专利名称：一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法
技术领域：
本发明涉及超高分子量聚乙烯的物化性能测试，尤其是涉及一种超高分子量聚乙
烯耐磨性能的测试方法。
背景技术：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有普通聚乙烯及其它工程塑料不可比拟的耐磨性 能，耐磨性居现存塑料之冠。目前评价UHMWPE的耐磨性能的装置有滑动磨损试验机、销-盘 摩擦磨损试验机、砂浆磨损试验机三大类。砂浆磨损试验机为自由磨料式磨损试验机，试样 在旋转过程中通过与砂浆中自由悬浮的磨料的冲撞作用而产生磨损。 研制特种新材料，必须有技术先进、方法可靠、测试精度高的材料耐磨性试验设备 和评定方法。只有当材料耐磨性测试能够模拟和真实反映易损件的实际工况、测试数据具 有高精度和高可靠性时，才有可能优选出综合性能优良、性能价格比高、满足特殊使用要求 的耐磨材料。 Walley等模拟应用现场，设计了气流喷砂型冲蚀实验装置。研究结果表明，冲蚀磨 损主要取决于操作参数(冲击速度、入射角、冲击时间等)、冲蚀粒子的性质(形状、硬度、粒 子大小)和材料的性质三个因素。 王乙潜等对UHMWPE进行冲蚀实验时发现冲蚀角不同，磨损率差别很大。冲蚀磨 损有滑动、正面撞击和倾斜冲击三种形式。冲蚀角，是指测试样品表面与入射粒子轨迹之间 的夹角。当冲蚀角为0°时，物料在材料表面滑动，产生水平方向的切削力，材料表面的磨损 主要是研磨磨损，只有很轻微的撞击；当冲蚀角为90°时，物料颗粒垂直正面撞击材料表 面形成凹坑，造成材料疲劳；当冲蚀角在O。 -90°之间时，冲击形式为倾斜冲击，其冲击力 可分解为垂直方向的撞击分力和水平方向的切削分力。此时，材料表面产生的磨损既有研
磨磨损也有撞击磨损，因此既使材料表面研磨也使材料产生疲劳。当冲蚀角变大时，主要是 撞击磨损，磨损率较低；当冲蚀角在15-30°范围内时，磨损率显著。
冲蚀角对测试样品冲蚀率的影响得出以下三角函数式
E = K (Asin a ) (B-Csin a ) n2 式中，E(mmVkg)是体积冲蚀率，a为冲蚀角，K， A， B， C， n丄，n2是由冲蚀条件决定 的系数。 由上式可看出，体积冲蚀率是由两部分组成，一部分是与冲击能量的垂直分量和 塑性变形有关的参数，另一部分是与水平微切削机制有关的参数。 冲蚀角与冲蚀率之间的关系还可表现为e = A' cos2a sin(na )+B' sin2 a 式中，e为冲蚀率，a为冲蚀角，n，A' ，B'为常数。典型的脆性材料A' 二O，塑性材料B '=0，n= Ji/2a。因为对于典型的塑性材料，在低冲击角时(15-30° )，材料流失方式 除了裂纹扩展和脆性断裂，还有一定的切削作用。
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设备简单、成本
低、能克服试验误差的超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法。 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步 骤 (1)将装有超高分子量聚乙烯粉料的模具置于平板硫化机中，控制温度为210°C， 预热5-15min，预热压力为5MPa，再将压力增加到10MPa进行全压，全压时间为30min，然后 以15°C /min的冷却速率进行冷却，在温度为4(TC时出模，得到样板，超高分子量聚乙烯板 材或管材通过裁切得到样板； (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中烘干并称重； (3)将样板固定在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水混合
成的研磨砂浆，控制固定夹具的转速为1000-1400rpm，进行磨损试验3h ; (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于
红外干燥箱中烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计算，得到平均磨损率。 所述的步骤(1)中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100-1000万。 所述的步骤(1)中样板形状为矩形，前部开有圆形开口。 所述的步骤(2)及步骤(4)中红外干燥箱的烘干温度为80-120°C。 所述的步骤(3)中砂浆试验机外侧设有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过
23°C。 所述的步骤(3)中石英砂与水的重量比为2.5 : 1。 所述的步骤(3)中石英砂经分筛处理后得到的规格为16-20目。 所述的步骤(3)中固定夹具为圆盘状，中间设有螺孔连接旋转杆，固定夹具的外
圈上设有6个螺钉，样板通过螺钉固定在固定夹具上。 与现有技术相比，本发明具有以下优点 (1)利用冲蚀角在15-30°冲击角范围内磨损率显著的特性，特制专用夹具，使磨 损最大化； (2)克服样品分别在六个磨损试验容器内造成试验误差；
(3)试验设备简单，成本低。
图1为样板的结构示意图； 图2为砂浆试验机的主视图； 图3为砂桨试验机的俯视图； 图4为固定有样板的固定夹具结构示意图。 图中1为磨损试验容器、2为研磨砂浆、3为挡板、4为固定夹具、5为旋转杆、6为样 板、7为冷却夹套。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤 (1)将粘均分子量为106万的超高分子量聚乙烯粉料装入模具，置于平板硫化机中，
控制温度为210°C ，预热5min，预热压力为5MPa，再将压力增加到lOMPa进行全压，全压时间为
30min，然后以15°C /min的冷却速率进行冷却，在温度为4(TC时出模，得到样板。样板结构如
图1所示，该样板的形状为矩形，样板前部开有圆形的开口，可以固定在固定夹具上。 (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中，控制温度为IO(TC烘干，
并称重。 (3)砂浆试验机的主视图如图2所示，俯视图如图3所示，该砂浆试验机包括磨损 试验容器1、研磨砂浆2、挡板3、固定夹具4、旋转杆5、样板6、冷却夹套7，磨损实验容器内 部设置挡板3，外部套有冷却夹套7，该冷却夹套7可以控制研磨砂浆2的温度不超过23°C ， 旋转杆5上部连接在磨损试验容器1上，旋转杆5的下部连接固定夹具4，固定夹具4上固 定有样板6。安装有样板6的固定夹具4结构如图4所示，固定夹具4为圆盘状，中间设有 螺孔连接旋转杆5，夹具4的外圈上设有6个螺钉，样板6通过螺钉固定在夹具4上。将样 板6安装在砂浆试验机的固定夹具4上，砂浆试验机内装有石英砂及水按重量比为2.5 : 1 混合成的研磨砂浆2，石英砂经分筛处理后为16目，控制固定夹具4的转速为1200rpm，进 行磨损试验3h。 (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于 红外干燥箱中，控制温度为IO(TC烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计 算，得到平均磨损率，并以按ISO标准测试粘均分子量为514样品作为标样，进行相对磨损 指数的计算。
实施例2 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤 (1)将粘均分子量为345万的超高分子量聚乙烯粉料装入模具，置于平板硫化机
中，控制温度为21(TC，预热5min，预热压力为5MPa，再将压力增加到lOMPa进行全压，全压
时间为30min，然后以15°C /min的冷却速率进行冷却，在温度为40°C时出模，得到样板，该
样板的形状为矩形，样板前部开有圆形的开口，可以固定在固定夹具上； (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中，控制温度为8(TC烘干，并
称重； (3)将样板安装在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水按重 量比为2.5 : l混合成的研磨砂浆，石英砂经分筛处理后为16目，控制固定夹具的转速为 1200rpm，进行磨损试验3h，砂浆试验机的外部套有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过 23 °C ; (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于 红外干燥箱中，控制温度为IO(TC烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计 算，得到平均磨损率，并以按ISO标准测试粘均分子量为514样品作为标样，进行相对磨损 指数的计算。
实施例3 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤 (1)将粘均分子量为514万的超高分子量聚乙烯粉料装入模具，置于平板硫化机
中，控制温度为210°C ，预热15min，预热压力为5MPa，再将压力增加到10MPa进行全压，全压
时间为30min，然后以15°C /min的冷却速率进行冷却，在温度为40°C时出模，得到样板，该
样板的形状为矩形，样板前部开有圆形的开口，可以固定在固定夹具上； (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中，控制温度为9(TC烘干，并
称重； (3)将样板安装在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水按重 量比为2.5 : l混合成的研磨砂浆，石英砂经分筛处理后为16目，控制固定夹具的转速为 1200rpm，进行磨损试验3h，砂浆试验机的外部套有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过 23 °C ; (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于 红外干燥箱中，控制温度为12(TC烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计 算，得到平均磨损率。
实施例4 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤
(1)将粘均分子量为658万的超高分子量聚乙烯装入模具，置于平板硫化机中，控 制温度为21(TC，预热15min，预热压力为5MPa，再将压力增加到lOMPa进行全压，全压时间 为30min，然后以15°C /min的冷却速率进行冷却，在温度为40°C时出模，得到样板，该样板 的形状为矩形，样板前部开有圆形的开口 ，可以固定在固定夹具上； (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中，控制温度为8(TC烘干，并 称重； (3)将样板安装在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水按重 量比为2.5 : l混合成的研磨砂浆，石英砂经分筛处理后为16目，控制固定夹具的转速为 1200rpm，进行磨损试验3h，砂浆试验机的外部套有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过 23 °C ; (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于 红外干燥箱中，控制温度为IO(TC烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计 算，得到平均磨损率，并以按ISO标准测试粘均分子量为514样品作为标样，进行相对磨损 指数的计算。 实施例1-4得到的磨损指数如表1所示 表1本发明IS015527观!l试
实施例粘均分子量 (按IS01638)平均磨损 率 (%)相对磨 损指数平均磨损 率 (%)相对磨 损指数备注
110617.122342.832214以实施例3为标样
23457.9261081.365103以实施例3为标样
35147.3251001.323100标样
46586.776931.17689以实施例3为标样 实施例5 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤 (1)将粘均分子量为100万的超高分子量聚乙烯板材直接通过裁切得到样板，该
样板的形状为矩形，样板前部开有圆形的开口，可以固定在固定夹具上； (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中，控制温度为8(TC烘干，并
称重； (3)将样板安装在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水按重 量比为2.5 : l混合成的研磨砂浆，石英砂经分筛处理后为18目，控制固定夹具的转速为 1000rpm，进行磨损试验3h，砂浆试验机的外部套有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过 23 °C ; (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于 红外干燥箱中，控制温度为12(TC烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计 算，得到平均磨损率。
实施例6 —种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤 (1)将粘均分子量为1000万的超高分子量聚乙烯管材直接通过裁切得到样板，该
样板的形状为矩形，样板前部开有圆形的开口，可以固定在固定夹具上； (2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中，控制温度为12(TC烘干，
并称重； (3)将样板安装在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水按重 量比为2.5 : l混合成的研磨砂浆，石英砂经分筛处理后为20目，控制固定夹具的转速为 1400rpm，进行磨损试验3h，砂浆试验机的外部套有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过 23 °C ; (4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于 红外干燥箱中，控制温度为8(TC烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计 算，得到平均磨损率。
权利要求
一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)将装有超高分子量聚乙烯粉料的模具置于平板硫化机中，控制温度为210℃，预热5-15min，预热压力为5MPa，再将压力增加到10MPa进行全压，全压时间为30min，然后以15℃/min的冷却速率进行冷却，在温度为40℃时出模，得到样板，超高分子量聚乙烯板材或管材通过裁切得到样板；(2)用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中烘干并称重；(3)将样板固定在砂浆试验机的固定夹具上，砂浆试验机内装有石英砂及水混合成的研磨砂浆，控制固定夹具的转速为1000-1400rpm，进行磨损试验3h；(4)磨损试验结束后，将磨损后的样板取出，用酒精棉球擦洗样板，再将样板置于红外干燥箱中烘干并称重，计算重量磨损率，然后重复三个样板进行计算，得到平均磨损率。
2. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(1)中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100-1000万。
3. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(1)中样板形状为矩形，前部开有圆形开口。
4. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(2)及步骤(4)中红外干燥箱的烘干温度为80-120°C。
5. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(3)中砂浆试验机外侧设有冷却夹套，控制研磨砂浆的温度不超过23t:。
6. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(3)中石英砂与水的重量比为2.5 : 1。
7. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(3)中石英砂经分筛处理后得到的规格为16-20目。
8. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，其特征在于， 所述的步骤(3)中固定夹具为圆盘状，中间设有螺孔连接旋转杆，固定夹具的外圈上设有6 个螺钉，样板通过螺钉固定在固定夹具上。
全文摘要
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯耐磨性能的测试方法，该方法包括以下步骤将装有超高分子量聚乙烯的模具置于平板硫化机中，控制温度为210℃，进行预热预压及全压，再冷却出模得到样板；擦洗样板并烘干称重；将样板安装在装有砂浆的砂浆试验机的固定夹具上进行磨损试验；擦洗磨损后的样板，烘干称重后计算重量磨损率，重复三个样板计算平均磨损率。与现有技术相比，本发明利用冲蚀角在15-30°冲击角范围内磨损率显著的特性，特制专用夹具使磨损最大化，并克服样品分别在六个磨损试验容器内造成试验误差，试验设备简单，成本低。
文档编号G01N3/56GK101710052SQ200910198478
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者吴向阳, 夏晋程, 张炜, 张玉梅, 徐静安, 洪尉, 王新威, 赵春保 申请人:上海化工研究院;上海联乐化工科技有限公司