聚合物表面改性及其摩擦学性能研究

发布时间：2020-07-12 02:30

【摘要】：自然界中植物叶片表面具有不同的微纳结构可以导致植物具备不同的生物学性能。本论文从仿生学的角度出发,利用流涎-转印工艺制备了聚乙烯醇(PVA)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、及磺化聚醚醚酮/聚四氟蜡(SPEEK/PFW)三种不同材料的光滑薄膜及不同植物叶片的仿生织构薄膜。考察了薄膜的分子结构、热性能、及力学性能。系统性的研究了三种光滑薄膜及其对应的仿生织构薄膜在干摩擦条件下的摩擦学性能。对于不同种类的薄膜,又分别研究了载荷,转速对薄膜摩擦学性能的影响。借助,X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射扫描电镜(SEM)、光学显微镜(OM)、三维轮廓仪等测试仪器对磨痕处的成分,形貌进行了综合的考察。分析其测试结果,得到了仿生织构薄膜的减磨机理。本课题完成的研究工作如下所述:(1)本课题首先通过对植物叶片表面及仿生织构薄膜表面的光学显微镜(OM)分析,得到仿生织构薄膜表面的微观结构与植物叶片的一致,成功的完成了对聚合物薄膜表面的改性工作。并同时研究了仿生织构化对聚合物薄膜的分子结构和热性能的影响,通过红外光谱(FTIR)和热重(TGA)分析,得出仿生织构化对聚合物自身的分子结构和热性能并没有产生影响。此种改性方法仅仅改变了聚合物薄膜的表面结构,并没有破坏聚合物原有的分子结构和性能,且仿生织构薄膜的力学性能优于光滑薄膜。(2)在载荷为5N,转速为200 r/min时,七叶树叶片织构薄膜(B-PVA)和鸢尾叶片织构薄膜(M-PVA)两种仿生织构薄膜的摩擦系数分别为0.09和0.07,相比光滑薄膜,摩擦系数分别下降了0.06和0.08。而随着载荷的增大,光滑薄膜(S-PVA)、B-PVA及M-PVA三种薄膜的摩擦系数均呈现上升的趋势,但是两种仿生织构薄膜随载荷变化的幅度较小,载荷每增加2N时,摩擦系数仅上升0.02,而光滑薄膜则上升0.05。而随着转速的增大,摩擦系数呈现先下降后上升的趋势,符合聚合物摩擦理论。(3)在干摩擦条件下,载荷为5N,转速为200 r/min时,鸢尾叶片织构薄膜(F-SPEEK)和美人蕉叶片织构薄膜(C-SPEEK)两种薄膜的摩擦系数均低于SPEEK光滑薄膜,分别降低了0.13和0.15。这是由于一方面仿生织构化可以减少摩擦副间的接触面积,另一方面在摩擦过程中可以容纳磨屑,阻止了磨屑进一步对摩擦表面的划伤,与此同时在摩擦热和摩擦力的作用下,仿生织构形貌变为鱼鳞状,减小了摩擦中的阻力,使得摩擦系数和磨损率均降低。而在海水条件下,两种织构薄膜同样表现出优异的摩擦学性能。(4)加入聚四氟蜡(PFW)后,薄膜的摩擦系数整体下降。且枫叶织构薄膜(A-SPEEK/PFW)和美人蕉织构薄膜(C-SPEEK/PFW)两种薄膜的摩擦系数在载荷为3~11 N的范围内,摩擦系数均保持在0.1左右,体现出良好的摩擦稳定性,而随着转速的增加,摩擦系数呈现出上升的趋势,且由于两种仿生织构薄膜表面微观结构的差异导致其表现出不同的摩擦学规律。本课题的研究表明,采用流涎-转印工艺可以成功的将植物叶片表面的微观结构复制在聚合物薄膜表面。在干滑动条件下,仿生织构均表现出优异的摩擦学性能,摩擦系数最高可降低0.15。这为聚合物的改性提供了一种新的思路,也为仿生织构化的制备提供了一种新的方法,进一步的优化仿生织构形貌,对推动仿生摩擦学的发展有着重要的意义。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;O631
【图文】：

图 1-1 两体磨粒磨损Fig. 1-1 Wear of two-body abrasive particles图 1-2 三体磨粒磨损Fig. 1-2 Wear of three-body abrasive particles机理：在接触表面粗糙时，在交变应力集中作用以及界面

图 1-2 三体磨粒磨损Fig. 1-2 Wear of three-body abrasive particles损机理：在接触表面粗糙时，在交变应力集中作用以及界面接触合物材料的损失，这种现象被称为疲劳磨损。对偶表面的粗糙度合物抵抗疲劳的能力均会对疲劳磨损造成影响。有时接触面间存裂纹的产生与扩展造成影响[1]。能很好的抵抗磨粒磨损通常将这种能力称为聚合物的嵌藏性；除装配误差，此性能称为顺应性。聚合物具有很好的抗腐蚀性能，会发生化学反应，使得其力学性能降低，此时会发生体积膨胀[1构概述及其摩擦学研究进展构概述构技术（Surface texture）即使用特定的加工手段，在材料表面者凸起，从而提高材料的摩擦学性能，是在表面镀层和表面改[13]

在其看似平整的叶片表面上可以观察到排列整齐的微米级别的凸着着纳米级别的蜡晶[14]。图（b）为蝴蝶表面的宏观和微观形貌，其微格状的，这种结构使得蝴蝶在雨天不易被打落[15]。图（c）为美人蕉叶表面排列着致密，有序，整齐但大小不一的四边形[9]。图（d）所示为构，当鲨鱼在水中快速游动时，位于磷脊间的圆谷便可以起到有效的减的微观结构为蜣螂的前胸背板，这种特殊的结构使其对生活环境中的土功能[16]。图（f）中壁虎能够自由行走在垂直的表面，是因为其足部的细小粗糙处能够紧密接触[16]。这些特殊的几何形貌赋予了这些生物不物的功能，也成为学术界研究的热点。a）荷叶表面乳突形貌 b）蝴蝶翅膀形 c）美人蕉表面形貌

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本文编号：2751291