专利名称：：一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法
技术领域：
：本发明属于高分子材料检测评价领域，具体涉及一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法。
背景技术：
：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是分子量在100万400万甚至更高的聚乙烯，由于其分子链长，分子量极高，具有其它树脂所不具有的一些优异品质，如耐冲击、耐磨损、自润滑、耐化学腐蚀、耐低温等。UHMWPE是目前已发现的耐磨性能最好的塑料，并超过某些金属材料，所以其板材、管材广泛应用于石油、煤炭、矿山、冶金、热电、选矿、粮食加工等行业的长距离输送。UHMWPE的耐磨性用一般塑料磨耗实验法难以便捷的测试其耐磨程度。目前，塑料摩擦磨损性能评价主要采用滑动摩擦磨损试验。D.Dowson等对UHMWPE在干摩擦状态下与不锈钢摩擦副的磨损进行研究，在不锈钢的表面粗糙度为0.050.1[im时，UHMWPE的磨损量最小。Imado等发现在相同条件下，UHMWPE磨损率对负荷敏感性不大，但对滑动过程的敏感性很大。何春霞进行了UHMWPE滑动磨损试验研究，考察了对磨钢轮的粗糙度、对磨时间及载荷对磨损量和摩擦系数的影响。结果表明:在相同试验条件下，UHMWPE与45弁钢轮对磨时比与SiC盘对磨时的磨损量要小。郭治天等研究发现，干摩擦条件下，不锈钢表面粗糙度对UHMWPE的摩擦磨损有较大影响。表面粗糙度在0.01^iriKRa0.14^im之间时，磨损率有较小的值。这说明，在实验所给条件下，存在合适的表面粗糙度范围，使UHMWPE的磨损率最小，当粗糙度大于或小于这一范围时，磨损率都增大。陈战等在实践中还总结出UHMWPE工程塑料的摩擦磨损性能与其分子量、填料等因素有关，并且受载荷、滑动速度、温度、湿度等因素的影响UHMWPE的耐磨性随分子量的增大而提高，当分子量超过106趋于稳定；UHMWPE的摩擦因数随载荷的增大而降低，磨损量随载荷的增大而3呈折线增加；UHMWPE的摩擦因数随滑动速度的增大而呈曲线变化玻璃化温度以下，UHMWPE的摩擦因数随温度的升高而变大；玻璃化温度以上则变小；相对湿度对UHMWPE的摩擦因数影响很小，摩擦因数随相对湿度的增大而略有降低。填料能有效地减小UHMWPE的摩擦和磨损。从摩擦磨损机理方面分析，UHMWPE的摩擦磨损性能可通过变形与粘着两方面来解释。其中变形包括与发生摩擦的物体在接触区的完全能量分散以及分子链间弱键的断裂，而粘着作用主要取决于聚合物材料的分子相互作用力大小，其中摩擦热对分子间作用力影响明显。UHMWPE的热导率非常低，摩擦界面上的热量不易导出而引起温度升高，容易导致分子结构受到破坏。作为摩擦学材料时，材料表面局部温度的升高，导致材料硬度、剪切强度等机械性能的降低，引起摩擦系数的变化以及磨损量、磨痕宽度的增强。另外，由于粘弹性，UHMWPE作为摩擦学材料的抗蠕变性能差，蠕变与摩擦热交互作用，摩擦磨损过程存在蠕变-摩擦-磨损-蠕变的复合摩擦磨损过程。目前，滑动摩擦的摩擦磨损机理主要通过磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损以及腐蚀磨损等几种磨损机理来解释。通过粗糙表面与UHMWPE进行摩擦磨损，符合UHMWPE应用过程中的摩擦磨损形式与磨损机理。现有的对塑料耐磨性能进行评价的方法一般是采用国家标准"塑料滑动摩擦磨损试验方法"(GB3960-83)，通过塑料与光滑表面对磨来进行耐磨性能测试，该方法耗时长，且无法评价UHMWPE等高耐磨性塑料的耐磨性能，对不同分子量以及不同品级的UHMWPE耐磨性能也区分不开。
发明内容本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速、简易、合理的测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，该方法是在国家标准"塑料滑动摩擦磨损试验方法"(GB3960-83)的基础上，将胶粘有砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度，经样品与摩擦环对磨，测试超高分子量聚乙烯的质量磨损量与磨痕宽度并计算体积磨损量、摩擦系数，获得不同分子量、不同品级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为100万1000万。所述的试样包括不同型号的超高分子量聚乙烯板材或管材。所述的试样为厂家提供的板材、管材的检验产品，或为平板硫化机或螺杆挤出机制备的样品。所述的摩擦环胶粘的砂纸型号为280#~320#。所述的摩擦环以200r/min的转速对磨2001500r。所述的质量磨损量、磨痕宽度以及体积磨损量、摩擦系数通过多次测试计算平均值，然后进行比较或进行相对值的比较得出超高分子量聚乙烯的耐磨性能。与现有技术相比，本发明在塑料滑动摩擦磨损试验方法的基础上，使UHMWPE与粗糙表面进行滑动摩擦磨损，测试在MH-20型摩擦磨损试验机上进行，经处理后的UHMWPE标准样与摩擦环进行滑动摩擦，摩擦环上胶粘有型号在280#~320#的砂纸，摩擦环转动速度固定在200r/min，摩擦圈数在2001500r。在国家标准"塑料滑动摩擦磨损试验方法"(GB3960-83)的基础上，通过改进MH-20型摩擦磨损试验机用摩擦环，测试UHMWPE的质量磨损量与磨痕宽度，评价不同分子量UHMWPE耐磨性能的差异，具有快速、合理的评价UHMWPE板材料、管材料的耐磨性能等优点。具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不是限制本发明的范围。本发明对试验中的摩擦介质、载荷、摩擦环转动速度等因素尽量与GB3960-83所要求的保持一致，而摩擦副的粗糙程度对测试样品的磨损量有较大影响，考虑到UHMWPE耐磨材料在实际应用中的摩擦磨损形式及其磨损机理，通过改进MH-20型摩擦磨损试验机用摩擦环，测试UHMWPE的磨损量、磨痕宽度，并判断不同分子量UHMWPE耐磨性能的差异。所述的GB3960-83各项标准包括摩擦磨损定义、试样、试验设备、状态调节、试验条件、试验步骤、结果计算等除提到的摩擦环表面粗糙度发生改变外，其余各项均适用于本发明方法。GB3960-83试验条件中涉及到的对磨2小时调整为摩擦环以200r/min的转速对磨200~1500r。耐磨性能评价可进行UHMWPE不同测试样品绝对值比较，即测量后直接进行质量磨损量、磨痕宽度等指标的比较，也可以进行相对值的比较。相对值比较可抵消并避免一些不可控因素诸如摩擦副、摩擦环境等的变化对试验结果的影响，其方法是设定标准样条，每次进行样条测试时，首先测试标准样条的磨损量与磨痕宽度，然后样条的测试结果与标准样条的测试结果进行对比，通过相对值比较不同样条的耐磨性能。采用粗糙的砂纸与UHMWPE进行摩擦磨损研究，摩擦力度大，在摩擦磨损初期以磨粒磨损为主，跑合期、稳定期短，甚至不明显，如在摩擦环上胶粘280#砂纸，当进行250r摩擦时，UHMWPE的摩擦磨损特征明显，早已经达到加速期。磨粒磨损的过程是硬质砂粒对UHMWPE光滑表面通过微刨犁、微剪切和微切割作用把材料撕裂下来，同时在摩擦表面形成裂纹，摩擦磨损500r时，UHMWPE表面因硬质颗粒的切削而脱落形成凹坑。同时，两摩擦表面生热而有粘着磨损发生，即摩擦表面温度接近或超过UHMWPE的维卡软化温度时，界面处聚合物的熔融和去除导致磨损加剧，磨损量迅速增加。摩擦过程中产生大量的热也使UHMWPE软化，重复的摩擦、滑动，导致样品形变并失效，发生疲劳磨损，在纵向产生撕裂，在横向与纵向均产生断裂纹，而且积聚的热能也使该区的高聚物发生化学降解、氧化反应。摩擦环转动750r以后，由于摩擦副砂纸的表面逐渐被磨平，粘着磨损与疲劳磨损加强。另外，高温下发生的降解、氧化反应则表现为腐蚀磨损。腐蚀磨损本身在这里是一种轻微磨损，但腐蚀磨损加剧了粘着磨损、疲劳磨损的发生。实施例1将分子量为150万的UHMWPE粉料装入定制的磨具中，调节XLB平板硫化机的温度、压力以及压制时间，获得尺寸为30x7x6±0.2mm的测试样条。测试前目测样条表面是否平整，有无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷，并用游标卡尺测量样条的长、宽、高，观察样条尺寸是否在要求的误差范围内。将样条用400#金相砂纸打磨，用酒清棉球擦洗后放入红外干燥箱烘干后称重。将胶粘有280#砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度为200r/min，将试样装入夹具并固定在试验机上，平稳加20Kg6载荷，摩擦环转动圈数经过250r、500r、750r、1000r、1500r后，测试质量磨损量、磨痕宽度如表l所示。实施例2将分子量为220万的UHMWPE粉料装入定制的磨具中，调节XLB平板硫化机的温度、压力以及压制时间，获得尺寸为30x7x6士0.2mm的测试样条。测试前目测样条表面是否平整，有无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷，并用游标卡尺测量样条的长、宽、高，观察样条尺寸是否在要求的误差范围内。将样条用400#金相砂纸打磨，用酒清棉球擦洗后放入红外干燥箱烘干后称重。将胶粘有280#砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度为200r/min，将试样装入夹具并固定在试验机上，平稳加20Kg载荷，摩擦环转动圈数经过250r、500r、750r、1000r、1500r后，测试质量磨损量、磨痕宽度如表2所示。实施例3将分子量为280万的UHMWPE粉料装入定制的磨具中，调节XLB平板硫化机的温度、压力以及压制时间，获得尺寸为30x7x6土0.2mm的测试样条。测试前目测样条表面是否平整，有无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷，并用游标卡尺测量样条的长、宽、高，观察样条尺寸是否在要求的误差范围内。将样条用#400金相砂纸打磨，用酒清棉球擦洗后放入红外干燥箱烘干后称重。将胶粘有280#砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度为200r/min，将试样装入夹具并固定在试验机上，平稳加20Kg载荷，摩擦环转动圈数经过250r、500r、750r、1000r、1500r后，测试质量磨损量、磨痕宽度如表3所示。实施例4将分子量为370万的UHMWPE粉料装入定制的磨具中，调节XLB平板硫化机的温度、压力以及压制时间，获得尺寸为30x7x6±0.2mm的测试样条。测试前目测样条表面是否平整，有无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷，并用游标卡尺测量样条的长、宽、高，观察样条尺寸是否在要求的误差范围内。将样条用#400金相砂纸打磨，用酒清棉球擦洗后放入红外干燥箱烘干后称重。将胶粘有#280砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度为200r/min，将试样装入夹具并固定在试验机上，平稳加20Kg载荷，摩擦环转动圈数经过250r、500r、750r、1000r、1500r后，测试质量磨损量、磨痕宽度如表4所示。实施例5将分子量为420万的UHMWPE粉料装入定制的磨具中，调节XLB平板硫化机的温度、压力以及压制时间，获得尺寸为30x7x6土0.2mm的测试样条。测试前目测样条表面是否平整，有无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷，并用游标卡尺测量样条的长、宽、高，观察样条尺寸是否在要求的误差范围内。将样条用400#金相砂纸打磨，用酒清棉球擦洗后放入红外干燥箱烘干后称重。将胶粘有280#砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度为200r/min，将试样装入夹具并固定在试验机上，平稳加20Kg载荷，摩擦环转动圈数经过250r、500r、750r、1000r、1500r后，测试质量磨损量、磨痕宽度如表5所示。实施例6将分子量为150万的UHMWPE粉料装入定制的磨具中，调节XLB平板硫化机的温度、压力以及压制时间，获得尺寸为30x7x6士0.2mm的测试样条。测试前目测样条表面是否平整，有无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷，并用游标卡尺测量样条的长、宽、高，观察样条尺寸是否在要求的误差范围内。将样条用400#金相砂纸打磨，用酒清棉球擦洗后放入红外干燥箱烘干后称重。将胶粘有320#砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度为200r/min，将试样装入夹具并固定在试验机上，平稳加20Kg载荷，摩擦环转动圈数经过250r、500r、750r、1000r、1500r后，测试质量磨损量、磨痕宽度如表6所示。表1实施例1中UHMWPE磨损量、磨痕宽度测试结果分子量*104(ASTMD4020)摩擦环转数(r)质量磨损量(mg)磨痕宽度(mm)15025018.69.3250026.29.9675031.710.46100042.513.14150049.213.76表2实施例2中UHMWPE磨损量、磨痕宽度测试结果分子量*104(ASTMD4020)摩擦环转数(r)质量磨损量(mg)磨痕宽度(mm)22025015.89.0250021.59.4875027.410.34100038.312.48150043.113.36表3实施例3中UHMWPE磨损量、磨痕宽度测试结果分子量*104(ASTMD4020)摩擦环转数(r)质量磨损量(mg)磨痕宽度(mm)28025014.18.8050018.69.0875023.610.14100033.811.74150036.712.07表4实施例4中UHMWPE磨损量、磨痕宽度测试结果分子量*104(ASTMD術0)摩擦环转数(r)质量磨损量(mg)磨痕宽度(mm)37025013.38.1750015.68.9675022.710.049<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表5实施例5中UHMWPE磨损量、磨痕宽度测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表6实施例6中UHMWPE磨损量、磨痕宽度测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1.一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，该方法是在国家标准“塑料滑动摩擦磨损试验方法”(GB3960-83)的基础上，将胶粘有砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度，经样品与摩擦环对磨，测试超高分子量聚乙烯的质量磨损量与磨痕宽度并计算体积磨损量、摩擦系数，获得不同分子量、不同品级的超高分子量聚乙烯的耐磨性能。2.根据权利要求1所述的一种测试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为100万1000万。3.根据权利要求1所述的一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的试样包括不同型号的超高分子量聚乙烯板材或管材。4.根据权利要求1所述的一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的试样为厂家提供的板材、管材的检验产品，或为平板硫化机或螺杆挤出机制备的样品。5.根据权利要求1所述的一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的摩擦环胶粘的砂纸型号为280#~320#。6.根据权利要求1所述的一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的摩擦环以200r/min的转速对磨200~1500r。7.根据权利要求1所述的一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其特征在于，所述的质量磨损量、磨痕宽度以及体积磨损量、摩擦系数通过多次测试计算平均值，然后进行比较或进行相对值的比较得出超高分子量聚乙烯的耐磨性能。全文摘要本发明涉及一种测试超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，该方法是在国家标准“塑料滑动摩擦磨损试验方法”(GB3960-83)的基础上，将胶粘有砂纸的摩擦环固定在MH-20型摩擦磨损试验机上，固定摩擦环转动速度，经样品与摩擦环对磨，测试超高分子量聚乙烯的质量磨损量与磨痕宽度并计算体积磨损量、摩擦系数，获得不同分子量、不同品级的超高分子量聚乙烯的耐磨性能。与现有技术相比，本发明具有快速、简易、合理等优点。文档编号G01N3/56GK101509860SQ20091004818公开日2009年8月19日申请日期2009年3月25日优先权日2009年3月25日发明者夏晋程,炜张,张玉梅,尉洪,王新威申请人:上海化工研究院