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超高分子量聚乙烯纳米复合材料在干燥和水润滑条件下提高摩擦学性能

Annas Bin Ali1 bull;M。Abdul Samad1 bull;N。Merah1

摘 要：为了充分挖掘聚合物在水润滑下作为摩擦材料的潜力，一方面提高其耐吸水性，提高其强度和承载力是非常重要的。另一方面，它们在这些条件下的表现不会变差。因此，采用独特的方法制造用纳米粘土增强的复合聚合物纳米复合材料以改善耐水吸收性和碳纳米管（CNT）以改善机械和摩擦学性能。通过球磨然后热压法制备超高分子量聚乙烯纳米复合材料。功能化多壁CNT和C15A有机粘土用作超高分子量聚乙烯基质中的纳米填料。开发混合纳米复合材料，其CNT负载量为0.5,1.5和3.0wt％，同时保持C15A有机粘土含量固定在1.5wt％的优化值。最初，在干滑动条件下优化混合纳米复合材料，由此与原始超高分子量聚乙烯相比，1.5wt％的CNT和1.5wt％的C15A有机粘土的负载导致比磨损率的最大降低约64％。随后，将优化的纳米复合材料的摩擦学性能与原始超高分子量聚乙烯及其超高分子量聚乙烯纳米复合材料在水润滑条件下与440℃不锈钢球滑动150,000次循环进行比较。该比磨损率显示降低了46％与水润滑下的原始超高分子聚乙烯相比，1.5wt％CNTs纳米复合材料。改善的耐磨性归因于纳米填料（即CNT和C15A有机粘土）的均匀分散，这有效地增加了超高分子量聚乙烯的承载能力。此外，C15A粘土的片状结构的优异阻隔性能为超高分子量聚乙烯中水分子的扩散提供了曲折的路径，降低了表面层的软化，从而在水润滑下具有更好的耐磨性

关键词:超高分子聚乙烯混合纳米复合材料·耐磨· 摩擦·水润滑

1 介绍

保护环境的方法之一是在摩擦系统中使用环保润滑剂，例如小型船，水力涡轮机和泵的电机轴承。最近已经探索了使用水作为无油摩擦系统的润滑剂[1, 2].聚合物及其复合材料是一类候选材料，由于其化学惰性，耐腐蚀性，高强度重量比和易加工性，具有很多优点，可用作水润滑的轴承材料。它们还表现出优异的机械和摩擦学性能[3–7]

超高分子量聚乙烯是一种这样的聚合物，由于其优异的韧性，更高的抗滑动磨损性，高冲击强度和优异的润滑性能，被广泛用于要求严格的摩擦学应用[8, 9].但是，要进一步提高摩擦学性能超高分子量聚乙烯通过改善其在不同操作条件下的承载能力，在干燥和润滑条件下，已经使用多种纳米填料如金属氧化物纳米颗粒，层状硅酸盐，碳纳米管（CNT）和石墨烯作为增强材料[10–14].在所使用的各种纳米填料中，CNT已被广泛研究。我们小组的早期工作表明，当在干燥条件下用作散装形式的超高分子量聚乙烯的增强剂时，CNT有效地降低了材料去除率，同时COF略有增加[15].薛等人。[16]在超高分子聚乙烯 / HDPE共混物中，CNT的浓度从0.2％变化到2％，并观察到在干滑动条件下随着CNT含量的增加，磨损率降低。约翰逊等人。[17]观察到在干滑动条件下，在超高分子聚乙烯中添加5wt％的CNT，磨损率降低了50％，摩擦系数降低了12％。然而，Xoing和Ge [18]据报道，超高分子量聚乙烯的摩擦行为在很大程度上取决于其在水润滑条件下的吸水状态。尽管超高分子量聚乙烯具有良好的耐吸水性，但长时间暴露于较高的操作负荷导致接触点处的局部温度升高可能导致吸水性升高和由于表面层软化导致的强度降低。影响其摩擦学性能[19].因此，为了充分发挥聚合物的潜力，特别是超高分子量聚乙烯在水润滑条件下用作摩擦材料，提高它们的耐吸水性是非常重要的，这样它们的强度和承载能力就会保持不变。以高水分阻隔特性着称的纳米粘土已被用作聚合物基质的增强剂，有助于它们保持和改善其机械性能[20–22].在我们之前的一项研究中也有报道称，纳米蒙脱土（蒙脱土）的存在有助于减少超高分子量聚乙烯的大规模碎裂，同时降低磨损率[8].此外，如前所述，碳纳米管（CNT）也已用作聚合物基质的增强剂，以改善其强度和承载能力。因此，本研究的动机源于需要改善超高分子聚乙烯的摩擦学性能并在水润滑条件下保持或改善其性能。采用独特的方法制造用纳米粘土增强的混合

超高分子量聚乙烯纳米复合材料以减少水吸收和CNT以改善机械和摩擦学性能。使用SEM，XRD表征杂化纳米复合材料并评价其摩擦性能，例如在干燥和水润滑的条件下比磨损率和摩擦系数。

2 材料和实验方法

2.1 超高分子量聚乙烯纳米复合材料的制备

本作者之前的一项研究[23]表明了这一点就耐水吸收性和耐磨性而言，1.5wt％的C15A纳米粘土是作为超高分子量聚乙烯聚合物基质的增强剂的最佳量。由于剥离的纳米复合结构获得了该结果。因此，在这项研究中，混合纳米复合材料是通过将纳米粘土含量固定在

1.5％（重量）并使用三种不同负载量（0.5,1.5和3％（重量））的CNT来制造，以评估纳米粘土和碳纳米管的最佳组合，从而在干燥和水润滑下提供更好的摩擦学性能。

原始超高分子聚乙烯（粒度= * 90lm，购自英国Goodfellow），1.5wt％的C15A纳米粘土（比重= 1.7-1.9，有机改性剂=季二甲基二氢化铵，购自Southern Clay Product，USA）和所需的CNT量（平均直径= 25-26nm，在KFUPM的Chemistry Laboratories中生产），分别在高能球磨机中将0.5，1.5和3wt％混合在一起90分钟。以球粉比为10：1，转速为200rpm进行混合。在获得均匀研磨的粉末后，使用热压机在170℃的温度和25MPa的压力下将混合物压缩15分钟。然后进行冷却循环，释放压力，得到直径为30mm，厚度为6mm的圆盘形样品。测得样品的平均表面粗糙度（Ra）为0.93plusmn;0.05lm。

2.2 结构和分散特征

使用D8 X射线分散（XRD）机（Bruker，USA）对制造的样品进行结构分析，并使用2°至70°的扫描范围和增量步骤评估纳米填料在超高分子聚乙烯聚合物基质中的分散性0.02°。场发射电子显微镜（LYRA3 XM，捷克共和国TESCAN（FESEM）用于测定混合（CNTs / C15A / UHMWPE）纳米复合材料中的碳纳米管分散体。图像以两种不同的放大倍率记录， 40,000 times;（较低的放大倍数）阳离子）用于总体分散分析和60,000times;（更高放大）用于可视化单个CNT及其聚集体。

为了分析碳纳米管与超高分子量聚乙烯聚合物基质的相互作用，使用DXRTM2xi进行混合纳米复合材料样品的拉曼光谱，Thermo Scientific Fisher设备。使用波长455nm的氩激光和3.0mW的功率收集拉曼光谱以避免聚合物熔化。针对每个样品收集来自五个散点的光谱。使 用 Digi-Test Shoro 硬度计（ Digi-Test Shoro硬度计，QualiTest，USA）进行硬度测量。报告的硬度值是在每种类型的三个样品上分布的总共九个读数的平均值

2.3 摩擦学表征

UMT-3摩擦磨损试验机（Bruker，USA）用于进行磨盘测试，采用球盘配置来模拟轴承中的接触条件。试验在室温和50plusmn;5％的相对湿度下进行。直径6.3毫米的球，由440C不锈钢制成使用硬度RC 62作为配合面。最初，在30N的正常载荷下，在干燥条件下以0.06m / s的滑动速度对混合纳米复合材料进行磨损试验，滑动距离为68.2m，对应于5000次循环，以评估CNT的最佳量。对于水润滑试验，使用去离子水（DI）进行磨损试验。对于每次测试，

每次添加相同量的DI水，使得球和样品之间的接触区域总是浸入水中。在每次润滑测试之后，将杯子倒空用过的去离子水并重新填充新的量用于下一次测试。使用50N的正常载荷进行水润滑测试，滑动速度为0.06m / s，滑动距离为6km（150,000次循环）。进行水润滑试验以增加循环次数，以结合超高分子量聚乙烯及其纳米复合材料的吸水效果对摩擦学性能的影响。使用MT7000光学显微镜（Meiji，Japan）在每次磨损试验后记录配合面球的光学图像。FESEM和光学轮廓测定法（Contour GTK-A，Bruker，USA）记录磨损轨迹的3D和2D轮廓图像以分别研究相关的磨损机制和评估材料损失。报告的摩擦系数（COF）和比磨损率是每种样品类型的三次磨损试验的平均值

3 结果和讨论

3.1结构表征（分散和形态）

原始超高分子量聚乙烯，CNT，C15A和超高分子量聚乙烯纳米复合材料的XRD结果如图1所示。

图1原始的超高分子量聚乙烯、CNTs、C15A纳米粘土和超高分子量聚乙烯杂化纳米复合材料的XRD谱

（原始纳米粘土的标记峰在2.52°处观察到，对应于d-间距为35.03 A˚。）可以观察到C15A的特征峰不存在来自所有纳米复合材料，表明超高分子聚乙烯基质中粘土片的剥落或无序嵌入。剥离的形态被称为粘土片晶的分散体，其破坏了它们的层状顺序，导致层间距离增加大于7nm。在我们早期的研究中也看到了相同的行为，对于1.5wt％的C15A /超高分子聚乙烯复合材料，没有观察到纳米粘土的特征峰[9, 22].原始超高分子聚乙烯在21.66°和24.16°处显示出强烈的衍射峰，对应于（110）和（200）平面的典型正交晶体结构。CNT显示在25.58°处的特征峰，

对应于石墨碳原子的同心圆柱的（002）排列，并且43.12°指的是（100）石墨平面[24]

从图中可以看出。1 即使向1.5wt％C15A /超高分子聚乙烯复合材料中添加CNT，在所有三种不同的纳米复合材料中也未观察到CNT峰，这表明CNT在复合材料中的有效分散。此外，超高分子量聚乙烯的特征峰保持不变，表明超高分子量聚乙烯基质的晶体结构没有发生变化[25, 26]

图2用于0.5,1.5和3wt％CNTs超高分子量聚乙烯的低倍率（a，b，c）和更高倍率（d，e，f）FESEM图像。g，h1.5wt％CNTs超高分子量聚乙烯图像为times;140,000

超高分子聚乙烯混合纳米复合材料的FESEM结果如图所示。从图2中可以看出，2a和b表示CNT均匀分散用于混合纳米复合材料，特别是对于混合超高分子聚乙烯纳米复合材料 0.5和1.5wt％的CNT，凝聚几乎可以忽略不计。用于1.5wt％CNT的高分辨率图像超高分子量聚乙烯纳米复合材料也在其中展示。图2g和h，其中单独的CNT很好地分散在其上观察到超高分子量聚乙烯颗粒。但是，作为CNTs含量增加至3wt％，CNT的聚集可以在纳米复合材料中观察到。2c. 原始超高分子量聚乙烯，CNT和纳米复合材料的拉曼光谱

图3. 超高分子聚乙烯显示在1439,1295,1129和1062cm处的特征峰-1。在1062和1129厘米-1 的峰对应不对称和用于聚乙烯的C-C键的对称拉伸模式[27, 28].CNT的特征峰分别在1359和1567cm-1 对应于D和G带。d样品类型带描绘无序的石墨结构，而G带出现由于C-C切向拉伸[29, 30].所有杂化纳米复合材料均显示G带从1567移至1583cm-1 ，移动约16cm-1。特征G带的移位归因于超高分子聚乙烯链穿透到CNT束中，因此产生CNT束的解缠结，确保CNT和纳米复合材料中的超高分子量聚乙烯链之间的良好界面相互作用。

3.2超分子量聚乙烯杂化纳米复合材料的肖氏硬度

图4显示了混合纳米复合材料硬度的变化。结果表明，与纯超分子量聚乙烯相比，所有杂化纳米复合材料的硬度均有所提高。

图3原始的超高分子量聚乙烯、CNTs和0.5、1.5和3 wt%CNTs/超高分子量聚乙烯纳米复合材料的拉曼散射谱

图4原始UHMWPE和0.5、1.5和3%碳纳米管混杂纳米复合材料的肖尔D硬度

与原始超高分子聚乙烯相比，纳米复合材料显示出改善的硬度。这种改进主要是由于CNT的存在，这是非常有效的增强剂，有助于改善聚合物基质的硬度，刚度和强度等机械性能[31]，导致压痕抗性显着增加。高纵横比纳米填料（CNT和纳米粘土）的存在使得能够与聚合物良好粘合，这反过来有助于改善聚合物基质的承载能力。然而，可以观察到硬度没有与CNT负载成比例地增加，由此CNT含量从1.5wt％增加到3wt％导致肖氏D硬度值从63.4到64.5略微增加。这可能是由于从拉曼和SEM分析中观察到的CNT的聚集。。

3.3 杂化UHMWPE纳米复合材料的干滑动行为

干滑动条件下比磨损率和摩擦系数（COF）的变化如图 5所示，与超高分子聚乙烯相比，所有混合纳米复合材料获得较低的比磨损率值。对于1.5wt％CNTs超高分子聚乙烯纳米复合材料，观察到磨损率的最大降低约63％。从SEM的磨损形貌图(图6)可以看出，杂化纳米复合材料的磨损轨迹是光滑的表面，可以忽略犁沟，表明磨粒磨损是最小的。与原始的超高分子聚乙烯(图6A)上的磨损轨迹相比，它显示了深的沟槽，显示有塑性变形表面的显著磨粒磨损。然而，3wt%CNTs超高分子聚乙烯纳米复合材料的SEM磨损轨迹图像显示，表面有较浅的沟槽，这与碳纳米管的团聚有关。 从图2C的高分辨率FESEM图像中观察到，3wt%CNTs纳米复合材料在较高的载荷下有明显的团聚区域。这些团聚导致复合材料的负荷转移能力丧失，碳纳米管与聚合物基体之间的粘着性差，从而使聚合物链容易被移除。 硬反面凹凸不平的犁沟作用，因为纳米复合材料的磨损率强烈依赖于纳米粒子的均匀分散[32]。光学轮廓术还表明，与原始的超高分子聚乙烯相比，混合纳米复合材料的犁沟更少，表面更光滑，磨损深度更小[图6e-1]。因此，较高的硬度和较浅的磨损轨迹表明，压痕过程中施加的法向应力和摩擦应力是由碳纳米管和粘土板有效地承载的。 因此，目前的纳米粒子有助于提高超高分子聚乙烯聚合物基体的承载能力，从而提高了其抗压痕性能，这一点在肖尔D硬度结果中也很明显。

图5原始UHMWPE和0.5%、1.5%和3%碳纳米管混杂

资料编号：[3476]