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專利名稱：：一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法
技術領域：
：本發明屬于高分子材料檢測評價領域，具體涉及一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法。
背景技術：
：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是分子量在100萬400萬甚至更高的聚乙烯，由于其分子鏈長，分子量極高，具有其它樹脂所不具有的一些優異品質，如耐沖擊、耐磨損、自潤滑、耐化學腐蝕、耐低溫等。UHMWPE是目前已發現的耐磨性能最好的塑料，并超過某些金屬材料，所以其板材、管材廣泛應用于石油、煤炭、礦山、冶金、熱電、選礦、糧食加工等行業的長距離輸送。UHMWPE的耐磨性用一般塑料磨耗實驗法難以便捷的測試其耐磨程度。目前，塑料摩擦磨損性能評價主要采用滑動摩擦磨損試驗。D.Dowson等對UHMWPE在干摩擦狀態下與不銹鋼摩擦副的磨損進行研究，在不銹鋼的表面粗糙度為0.050.1[im時，UHMWPE的磨損量最小。Imado等發現在相同條件下，UHMWPE磨損率對負荷敏感性不大，但對滑動過程的敏感性很大。何春霞進行了UHMWPE滑動磨損試驗研究，考察了對磨鋼輪的粗糙度、對磨時間及載荷對磨損量和摩擦系數的影響。結果表明:在相同試驗條件下，UHMWPE與45弁鋼輪對磨時比與SiC盤對磨時的磨損量要小。郭治天等研究發現，干摩擦條件下，不銹鋼表面粗糙度對UHMWPE的摩擦磨損有較大影響。表面粗糙度在0.01^iriKRa0.14^im之間時，磨損率有較小的值。這說明，在實驗所給條件下，存在合適的表面粗糙度范圍，使UHMWPE的磨損率最小，當粗糙度大于或小于這一范圍時，磨損率都增大。陳戰等在實踐中還總結出UHMWPE工程塑料的摩擦磨損性能與其分子量、填料等因素有關，并且受載荷、滑動速度、溫度、濕度等因素的影響UHMWPE的耐磨性隨分子量的增大而提高，當分子量超過106趨于穩定；UHMWPE的摩擦因數隨載荷的增大而降低，磨損量隨載荷的增大而3呈折線增加；UHMWPE的摩擦因數隨滑動速度的增大而呈曲線變化玻璃化溫度以下，UHMWPE的摩擦因數隨溫度的升高而變大；玻璃化溫度以上則變小；相對濕度對UHMWPE的摩擦因數影響很小，摩擦因數隨相對濕度的增大而略有降低。填料能有效地減小UHMWPE的摩擦和磨損。從摩擦磨損機理方面分析，UHMWPE的摩擦磨損性能可通過變形與粘著兩方面來解釋。其中變形包括與發生摩擦的物體在接觸區的完全能量分散以及分子鏈間弱鍵的斷裂，而粘著作用主要取決于聚合物材料的分子相互作用力大小，其中摩擦熱對分子間作用力影響明顯。UHMWPE的熱導率非常低，摩擦界面上的熱量不易導出而引起溫度升高，容易導致分子結構受到破壞。作為摩擦學材料時，材料表面局部溫度的升高，導致材料硬度、剪切強度等機械性能的降低，引起摩擦系數的變化以及磨損量、磨痕寬度的增強。另外，由于粘彈性，UHMWPE作為摩擦學材料的抗蠕變性能差，蠕變與摩擦熱交互作用，摩擦磨損過程存在蠕變-摩擦-磨損-蠕變的復合摩擦磨損過程。目前，滑動摩擦的摩擦磨損機理主要通過磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損以及腐蝕磨損等幾種磨損機理來解釋。通過粗糙表面與UHMWPE進行摩擦磨損，符合UHMWPE應用過程中的摩擦磨損形式與磨損機理。現有的對塑料耐磨性能進行評價的方法一般是采用國家標準"塑料滑動摩擦磨損試驗方法"(GB3960-83)，通過塑料與光滑表面對磨來進行耐磨性能測試，該方法耗時長，且無法評價UHMWPE等高耐磨性塑料的耐磨性能，對不同分子量以及不同品級的UHMWPE耐磨性能也區分不開。
發明內容本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種快速、簡易、合理的測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，該方法是在國家標準"塑料滑動摩擦磨損試驗方法"(GB3960-83)的基礎上，將膠粘有砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度，經樣品與摩擦環對磨，測試超高分子量聚乙烯的質量磨損量與磨痕寬度并計算體積磨損量、摩擦系數，獲得不同分子量、不同品級的超高分子量聚乙烯的耐磨性能。所述的超高分子量聚乙烯的粘均分子量可以為100萬1000萬。所述的試樣包括不同型號的超高分子量聚乙烯板材或管材。所述的試樣為廠家提供的板材、管材的檢驗產品，或為平板硫化機或螺桿擠出機制備的樣品。所述的摩擦環膠粘的砂紙型號為280#~320#。所述的摩擦環以200r/min的轉速對磨2001500r。所述的質量磨損量、磨痕寬度以及體積磨損量、摩擦系數通過多次測試計算平均值，然后進行比較或進行相對值的比較得出超高分子量聚乙烯的耐磨性能。與現有技術相比，本發明在塑料滑動摩擦磨損試驗方法的基礎上，使UHMWPE與粗糙表面進行滑動摩擦磨損，測試在MH-20型摩擦磨損試驗機上進行，經處理后的UHMWPE標準樣與摩擦環進行滑動摩擦，摩擦環上膠粘有型號在280#~320#的砂紙，摩擦環轉動速度固定在200r/min，摩擦圈數在2001500r。在國家標準"塑料滑動摩擦磨損試驗方法"(GB3960-83)的基礎上，通過改進MH-20型摩擦磨損試驗機用摩擦環，測試UHMWPE的質量磨損量與磨痕寬度，評價不同分子量UHMWPE耐磨性能的差異，具有快速、合理的評價UHMWPE板材料、管材料的耐磨性能等優點。具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明，但不是限制本發明的范圍。本發明對試驗中的摩擦介質、載荷、摩擦環轉動速度等因素盡量與GB3960-83所要求的保持一致，而摩擦副的粗糙程度對測試樣品的磨損量有較大影響，考慮到UHMWPE耐磨材料在實際應用中的摩擦磨損形式及其磨損機理，通過改進MH-20型摩擦磨損試驗機用摩擦環，測試UHMWPE的磨損量、磨痕寬度，并判斷不同分子量UHMWPE耐磨性能的差異。所述的GB3960-83各項標準包括摩擦磨損定義、試樣、試驗設備、狀態調節、試驗條件、試驗步驟、結果計算等除提到的摩擦環表面粗糙度發生改變外，其余各項均適用于本發明方法。GB3960-83試驗條件中涉及到的對磨2小時調整為摩擦環以200r/min的轉速對磨200~1500r。耐磨性能評價可進行UHMWPE不同測試樣品絕對值比較，即測量后直接進行質量磨損量、磨痕寬度等指標的比較，也可以進行相對值的比較。相對值比較可抵消并避免一些不可控因素諸如摩擦副、摩擦環境等的變化對試驗結果的影響，其方法是設定標準樣條，每次進行樣條測試時，首先測試標準樣條的磨損量與磨痕寬度，然后樣條的測試結果與標準樣條的測試結果進行對比，通過相對值比較不同樣條的耐磨性能。采用粗糙的砂紙與UHMWPE進行摩擦磨損研究，摩擦力度大，在摩擦磨損初期以磨粒磨損為主，跑合期、穩定期短，甚至不明顯，如在摩擦環上膠粘280#砂紙，當進行250r摩擦時，UHMWPE的摩擦磨損特征明顯，早已經達到加速期。磨粒磨損的過程是硬質砂粒對UHMWPE光滑表面通過微刨犁、微剪切和微切割作用把材料撕裂下來，同時在摩擦表面形成裂紋，摩擦磨損500r時，UHMWPE表面因硬質顆粒的切削而脫落形成凹坑。同時，兩摩擦表面生熱而有粘著磨損發生，即摩擦表面溫度接近或超過UHMWPE的維卡軟化溫度時，界面處聚合物的熔融和去除導致磨損加劇，磨損量迅速增加。摩擦過程中產生大量的熱也使UHMWPE軟化，重復的摩擦、滑動，導致樣品形變并失效，發生疲勞磨損，在縱向產生撕裂，在橫向與縱向均產生斷裂紋，而且積聚的熱能也使該區的高聚物發生化學降解、氧化反應。摩擦環轉動750r以后，由于摩擦副砂紙的表面逐漸被磨平，粘著磨損與疲勞磨損加強。另外，高溫下發生的降解、氧化反應則表現為腐蝕磨損。腐蝕磨損本身在這里是一種輕微磨損，但腐蝕磨損加劇了粘著磨損、疲勞磨損的發生。實施例1將分子量為150萬的UHMWPE粉料裝入定制的磨具中，調節XLB平板硫化機的溫度、壓力以及壓制時間，獲得尺寸為30x7x6±0.2mm的測試樣條。測試前目測樣條表面是否平整，有無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷，并用游標卡尺測量樣條的長、寬、高，觀察樣條尺寸是否在要求的誤差范圍內。將樣條用400#金相砂紙打磨，用酒清棉球擦洗后放入紅外干燥箱烘干后稱重。將膠粘有280#砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度為200r/min，將試樣裝入夾具并固定在試驗機上，平穩加20Kg6載荷，摩擦環轉動圈數經過250r、500r、750r、1000r、1500r后，測試質量磨損量、磨痕寬度如表l所示。實施例2將分子量為220萬的UHMWPE粉料裝入定制的磨具中，調節XLB平板硫化機的溫度、壓力以及壓制時間，獲得尺寸為30x7x6士0.2mm的測試樣條。測試前目測樣條表面是否平整，有無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷，并用游標卡尺測量樣條的長、寬、高，觀察樣條尺寸是否在要求的誤差范圍內。將樣條用400#金相砂紙打磨，用酒清棉球擦洗后放入紅外干燥箱烘干后稱重。將膠粘有280#砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度為200r/min，將試樣裝入夾具并固定在試驗機上，平穩加20Kg載荷，摩擦環轉動圈數經過250r、500r、750r、1000r、1500r后，測試質量磨損量、磨痕寬度如表2所示。實施例3將分子量為280萬的UHMWPE粉料裝入定制的磨具中，調節XLB平板硫化機的溫度、壓力以及壓制時間，獲得尺寸為30x7x6土0.2mm的測試樣條。測試前目測樣條表面是否平整，有無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷，并用游標卡尺測量樣條的長、寬、高，觀察樣條尺寸是否在要求的誤差范圍內。將樣條用#400金相砂紙打磨，用酒清棉球擦洗后放入紅外干燥箱烘干后稱重。將膠粘有280#砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度為200r/min，將試樣裝入夾具并固定在試驗機上，平穩加20Kg載荷，摩擦環轉動圈數經過250r、500r、750r、1000r、1500r后，測試質量磨損量、磨痕寬度如表3所示。實施例4將分子量為370萬的UHMWPE粉料裝入定制的磨具中，調節XLB平板硫化機的溫度、壓力以及壓制時間，獲得尺寸為30x7x6±0.2mm的測試樣條。測試前目測樣條表面是否平整，有無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷，并用游標卡尺測量樣條的長、寬、高，觀察樣條尺寸是否在要求的誤差范圍內。將樣條用#400金相砂紙打磨，用酒清棉球擦洗后放入紅外干燥箱烘干后稱重。將膠粘有#280砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度為200r/min，將試樣裝入夾具并固定在試驗機上，平穩加20Kg載荷，摩擦環轉動圈數經過250r、500r、750r、1000r、1500r后，測試質量磨損量、磨痕寬度如表4所示。實施例5將分子量為420萬的UHMWPE粉料裝入定制的磨具中，調節XLB平板硫化機的溫度、壓力以及壓制時間，獲得尺寸為30x7x6土0.2mm的測試樣條。測試前目測樣條表面是否平整，有無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷，并用游標卡尺測量樣條的長、寬、高，觀察樣條尺寸是否在要求的誤差范圍內。將樣條用400#金相砂紙打磨，用酒清棉球擦洗后放入紅外干燥箱烘干后稱重。將膠粘有280#砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度為200r/min，將試樣裝入夾具并固定在試驗機上，平穩加20Kg載荷，摩擦環轉動圈數經過250r、500r、750r、1000r、1500r后，測試質量磨損量、磨痕寬度如表5所示。實施例6將分子量為150萬的UHMWPE粉料裝入定制的磨具中，調節XLB平板硫化機的溫度、壓力以及壓制時間，獲得尺寸為30x7x6士0.2mm的測試樣條。測試前目測樣條表面是否平整，有無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷，并用游標卡尺測量樣條的長、寬、高，觀察樣條尺寸是否在要求的誤差范圍內。將樣條用400#金相砂紙打磨，用酒清棉球擦洗后放入紅外干燥箱烘干后稱重。將膠粘有320#砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度為200r/min，將試樣裝入夾具并固定在試驗機上，平穩加20Kg載荷，摩擦環轉動圈數經過250r、500r、750r、1000r、1500r后，測試質量磨損量、磨痕寬度如表6所示。表1實施例1中UHMWPE磨損量、磨痕寬度測試結果分子量*104(ASTMD4020)摩擦環轉數(r)質量磨損量(mg)磨痕寬度(mm)15025018.69.3250026.29.9675031.710.46100042.513.14150049.213.76表2實施例2中UHMWPE磨損量、磨痕寬度測試結果分子量*104(ASTMD4020)摩擦環轉數(r)質量磨損量(mg)磨痕寬度(mm)22025015.89.0250021.59.4875027.410.34100038.312.48150043.113.36表3實施例3中UHMWPE磨損量、磨痕寬度測試結果分子量*104(ASTMD4020)摩擦環轉數(r)質量磨損量(mg)磨痕寬度(mm)28025014.18.8050018.69.0875023.610.14100033.811.74150036.712.07表4實施例4中UHMWPE磨損量、磨痕寬度測試結果分子量*104(ASTMD術0)摩擦環轉數(r)質量磨損量(mg)磨痕寬度(mm)37025013.38.1750015.68.9675022.710.049<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表5實施例5中UHMWPE磨損量、磨痕寬度測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表6實施例6中UHMWPE磨損量、磨痕寬度測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權利要求1.一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，該方法是在國家標準“塑料滑動摩擦磨損試驗方法”(GB3960-83)的基礎上，將膠粘有砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度，經樣品與摩擦環對磨，測試超高分子量聚乙烯的質量磨損量與磨痕寬度并計算體積磨損量、摩擦系數，獲得不同分子量、不同品級的超高分子量聚乙烯的耐磨性能。2.根據權利要求1所述的一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯的粘均分子量可以為100萬1000萬。3.根據權利要求1所述的一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的試樣包括不同型號的超高分子量聚乙烯板材或管材。4.根據權利要求1所述的一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的試樣為廠家提供的板材、管材的檢驗產品，或為平板硫化機或螺桿擠出機制備的樣品。5.根據權利要求1所述的一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的摩擦環膠粘的砂紙型號為280#~320#。6.根據權利要求1所述的一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的摩擦環以200r/min的轉速對磨200~1500r。7.根據權利要求1所述的一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的質量磨損量、磨痕寬度以及體積磨損量、摩擦系數通過多次測試計算平均值，然后進行比較或進行相對值的比較得出超高分子量聚乙烯的耐磨性能。全文摘要本發明涉及一種測試超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，該方法是在國家標準“塑料滑動摩擦磨損試驗方法”(GB3960-83)的基礎上，將膠粘有砂紙的摩擦環固定在MH-20型摩擦磨損試驗機上，固定摩擦環轉動速度，經樣品與摩擦環對磨，測試超高分子量聚乙烯的質量磨損量與磨痕寬度并計算體積磨損量、摩擦系數，獲得不同分子量、不同品級的超高分子量聚乙烯的耐磨性能。與現有技術相比，本發明具有快速、簡易、合理等優點。文檔編號G01N3/56GK101509860SQ20091004818公開日2009年8月19日申請日期2009年3月25日優先權日2009年3月25日發明者夏晉程,煒張,張玉梅,尉洪,王新威申請人:上海化工研究院