橡胶摩擦磨损特性的研究进展

第18卷第5期2002年9月

高分子材料科学与工程

POLYMER MATERIALS S IEN E AND EN INEERIN

VO1. 18 NO . 5Sept . 2002

橡胶摩擦磨损特性的研究进展

吕仁国 李同生 刘旭军

(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室 甘肃兰州 0000)

摘要2综述了近年来橡胶材料摩擦学的研究进展 论述了橡胶摩擦磨损的特点 讨论了影响橡胶摩擦学性能的各种因素 诸如物理力学性能\温度\溶胀\改性等O 并针对橡胶摩擦磨损的研究现状及其发展前景 提出了今后值得重视的研究发展方向O 关键词2橡胶9摩擦磨损9影响因素中图分类号2O 6 1. 2+1

文献标识码2A

文章编号21000- 555(2002) 05-0012-04

橡胶是非常重要且用量很大的工业材料之一 据不完全统计 2000年我国橡胶总消耗量将达220万吨 摩擦学性能是橡胶制品的一项

非常重要的指标 例如橡胶轮胎的耐磨性能\刹车性能和行车效率\密封件的耐磨性等[1]O 提高橡胶制品的耐磨性和使用寿命 可以在节约能源\材料\润滑剂等方面带来相当可观的经济效益和社会效益O 因此 许多学者对此产生兴趣[2] 橡胶摩擦磨损研究成为当今材料摩擦学研究的热点之一O

本文概括了近年来国内外橡胶摩擦磨损的研究进展 重点对橡胶摩擦磨损的特点和影响因素进行论述 并提出今后值得重视的研究发展方向O 1

橡胶摩擦的特点

橡胶是一种弹性模量很低\粘弹性很高的材料 因此橡胶的摩擦具有不同于金属和一般聚合物的特征O 橡胶与刚性表面在滑动接触界面上的相互作用力包括粘着和滞后两项 而其摩擦力也正是由这两部分组成[ ]2

F =F a +F h (1)

式中 F a 粘着摩擦力9F h 滞后摩擦力O

粘着摩擦起因于橡胶与对偶面之间粘着的不断形成和破坏[4] 滞后摩擦则是由表面微凸体使滑动橡胶块产生周期性变形过程中能量的

收稿日期22000-10-189修订日期22001-02-20

作者简介2吕仁国 男 24岁 硕士生.

耗散引起的[5]O

当橡胶在坚硬光滑的表面上滑动时 摩擦力主要表现为粘着摩擦 根据弹性体摩擦的粘着理论 可以得出粘着摩擦力F a 为[6]2F a =K 1S(E//p) tan ? (7

润滑剂的存在可以阻止橡胶与对偶间的直接接触 使粘着摩擦成分大大降低 滞后摩擦起主要作用O 根据弹性体滞后摩擦的松弛理论 可得出滞后摩擦力为[6]2

F h =K 2(p/E/) tan ? (n }1) ( ) 式中 K 2为与几何形状因子有关的常数O 滞后摩擦力也与tan ? 成正比 所不同的是 滞后摩擦力与变形程度因子(p /E /) n 成正比O 由此 橡胶的摩擦力可表示为2

F =[K1S(E//p) +K 2(p/E/) n ]tan?(4) 2

橡胶磨损的特点

金属和塑料磨损表面的特征是磨痕与摩擦方向平行 而橡胶磨损表面的磨痕却垂直于摩擦方向 并且 磨痕在橡胶表面形成山脊状突

7n 7

第5期吕仁国等, 橡胶摩擦磨损特性的研究进展

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起 突起之间间距相等 高度相同 形成所谓的磨损斑纹[7],

磨损斑纹的形成和相关磨损过程的研究 最初是通过针模型和刀片模型来实现的, 在通过针或刀片施加的法向力和切向力的重复作用下 橡胶磨损表现为表面周期性撕裂导致舌状物生成和拉伸应力导致舌状物根部断裂两个过程 从而使橡胶表面逐渐磨损并形成顶部尖锐的山脊状磨损斑纹,

液中为氧化降解; 聚氨酯(PU D 则4种作用共存, 33. 1

影响橡胶摩擦磨损性能的因素橡胶的物理力学性能

由于高弹性~低模量的特点 橡胶的摩擦磨损性能受自身物理力学性能的影响较大, 橡胶的硬度较小 与刚性物体接触时 真实接触面积较大 而真实接触面积的大小是决定摩擦的重早期的研究人员认为磨损斑纹的形成只是起因于一种简单机械作用的裂纹生长过程[8], 但是 Fukahori 和Yamazaki [9 1O]的研究表明 粘滑振动和微振是产生周期性磨损斑纹的驱动力, 微振使微观斑纹萌生 而粘滑振动使斑纹间距扩展 初始阶段的斑纹间距等于平均滑动速度与橡胶固有频率之比 而最终斑纹间距等于平均滑动速度与粘滑运动频率之比, 并且粘滑振动和微振所形成磨屑的尺寸不同, 微振产生1O ~m量级的磨屑 而粘滑振动产生几百~m的磨屑,

当侵蚀磨损发生时 对于非填充的弹性体 3O 冲击角的抗侵蚀性能最大 是法向冲击下的1O 倍 此时可在高回弹性橡胶表面观察到垂直于冲蚀方向的山脊状突纹[11], 不同橡胶的侵蚀率差别很大 这种差别与橡胶的回弹性密切相关 回弹性越高 抗磨粒侵蚀性越好, Arnold 等[12]认为 低冲击角下的侵蚀磨损机理与磨粒磨损非常相似 在侵蚀的初始阶段 也会在磨损表面形成一系列与冲击方向垂直的磨损斑纹, 高冲击角下粒子冲击所引起的表面张应力导致摩擦力增大 促使表面裂纹不断扩展~相交 加速材料的移去,

橡胶在侵蚀磨损过程中 因机械作用产生的表面力化学效应 主要有以下四种, 分子链断裂~氧化降解~水解~热降解, 何仁洋[13 14]用X 射线光电子能谱(XPS D 和傅立叶表面红外分析(FT -lR D 方法 对橡胶磨粒侵蚀过程中的表面力化学效应进行了详细的研究 认为天然橡胶(NR D 在含石英砂的清水~聚丙烯酰胺溶液~氢氧化钠溶液中的表面力化学效应为分子链断裂和氧化降解; 丁腈橡胶(NBR D 主要是分子链断裂~氧化降解和水解; 氟橡胶(FPM D 在清水~聚丙烯酰胺溶液中为分子链断裂 在氢氧化钠溶

要因素 因此 橡胶的硬度对其摩擦性能的影响较大[15],

橡胶的粘弹性参数tan ? 对摩擦力有直接的影响 而橡胶交联度的降低 使tan ? 增大 因此摩擦力增大 摩擦系数和磨损也随之增大[16], 从物理化学的角度来看 交联越弱 磨损率越高 是由于较低程度的交联易被机械应力破坏的缘故, 研究发现[17] 电子束辐照导致乙丙三元橡胶的交联度增加 使得摩擦降低,

橡胶表面自由能的高低决定了橡胶与对偶间相互作用力的大小 进而对橡胶的粘着摩擦产生影响, 一般而言 摩擦系数随表面自由能的增加而增大[18], 3. 2

橡胶的改性

对橡胶进行填充改性时 在改变橡胶的物理力学性能的同时 也改变了橡胶的摩擦学性能, 研究单轴定向聚酰胺纤维增强的氯丁橡胶(SFRR D [19]和芳纶短纤维增强的天然橡胶[2O]时 发现材料的摩擦学行为与滑动方向密切相关 沿垂直于纤维取向方向摩擦时 磨损率最低 沿纤维取向摩擦时 磨损最大, 在抗油性的丁腈橡胶~氯磺化聚乙烯橡胶~氟橡胶中 加入润滑剂(如有机硅油~MoS 2等D 后 发现MoS 2可在橡胶表面形成一润滑层 能降低表面能和滞后效应 进而使摩擦系数显著降低[21],

利用自身离子辅助离子镀 在橡胶表面沉积一层铜~钛~钨~锆等金属 能有效降低橡胶与对偶间的真实接触面积 显著降低摩擦力[22], 氯化也可降低橡胶的摩擦系数及其对滑动速度和温度的依赖性[23], 3. 3

环境温度

橡胶的摩擦与粘弹性参数tan ? 和弹性模量有直接关系(如式4D 弹性模量随温度的升高而降低 tan ? 则随温度的升高先上升后下降

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高分子材料科学与工程

2002年

(极值点温度低于0 )[24] 因此 摩擦系数随温度的升高先上升后下降 极值点与tan 的极值点和弹性模量随温度升高而降低的速率有关

随温度的升高 橡胶的弹性模量下降 磨损斑纹间距增大[25] 高温条件下 由于橡胶老化严重 撕裂强度降低 使得磨损率显著增加 并且磨损率呈周期性大范围变化[26]

. 润滑介质

摩擦的作用 然而 过度溶胀会使橡胶形成较厚改性层 因其与弹性本体的结合性较差 反而会导致摩擦增大 加剧磨损 . 6

其它因素

速度~载荷等因素都会对橡胶的摩擦磨损产生影响[1] 一般而言 橡胶的摩擦系数随载荷和滑动速度的增加而减小 过大的载荷和滑动速度都会引起试样生热和表面的破坏 润滑剂的存在可阻止橡胶与对偶面的直接接触 粘着摩擦明显降低 橡胶磨粒磨损的斑纹间距减小 磨损率也显著降低[27] 但在选用润滑剂时 必须考虑它对橡胶的溶胀作用 以及高温油润滑所导致的橡胶的化学降解或热降解 否则可能会加剧磨损

在水(或水溶液) 润滑条件下 随对偶的不同 水对橡胶和对偶的摩擦磨损性能的影响也不同 当对偶为惰性物质(如玻璃) 时 水层可以起到非常好的润滑作用 摩擦系数随润滑膜膜厚的增加而降低[28] 当对偶较活泼时(如钢) 橡胶几乎无磨损 而对偶的磨损则比干摩擦时大得多[29]

. 溶胀作用

橡胶对有机溶剂及润滑剂的溶胀作用比较敏感 一般情况下 溶胀会破坏橡胶的交联体系 引起橡胶的硬度~撕裂强度等力学性能降低 导致磨损的增大[30] Thavamani 等[25 31]用扫描电子显微镜(SEM ) 研究了硫化天然橡胶~丁苯橡胶~氢化丁腈橡胶在不同条件下的磨损机理 发现当法向载荷较小时 无典型的磨损斑纹出现 但橡胶在甲苯或二甲基甲酰胺中溶胀后 在其磨损表面可以观察到明显的磨损斑纹 这是因为橡胶溶胀后 其抗撕裂性能大大下降 弹性模量明显降低 因而与溶胀前相比 磨损斑纹间距变大

对于一些有活泼官能团的橡胶(如NBR ~~NBR) 可利用其化学活性较高的特点 使之与某种溶剂反应 在橡胶表面形成一层化学反应膜来改善橡胶的摩擦学性能[21] Bielinski [32]利用碘溶液的溶胀作用对丁腈橡胶进行了改性 改性后的NBR 和~NBR的摩擦系数明显降低 XPS 分析表明碘与橡胶表面的氰基结合形成一层薄而硬的改性层 此改性层具有降低

结束语

本文综述了橡胶的摩擦磨损特性及其影响因素 应当指出 在橡胶的实际应用中 往往经受多个因素的同时或交替作用 而各因素之间又可能是相互影响~相互制约~相互转化的 这就更增加了研究工作的难度 橡胶作为一种极其重要的工程材料 必须对其进行更加深入~系统的研究 今后 对橡胶摩擦学的研究 应着重在以下几个方面:

(1) 深入研究橡胶减摩~降磨的作用机理 (2) 研究橡胶与对偶间摩擦物理及摩擦化学效应 以及两种效应之间的关系

(3) 开展橡胶磨损图的研究 确定橡胶材料在各种实际工况中的摩擦磨损机制

(4) 合成具有良好摩擦学性能的新型橡胶 探讨常用橡胶的摩擦学改性方法

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LU Ren -guo , LI Tong -sheng , LIU u -jun

(s tate K e y L a ZoT at oTy of so l zd LuZTzc at zon , L a nzhou 1n t z t u te of Ch e mzc al

, Chzn e , L a nzhou 730000, Chzn a ) hy zc e Ac a d e my of scz e nc e

ABSTRACT :A survey of study on tribology of rubbers was presented . Emphasis has been put on summariZing the characters of friction and wear of rubbers . The discussion of influence factors were carried out , such as mechanical properties of rubbers , temperature , swelling effect , modifi-cation . More over , to counter the current situation and development prospect of the related re-search field , some of the directions in tribology of rubbers were pointed out in the summary . Keywords :rubber ; friction -wear ; influence factors

橡胶摩擦磨损特性的研究进展

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

吕仁国， 李同生， 刘旭军

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000高分子材料科学与工程

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