒸 馏水 ) ，室 温 ，摩 擦 副滑动速度 为 0 4 3 m s ，接触载荷 为 1 5 0 N，摩擦周 期为 3 0 m i n 。试验前 ，试样和试环 均经 9 O O 水砂纸 打 磨和丙酮 清洗 ，样 品表 面 的平 均粗 糙度 为 R 。 0 1 0 0 1 8 m

16、 。摩擦力矩 由数据采集系统记录 ，并换算成摩 擦因数 。用精度为 0 0 1 m m的读数显微镜测 量试 样磨 痕宽度，并换算成磨损率。平行试样 5个，取最接近 的3 次磨损率数据平均值作为试验结果。布氏硬度测 定在 H B R V U 一 1 8 7 5型布洛维光学硬度计上进行 ，试验 载荷为 6 1 3 N，钢球直径为 2 5 m i l l ，物镜放大倍数 为 5 ，取5次试验的平均值作为测试结果。通过J S M一 5 6 0 0 扫描电子显微镜 ( S E M)观察试样磨损表面形貌。 2结果与分析 2 1 硬 度 O MMT添 加 量 对 P M M A O MM T复 合 材 料

17、表 面 硬 度 的影 响 如 图 1所 示 。 可 以看 出，2种 复 合 材 料 寻 的硬度 都 随 O MM T含量 的 釜 增加 先 缓 慢 上 升 后 下 降 ， 当 O M MT质 量 分 数 达 5 - A - PM M A O M M T2 c om pos i t e s 口 _ PM M A O M M TI com pos i t e s 时 ，2种 复 合 材 料 的 硬 度 达 曼 过 5 后 ， 硬 度 迅 速 下 降 。 主 2 2 摩擦磨损性能 关系曲 线 图 2 是 2种 P M MA F i g 1 V a r i a t i 0 n 0 f h a r d

18、n e s s O MM T复 合 材 料 摩擦 因 数 o f t w o k i n d s o f c o m 和磨损率随 O M MT含量变p o s i t e s w i t h c o n t e n t o f 化的关 系曲线。可以看 出 ， O M M T 随 O MM T含 量 的增 加 ，2种 P M MA O MM T复 合材 料 的摩擦因数和磨损率都先下降，后上升。当 O MM T质 量分数 达 4 时 ，P M MA O MM T 1 和 P MM A O M M T 2复 合材料 的摩擦 因数 由 0 1 6 3 3 ( 纯 P MM A) 分别 下降到 0 1

19、0 9 2和 0 1 1 1 8 ，即为纯 P M MA的 6 7 和 6 8 5 ； O M M T质 量分 数为 5 时 ，P M M A O MM T 1和 P M M A O M M T 2的磨 损 率 由 8 2 1 51 0。 m i l l ( N I n ) ( 纯 P MM A) 分 别 下 降 到 4 6 4 0l 0 m i l l ( N I n ) 和 4 3 0 0l 0 m i l l ( N I n ) ， 即为 纯 P M MA的 5 6 和 WoMMT f a) Fr i c t i o n c o e f f i c i e nt -A - - PM M

20、A OM M T2 c om pos i t e s 一口 一 PM M A O M M TI c om pos i t es W oMMT (b) We a r r a t e 图2 2 种 P M M A O M M T复合材料摩擦因数和 磨损率随 O M M T含量变化的关系曲线 F i g 2 Va ria t i o n o f f ric t i o n c o e f f i c i e n t an d we a r ma s s l o s s r a t e wi t h c o n t e n t o f OMM T 2 3 磨损机制 一 ( b)P MMA 5 OMMT

21、I c o mp o s i t e s 一 一 f C) P MMA 5 OMMT2 c o mp o s i t e s( d)P MMA 7 OMMTI c o mp o s i t e s 一 ( e ) PMMA 7 OMMT2 c o mp o s i t e s 图3 P M M A及P M M A O M M T复合材料磨损表面形貌 S E M照片 Fi g 3 S EM mo r p h o l o g y o f PMMA a n d i t s c o mp o s i t e s wi t h d i f f e r e n t c o n t e n t o f 0M

22、MA 0 ff 8 7 6 5 4 3 2 l 0 。 l J J 。 ： 。 l J 维普资讯 http:/ 润滑与密封 第 3 2卷 图 3给 出 了水 润 滑 条 件 下 ，P MM A 及 P MM A O MM T复合材料磨损形貌的 S E M照片。可 以看出， 水介质存在的条件下，P M MA的磨损表面出现明显粘 着剥落，表现为粘着磨损形式 ( 见图3( a ) ) ；2种复 合材料的磨损表面形貌基本一致，P M M A 5 O M MT 复合材料的磨损表面只存在浅而且窄的犁沟 ，表现 为轻微的磨粒 磨损特征( 见 图 3 ( b )和( c ) ) ； P MM A 7 O M

23、MT复合材料的磨损表面不仅出现粗重 的犁沟，而且有明显的疲劳裂纹，表现为疲劳磨损和 磨粒磨损的混合形式 ( 见图 3( d )和 ( e ) ) 。 综合图 1 3的结果可以看出，由于 P M MA的硬 度和剪切强度 比硬化状 态的 G C r l 5轴承钢 ( H R C 6 3 6 5 )低得多 ，摩擦过程 中磨损 主要 发生在 P MMA 本身。尤其在 干摩擦 时 ，摩擦 功转 化 为摩擦 热 ， 使 P MM A摩擦表面发生局部熔融，形成熔融状态下 剧烈的粘着磨损 。而在本试验 的水润滑条件下， 水起到了冷却作用，降低了摩擦面温度 ，从而减少了 由于材料受热软化引起的磨损。因此，P M

24、M A在水环 境中具有良好的耐磨作用 ( 比干摩擦的磨损率降低 2 个数量级) ，但此时的粘着脱落仍然很明显。与干摩 擦 时效 果 一 样 ，少 量 刚度 和 强 度 很 高 的无 机 物 O M MT片层的加入 ，可以提高 P MM A的硬度 ，使磨 损率降低。但是当填充量过多时，O M MT聚集倾向增 大，分散度变差 ，这会导致 O MM T与 P M MA基体 的 界面强度变差 ，复合材料硬度下降。在接触应力作用 下，出现裂纹和碎块，磨损方式由磨粒磨损转变为疲 劳磨损和磨粒磨损的混合形式 ，磨损率增大。 3结论 ( 1 )水介质作用下，随T J _ 2型和 K H V 6型 O M M

25、T 含量 的增 加 ，2种 P MM A O MM T复 合材 料 的摩 擦 因 数和磨损率都先下降 ，后上升。当 O MM T质量分数 达 4 时 ，P M MA O MM T复合材料的摩擦 因数约 为纯 P M MA的 6 8 ；O MM T质量分数 为 5 时，P M MA O M MT复合材料的磨损率约为纯 P MM A的5 5 。 ( 2 )水环境对 P MM A具有 良好的冷却和润滑作 用，在水介质 中，随 O M M T填 充 量 的增 加( 0 7 ) ，P MM A O MM T复合材料的主要磨损形式依次+ 是粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损与磨粒磨损的混合 形 式 ，少 量 O

26、 MM T的加 入 ，可 以有效 地 减轻 P M M A 的粘着磨损 ，提高耐磨性 ，但过量填充会引发疲劳磨 损 ，降低耐磨性。 参考文献 【 1 】陈奎，杨瑞成，冯辉霞蒙脱土的晶体结构及其同晶置换 J 材料科学与工艺 ， 2 0 0 6 ，1 4( 3 ) ： 2 9 0 2 9 2 Ch e n Kui ，Ya n g Ru i c h e n g，Fe n g Hu i x i a Th e r e l a t i o n s h i p o f v e n c e e l e c t r o n s t r u c t u r e a n d mu l t i p l e i s o

27、 mo r p h o u s r e p l a c e me n t o f mo n t mo r i l l o n i t e f J 1 Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 6，1 4 ( 3 ) ： 2 9 02 9 2 【 2 】陈光明，李强，漆宗能，等聚合物 层状硅酸盐纳米复 合材料研究进展 J 高分子通报，1 9 9 9( 4 ) ：1 1 0 C h e n G u a n g m i n g ， L i Q i a n g ， Q i Z o n g n e n g ， e t

28、 a 1 A d v a n c e i n p o l y m e r l a y e r e d s i l i c a t e n a n o c o m p o s i t e s J P o l y m e r B u l h t i n，1 9 9 9 ( 4) ：11 0 【 3 】E P G i a n n e l i s ，R K r i s h n a m o o r t i ，E M a n i a s P o l y m e r s i l i c a n a no c o mpo s i t e s：mo d e l e d s y s t e ms f o r c

29、o n fi n e d p o l y me r s a n d p o l y m e r b rus h e s J A d v a n c e s i n P o l y m e r S c i e n c e ，1 9 9 9 ， 1 3 8：1 0 71 4 7 【 4 】P C L e b a r o n ， Z Wa n g ， T J P i n n a v a i a P o l y m e r l a y e r e d s i l i c a t e n a n o e o m pos i t e s J A p p l i e d C l a y S c i e n

30、c e ， 1 9 9 9 ，1 5 ： 1 1 1 9 【 5 】R A V a i a ， G P r i c e ， P N R u c h ， e t a1 P o l y m e r l a y e r e d s i l i c a t e n a n o c o m p o s i t e s a s h i g h p e rf o r m a n c e a b l a t i v e m a t e r i a l s J Ap p l i e d Cl a y S c i e n c e，1 9 9 9，1 5：6 79 2 【 6 】H i s h a m E s s

31、a w y ， A h m e d B a d r a n ， A h m e d Y o u s s e f ， e t a 1 S y n t h e s i s o f p o l y ( me t h y l me t h a e r y l a t e )mo n t mo fi l l o n i t e n ano c o mp o s i t e s v i a i n s i t u i n t e r c a l a t i v e s u s p e n s i o n a n d e mu l s i o n pol y m e ri z a t i o n J P o

32、 l y m e r B u l l e t i n ， 2 0 0 4 ， 5 3 ： 9 1 7 【 7 】Z o u G a n g ， F a n g K u n ，H e P i n g s h e n g S t u d y o n b u l k i n t e r c a l a t i o n pol y me riz a t i o n o f P MMAmo n t mo r i l l o n i t e i n t e r c a l a t e d n a n o c o m pos i t e b y d y n a m i c t o rs i o n a l

33、v i b r a t i o n m e t h o d J J o u r n al o f Ma t e ri als S c i e n c e L e t t e rs，2 0 0 2 ，2 1 ： 7 6 17 6 3 【 8 】P a n c h a t a p a J a s h ，C h a r l e s A Wi l k i e E ff e c t s o f s u r f a e t a n t s o n t h e the rm a l a n d fi r e p r o p e r t i e s o f pol y ( me thy l me t h a

34、e r y l a t e ) c l a y n a n o c o m pos i t e s J P o l y m e r D e g r a d a t i o n a n d St a b i l i t y，2 0 05，8 8：4 014 0 6 【 9 】Z h a n g We i a n ，S h e n X i a o f e n g ，L i Y u a ，e t a 1 S y n t h e s i s a n d c h a r a c t e ri z a t i o n o f p o l y ( m e t h y l me t h a e r y l a

35、 t e ) O MMT n a n o c o m p o s i t e s b y 7 - r a y i r r a d i a t i o n pol y m e ri z a t i o n J R a d i a t i o n Ph y s i c s a n d Che mi s t r y，2 0 03，6 7：6 516 5 6 【 1 0 】陈奎，杨瑞成，张天云P M M A 纳米 O MM T复合材料的 制备及其摩擦磨损性能研究 J 摩擦学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 2)：1 8 71 9 1 Ch e rt Ku l ，Ya n g Ru i c h

36、e n g，Zh a ng Ti a n y u n Pr e p a r a t i o n a n d ff i c t i o n a n d w e a r b e h a v i o r o f P MM A O MM T c o m p o s i t e s J T fi b o l o g y ，2 0 0 7， 2 7 ( 2) ：1 8 71 9 1 【 1 1 】S u p r a k a s S i n h a R a y ， M a s a m i O k a m o t o P o l y m e r l a y e r e d s i l i c a t e n a n o c o mpo s i t e s ：a r e v i e w f r o m p r e p a r a t i o n t o p r o c e s s i n g J P r o g P o l y m S e i ， 2 0 0 3 ， 2 8 ： 1 5 3 91 6 4 1 维普资讯 http:/