超高分子量聚乙烯纳米复合材料的原位构筑及其摩擦学性能

发布时间：2020-07-30 06:49

【摘要】：工业生产中的摩擦磨损会造成巨大损失。通过高分子材料摩擦学性能的强化,机械零部件的使用寿命能得到延长,设备的维护成本也会得到有效降低。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有良好的自润滑能力、摩擦系数小、冲击强度高,具有低蠕变、高抗疲劳性能和良好的生物惰性等优点,可以作为耐磨材料被广泛地应用于工业轴承、机械零件和人工关节等领域。UHMWPE尽管具有极其优异的综合性能,却存在表面硬度小、弹性模量与弯曲强度较低、抗磨粒磨损性能差等缺点。因此,为了满足UHMWPE在工业摩擦条件下的使用要求,需要对其进行改性以进一步提高UHMWPE的机械性质和摩擦学性能。将纳米粒子填充入高分子树脂中可以充分发挥纳米填料优异的理化性质,纳米填充物可以与基体材料产生更强的相互作用与更好的界面结合。使用原位填充的方法将纳米粒子填充入UHMWPE中不仅可以有效发挥纳米填料的粒径优势,而且能克服常规机械混合方式带来的纳米填料不易分散的缺点。对此,我们进行了以下工作:一、二氧化硅纳米球原位填充的UHMWPE复合材料及其摩擦学性能目前摩擦学领域之中,对高分子聚合物使用纳米尺寸的填料进行填充改性以增强高分子材料的机械性能和摩擦学性能一直是研究的热点之一。一般来说,填料的类型、尺寸、形状、填充量、填料与基体的界面结合以及填料在基体中的分散程度是影响复合材料性能的重要因素。SiO2纳米球以其优良的理化性质作为填料改性增强聚合物的同时也存在分散性差、易团聚的缺点。本文在液相中通过溶胶-凝胶法(sol-gel)将Si02纳米球原位填充到UHMWPE中,制备了SiO2纳米球/UHMWPE复合材料。通过SEM、XRD、FT-IR、DSC、TMA、疏水性测试、拉伸试验、高速环块摩擦磨损试验、石英砂浆磨损试验以及3D测量激光显微观察等方式研究和分析了制备的Si02纳米球/UHMWPE复合材料的结构性质、热学性能、疏水性能、力学性能和摩擦磨损性能。相比于传统的机械混合法,使用原位填充制备的SiO2纳米球/UHMWPE复合材料中的SiO2纳米球具有更好的分散性,且粒径可控。通过FT-IR与XRD分析可知,SiO2纳米球与UHMWPE基体材料相互作用较强。在原位填充SiO2纳米球后基体的玻璃化转变温度均有提高,含量为1%时达到最高128.8℃,制备的复合材料线性膨胀系数皆小于纯UHMWPE,这体现了SiO2纳米球/UHMWPE复合材料更好的耐热性能。SiO2纳米球的填充使UHMWPE表面接触角由87.7°(纯UHMWPE)增加至96.2°(4%的SiO2纳米球含量),UHMWPE材料的疏水性能提高。SiO2纳米球/UHMWPE复合材料中SiO2纳米球含量增加时复合材料的弹性模量随之增加,在弹性范围内的拉伸行为也表明复合材料维持着良好的韧性。在SiO2纳米球含量为1%时UHMWPE复合材料的平均摩擦系数低至0.13;其砂浆磨耗在SiO2纳米球填充量为0.5%时达到最低,较之纯UHMWPE降低了41%。使用sol-gel法原位填充可以制备高分散度的Si02纳米球/UHMWPE复合材料,并有效地改善了 UHMWPE树脂的耐摩擦磨损性能性能,提高了其耐热性能与力学性能。二、纳米氧化铜原位填充的UHMWPE复合材料及其摩擦学性能无机纳米填料尺寸小、表面能高,有利于高分子基体和填料之间实现较好的界面结合,减少有机-无机界面之间的缺陷从而提高复合材料的力学和摩擦学性能。金属氧化物来源广泛、性能稳定,是一类常用的填料粒子。在众多金属氧化物中,CuO合成方法简便,稳定性高,其纳米颗粒具有优异的耐摩擦磨损性能,在高分子复合材料领域具有巨大的使用潜力。纳米CuO不仅可以作为增强组分添加入液相润滑剂中以提高润滑剂的润滑和耐磨性能,还可以与其他填料协同填充到高分子树脂中以提高基体的摩擦学性能,对高分子材料抗磨减摩具有较大的应用价值。本文通过溶胶-固载化的方法在液相中合成Cu纳米颗粒,在合成纳米Cu的同时使其负载于UHMWPE表面,然后通过氧化制得纳米CuO/UHMWPE复合材料。UHMWPE基体中原位填充的CuO的尺寸约20 nnm,分散程度高,CuO纳米颗粒与基体表现出良好的界面结合。原位填充了纳米CuO的UHMWPE的结晶度增加,这表明纳米CuO在UHMWPE熔体冷却时具有异相成核作用。在本论文研究的填充量范围内,制得的复合材料的弹性模量和断裂伸长率均高于基体,这表明纳米CuO和基体能很好地相容,起到了增强增韧的作用。填充纳米CuO后UHMWPE的平均摩擦系数最多降低了 34%,其磨损机理由原来的粘着磨损逐渐转变为疲劳磨损。使用原位填充将纳米CuO填充入UHMWPE中可以提高纳米CuO在UHMWPE基体材料中的分散程度,不但能起到增强增韧的作用,而且能有效地提高UHMWPE复合材料的摩擦学性能。三、纳米羟基磷灰石原位填充的UHMWPE复合材料及其生物摩擦学性能以纳米尺寸的羟基磷灰石(HAP)填充改性高分子树脂,基体材料的生物相容性能得到提升,其力学性能和摩擦学性能也能获得强化,以此获得的复合材料可以作为人体植入中修补缺损组织的材料。以机械混合的方式制备的纳米HAP/高分子复合材料中的纳米HAP会表现出易团聚、分散不均的缺点,导致基体的力学和摩擦学性能的损失。论文使用了表面活性剂促进UHMWPE在水中分散,在碱性环境下使Ca2+和HPO4-在UHMWPE基体表面反应。液体混合物水热处理以后制得的悬浮体系经历过滤、干燥及热压成型工序,实现了纳米HAP在UHMWPE中的原位填充。HAP纳米颗粒在实验中制得的复合材料中,分散性好、尺寸均匀,且能与基体发生良好的界面结合,对基体材料的玻璃化转变温度、弹性模量和屈服伸长率等方面,显示出明显的促进作用。最重要的是,在无润滑、水润滑及细胞培养培养液润滑多种摩擦条件下,纳米HAP的原位填充处理都显著地降低了UHMWPE摩擦系数,复合材料的体积磨损率在细胞培养液润滑的条件下更是降低了 46%。该项工作不但揭示了一种实现纳米材料在高分子树脂中高度分散的填充方法,而且预示了制得的复合材料作为人体关节等生物耐磨材料具有良好的应用前景。综上所述,本文分别通过溶胶-凝胶、溶胶-固载化和水热合成的方法实现了 SiO2纳米球、CuO和HAP纳米颗粒在UHMWPE基体中的原位填充。较之机械混合方法,原位填充制备的高分子复合材料中纳米粒子的分散性将得到提高、力学性能和摩擦学性能也获得了增强。不同的填料粒子能在UHMWPE基体材料中发挥不同的强化作用,对UHMWPE的热学、力学、摩擦学等方面的性能存在不同程度的提升。其中,以纳米CuO颗粒的增强增韧效果最好;除纳米CuO以外,SiO2纳米球和纳米HAP的填充都能提高UHMWPE的耐热性能,且纳米HAP对UHMWPE耐热性能的提升最明显;填充SiO2纳米球可以起到最好的抗磨减摩效果。在以上三种纳米材料对UHMWPE材料的原位填充过程中,论文还对制得的纳米复合材料的构效关系进行了探索与讨论,为高分子材料摩擦学性能的进一步改性提供参考。以上三种材料在机械耐磨零部件以及生物耐磨材料领域均表现出有希望的应用前景。
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ325.12;TB332
【图文】：

红外光谱图,复合材料,红外光谱,正交晶

Ｆｉｇ．邋３．２邋ＦＴ－ＩＲ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＳＮＳ／ＵＨＭＷＰＥ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．逡逑３．１．４邋Ｘ射线衍射分析逡逑在图３．３中，我们比较了不同Ｓｉ０２纳米球含量的复合材料的ＸＲＤ图谱。Ｓｉ０２纳米球逡逑／ＵＨＭＷＥＰ复合材料与纯ＵＨＭＷＰＥ的ＸＲＤ图谱中都出现了两个较为明显的特征峰，２１．６°逡逑和２３．９。可分别对应正交晶相的（丨１０）面和（２邋０邋０）面［１８］邋（ＪＣＰＤＳ：５３－１８５９）。复合材料逡逑与纯ＵＨＭＷＰＥ在３０．０。和３６．２。都表现出了微弱的衍射峰，可指定到正交晶相的（２邋１邋０）逡逑和（０邋２邋０）面１１９１。在添加Ｓｉ０２纳米球之后，复合材料未出现Ｓｉ０２的特征衍射峰，说明生逡逑成的Ｓｉ０２属于无定型结构，Ｓｉ０２纳米球的加入没有使ＵＨＭＷＰＥ的晶体结构与大小发生改逡逑变，并且与ＵＨＭＷＰＥ基体材料结合良好，未对ＵＨＭＷＰＥ起到异相成核的作用。在增加逡逑ＳＤ２纳米球含量的同时复合材料的峰型也没有出现明显变化，但是峰强存在下降趋势，这逡逑可能是由于在复合材料体系中ＵＨＭＷＰＥ的相对含量逐渐下降所导致的。ＵＨＭＷＰＥ晶核逡逑的扩散和排列被８丨０２纳米球限制了，ＵＨＭＷＰＥ分子链受热时的运动也将受到阻碍，这也

复合材料,正交晶

逦Ｗａｖｃｎｕｍｂｃｒ／ｃｍ＇逡逑图３．２邋Ｓｉ０２纳米球／ＵＨＭＷＰＥ复合材料红外光谱逡逑Ｆｉｇ．邋３．２邋ＦＴ－ＩＲ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＳＮＳ／ＵＨＭＷＰＥ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．逡逑３．１．４邋Ｘ射线衍射分析逡逑在图３．３中，我们比较了不同Ｓｉ０２纳米球含量的复合材料的ＸＲＤ图谱。Ｓｉ０２纳米球逡逑／ＵＨＭＷＥＰ复合材料与纯ＵＨＭＷＰＥ的ＸＲＤ图谱中都出现了两个较为明显的特征峰，２１．６°逡逑和２３．９。可分别对应正交晶相的（丨１０）面和（２邋０邋０）面［１８］邋（ＪＣＰＤＳ：５３－１８５９）。复合材料逡逑与纯ＵＨＭＷＰＥ在３０．０。和３６．２。都表现出了微弱的衍射峰，可指定到正交晶相的（２邋１邋０）逡逑和（０邋２邋０）面１１９１。在添加Ｓｉ０２纳米球之后，复合材料未出现Ｓｉ０２的特征衍射峰，说明生逡逑成的Ｓｉ０２属于无定型结构，Ｓｉ０２纳米球的加入没有使ＵＨＭＷＰＥ的晶体结构与大小发生改逡逑变，并且与ＵＨＭＷＰＥ基体材料结合良好，未对ＵＨＭＷＰＥ起到异相成核的作用。在增加逡逑ＳＤ２纳米球含量的同时复合材料的峰型也没有出现明显变化，但是峰强存在下降趋势，这逡逑可能是由于在复合材料体系中ＵＨＭＷＰＥ的相对含量逐渐下降所导致的。ＵＨＭＷＰＥ晶核逡逑的扩散和排列被８丨０２纳米球限制了

关系曲线,接触角,复合材料,疏水性

时产生的转移膜不易被水冲刷带走，转移膜得以稳定存在，这将有助于提高材料在水环境逡逑下的耐磨性能。获得合适的粗糙程度和较低的表面能是提高材料表面疏水性重要因素。逡逑图３．４展示了不同Ｓｉ０２含量的复合材料的疏水性能测试结果，而图３．５总结了复合材料的逡逑接触角随Ｓｉ０２含量的变化关系曲线。纯ＵＨＭＷＰＥ的平均接触角为８７．７°，总体疏水性较高，逡逑在逐渐增加Ｓｉ０２纳米球含量后，复合材料的接触角由９１．５°增加到了９６．２°在Ｓｉ０２纳米球填充逡逑量为４％时达到最大，并且接触角角度的增加幅度逐渐放缓。说明Ｓｉ０２的加入有助于进一步逡逑提高复合材料的疏水性能。ＵＨＭＷＰＥ材料表面属于粗糙结构，在同液滴发生接触时液滴与逡逑材料表面相互作用的势能较低，接触的间隙中存在气相，为非均匀浸润模式，适用于ＣａＳＳ１ｅ逡逑复合接触模型［２１］。ＳｉＣｂ的加入使复合材料表面粗糙程度增加，表面自由能进一步降低，从逡逑而让接触角增大，提尚复合材料的疏水性能，可能有利于ＵＨＭＷＰＥ水摩

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