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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的摩擦磨损性能的研究
2014-06-24 16:06:18

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的摩擦磨损性能的研究

5.1摩擦磨损机理
  目前认为UHMWPE存在3种磨损机理即:粘着磨损,磨粒磨损和疲劳磨损。在于不同的对磨面摩擦时,UHMWPE表现为不同的磨损机理和磨损现象。在与光滑的对磨面摩擦时,UHMWPE主要表现为两种摩擦机理:即摩擦一开始便出现的粘着磨损和磨损一段时间后才发生的的疲劳磨损。在与磨粒或表面粗糙的对磨面对磨时,UHMWPE的磨损则以磨粒磨损和疲劳磨损为主。
  在滑动摩擦中,UHMWPE磨损可分为3个阶段:跑合期、稳定磨损期、加速磨损期。在跑合期,UHMWPE表面形成了一系列隆起,当达到稳定磨损期,隆起消失。在钢表面的反复碾压下,磨屑变得非常小且堆积在一起。在加速磨损期,反复的滑移造成表面的热软化,发生大范围的撕裂和断裂。在磨损过程中,将伴随发生热降解和热氧化,由此导致更严重的磨损。
  最近Nonaka等人研究了UHMWPE在旋转运动中的磨损机理,利用直径为3mm的氧化铝陶瓷半球在UHMWPE板材的表面高速旋转来观察其摩擦行为,发现UHMWPE的接触面单向变形,并有硬凸轴状的半球性凹坑;卸载后完全弹性恢复,接触面轮廓呈“W”形。
5.2摩擦磨损因素的研究[43]
 金属摩擦因数基本为常数,与载荷、相对运动速度等无关。而高聚物的摩擦磨损行为非常复杂,具有“时间依赖性”和“温度依赖性”,这主要是因为高分子材料具有粘弹性。材料的摩擦性能通常体现在以下几个方面:(1)材料越硬耐磨性越好;(2)材料硬度虽低,但摩擦因数很低,同样也使得磨损量很低;(3)摩擦磨损环境以及摩擦副的材料特性对磨损性能有很大影响。UHMWPE硬度虽低,但具有良好的自润滑特性,摩擦因数低,为0.07一0.1l(而钢摩擦因数高达。0.58),因此具有良好的耐磨性,耐磨性远远高于一般的低碳低合金钢。
  针对UHMWPE材料本身改性来提高材料的硬度、摩擦因数和耐磨性等,这方面的情况将在下面的内容中作专门介绍。相同材料主要是摩擦磨损环境及摩擦副的材料对磨损的影响。摩擦磨损环境包括摩擦介质(即润滑剂)、载荷、滑动速度、温度和摩擦副表面粗糙度等。
5.3摩擦磨损环境的影响
  有人研究了在干摩擦、低载荷、低滑动速度下不锈钢表面粗糙度对UHMWPE摩擦磨损特性的影响。结果表明,在此条件下,不锈钢表面粗糙度对UHMWPE的摩擦磨损有较大影响。较低的表面粗糙度导致较高的粘着磨损,而较高的表面粗糙度引起更大的磨粒磨损,因而存在着最佳的表面粗糙度,使得UHMWPE摩擦因数较低,磨损率最小。这种摩擦特性与Barrett等用销一盘(pinondisk)磨损试验机,研究不同对磨面表面粗糙度对磨损行为的影响相同。
  Cooper等把对磨面为光洁的金属或陶瓷与UHMWPE的滑动磨损特征分为两类。微观磨损过程与非常细小的表面微粒和光滑的对磨面相关,而大块的聚合物磨损与聚合物表面粗大的凸起部分底层的应力集中有关。因为UHMWPE的磨损率跟摩擦因数有很大关系,ImadJ等发现接触条件对摩擦因数有很大影响,并且触点温度与润滑剂温度成线性关系。
  过去人们普遍认为触点压力和滑动速度是磨损的主要因素,但最近的研究发现,在相同条件下,UHMWPE磨损率对负荷敏感性不大,但对滑动速度的敏感性很大。Nakanish最近发现了一个新的评价UHMWPE磨损性的参数,即支撑面上润滑剂的接触时间。通过专门设计的一种销盘试验机研究,结果表明,UHMWPE的磨损率随接触时间减少而增加,而触点压力滑动速度不变。
5.4.摩擦副材料对UHMWPE磨损性能的影响
普通的UHMWPE摩擦磨损试验中一般用不锈钢做摩擦副,由于UHMWPE广泛应用于置换关节中,国外对它的生物学摩擦性研究较多,并大多数研究集中在摩擦副为不同陶瓷下的摩擦行为。在血清润滑条件下,UHMWPE与赛隆结合碳化硅复合材料(SIAIN陶瓷)在摩擦磨损过程中,UHMWPE转移到SIAIN陶瓷表面,并发生氧化;在摩擦副中UHMMPE的摩擦因数为0.06。用类金刚石碳膜/Ti6川4V(钦合金)材料与UHMWPE从在润滑剂与干润滑条件下进行摩擦学研究发现,干摩擦时,转移的UHMWPE成分填充在颗粒及缺陷间隙,形成固体润滑膜叫。UHMWPE与Ti6A14V,Ti6A14V一TIN一TIC(钦合金陶瓷材料)梯度薄膜材料等对磨时发现,UHMWPE与陶瓷薄膜材料组成摩擦副随着陶瓷薄膜表面硬度提高,UHMWPE耐磨性增强。UHMWPE与Ti6A14V一TIN一TIC梯度薄膜材料配对时,UHMWPE磨损量最小,接触表面磨损后最光滑,但无减摩性。UHMWPE在摩擦磨损过程中,以塑性变形和疲劳磨损为主,与Ti6A14V对磨,UHMWPE表面粗化,磨损最大,与表面硬度最高的Ti6A14V一TIN一TIC梯度薄膜材料对磨,UHMPE抗磨粒磨损能力最强。摩擦副表面为镀COCrMO表面比锻造肠CrMo合金表面引起的UHMWPE磨损小的多。
 2改进UHMWpE摩擦磨损性能方法
  影响UHMWPE摩擦磨损性能的几个因素:UHMWPE分子的结构、填料、摩擦磨损环境以及摩擦副的材料特性。因而要改进及研究UHMWPE的摩擦磨损性能就应主要从这几个方面着手。
5.5改变UHMWPE的分子结构
改变UHMWPE分子结构的方法:(1)增加分子链长度或相对分子质量;(2)产生伸直链晶体;(3)生成交联UHMWPE。增加分子链长度和相对分子质量虽已经有人研究,但未见文献报道,由于聚合催化剂以及添加剂会有伴发反应,组件的设计也会影响其作用,故它对磨损性能的作用很难决定。但随相对分子质量的增大,UHMWPE的耐磨损性将有所增强。相对分子质量为497X10的UHMWPE比相对分子质量为289X10‘的UHMWPE的耐磨性提高约31%。有报道用高温高压使普通UHMWPE的结晶度及晶片厚度增加,这种高聚物有望增加某些力学性能,例如屈服强度、弹性模量等。但是对磨损性能不利。在实验中Hylamer没有发现摩擦性能提高,最近的临床实践报道表明其并不比普通UHMWPE有更好的性能。
  交联是改善UHMWPE耐磨性的一个有效途径。经过氧化物交联改性的UHMWPE热变形温度和力学强度提高,材料的体积磨损速率减小。辐照交联是一种表面强化技术,辐照过程可同时发生交联与降解,高聚物的分子链结构决定了化学反应是以交联为主还是以降解为主。研究表明,经辐照处理的UHMWPE股关节头磨损率比同样条件下未经辐照交联处理的磨损率低。有人研究了多步下射线交联对UHMWPE的影响,试验表明,磨损速率随累积辐照量的增加而降低。后来ohta等人将UHMWPE先辐照产生轻度交联,然后将其压制、冷却结晶,发现结晶相发生特殊的空间取向。这种压制后的试样热力学性能和力学性能都比未压制的大大提高,磨损率也因此大大降低。最近研究表明,在氮气氛下经多步辐照处理UHMWPE在用于镜关节模拟器上,比传统的UHMWPE具有更好的耐磨性能。交联UHMWPE现已成为最新研究的重点之一。
  利用UHMWPE纤维增强也是一种有效的方法。Suh等在UHMWPE模中生成了一种UHMWPE均聚物,包含有连续高强的UHMWPE纤维。当这种纤维垂直滑动面单轴取向时在干摩擦下的磨损量比一般各向同性UHMWPE低一个数量级。Suh早期的研究认为单轴取向纤维增强高分子共混物,在纤维的取向垂直于滑动面时磨损率降低。可以认为这种磨损量的减小是由于在平行于滑动面(分层剥离磨损时)上纤维阻止了裂纹扩展。这种结果也将激起人们对双轴取向纤维增强UHMWPE共混物的进一步研究。
 5.6填料改进磨损性及摩擦机理的研究
  UHMWPE优良的摩擦磨损性能基于其内部结构,通常UHMWPE的三级结构是由缠结在一起规整的线型长分子链构成的“球晶”所组成,具有较高的结晶度和较强的分子间作用力。填料或增强材料的加入都将不同程度的改变球晶的形状、大小和结晶度,从而改变材料的机械和摩擦磨损性能。研究表明,适量的加入MoSZ,eaeo。,KZTIO3,5102,A12O。、云母(Miea)、硅藻土、粉煤灰、石墨、玻璃纤维、玻璃微珠、金属及金属氧化物等无机填料都可不同程度地提高UHMWPE的弹性模量和表面硬度。这些填料一方面可支撑负荷、减小变形,另一方面使对偶摩擦面打磨与抛光,造成光滑的对磨面,从而降低了磨损。
  用高岭土填充UHMWPE可明显减少磨损率,提高复合材料的耐磨性。高岭土填充UHMWPE可采用两种方法,即机械混合和釜内聚合。高岭土质量分数为20%左右的聚合型材料磨损率最低,是相同纯UHMWPE的56%。用机械混合方法加人的高岭土对复合材料耐磨损性的改进不明显,高岭土质量分数为17%左右的混合型材料磨损率最低,为相同相对分子质量的纯UHMWPE的85%。当高岭土质量分数超过20%时,随高岭土含量的增加,复合材料的摩擦因数和磨损率不降反升。
  纳米填料尺寸小,改性作用与一般填料不同。纳米Al203加入UHMWPE可以降低其摩擦因数,使其耐磨完全克服了UHMWPE硬度低、抗磨粒磨损性能差的缺点,扩大了UHMWPE的应用范围。有人对纳米Al203、玻纤、石墨和玻璃微珠等材料填充的UHMWPE复合材料进行了拉伸、硬度和磨损性能试验比较。结果表明:不同填料对UHMWPE性能的影响不一样,几种填料填充UHMWPE后,其硬度及耐磨性有不同的改善,而拉伸强度和断裂伸长率有不同程度的下降;其中以质量分数为10%的纳米AI203填充UHMWPE综合性能最佳;石墨填充材料的加人会使UHMWPE拉伸强度和断裂伸长率下降较大,脆性增大,但可较好地改善UHMWPE的耐磨性。
  填料对UHMWPE摩擦因数的影响时发现,添加玻璃纤维对摩擦因数影响较大,使摩擦因数增大,添加碳纤维对摩擦因数几乎没有影响,添加MoS2聚四氟乙烯(PTFE)、石墨可降低摩擦因数。当填料比例不超过质量分数20%时,Mo岛,PTFE、石墨、玻璃纤维和碳纤维等填料均可大幅度提高UHMWPE的耐磨性,其中石墨的减摩抗磨效果最佳。UHMWPE和石墨构成的复合材料同UHMWPE相比,不仅耐磨性提高,而且摩擦因数大大降低。填充粉煤灰使磨损量增大;填充玻璃微珠在质量分数20%以内时,对磨损量基本无关,但超过20%后,随着填人量的增大磨损量提高。有人比较了Al2O3,SIC和石英砂对UHMWPE的耐磨性的影响,发现3者都使耐磨性提高,但以40目石英砂时耐磨损性能最佳,而且质量分数在20%-40%时,磨损量似乎不随填充量变化。胡平等以Al2O3,si、炭黑和玻璃微珠作为填料进行了试验研究,发现这些填料的加人改善了UHMWPE的表面硬度、热变形温度及抗磨损性能。特别是玻璃微珠在经偶联剂处理后,可使UHMWPE的耐磨性提高约40%,可使热变形温度提高近40OC。但上述填料的加入均导致冲击性能有所下降,这对不同填料有所差别,如炭黑填充的UHMWPE下降较快,玻璃微珠填充的下降较慢。
 5.7UHMWPE共混物的摩擦磨损性能研究
  四川大学刘功德在研究UHMWPE/聚丙烯(PP)共混物时,发现适量的PP加人,可显著提高UHMWPE的摩擦磨损性能,与纯UHMWPE相比,在相同的磨损条件下,UHMWPE共混物摩擦因数和磨痕宽度较小。随负荷的增加和磨损时间的延长,UHMWPE的磨损量迅速增加,而UHMWPE/PP的磨损量增加就相对缓慢得多。由于在较低的滑动速度下(Zoor/min),UHMWPE的磨损主要是粘着磨损和疲劳磨损,而UHMWPE/PP共混物则表现出很好的抗疲劳磨损能力。在较高的滑动速度下(400r/min),UHMWPE磨损表面的温度很高,发生因表面熔融而导致快速的磨损。而对UHMWPE/PP而言,由于摩擦因数小,表面温度较低,无明显的表面熔化现象,因而材料的磨损量较小。与UHMWPE对磨时在金属表面有转移膜形成,而与UHMWPE/PP对磨时在金属表面无转移膜,而是在钢环表面形成细小的圆柱形长条状的粉末。摩擦界面间的磨屑起有效的减摩耐磨剂的作用。
  C.Liu用马来酸配接枝高密度聚乙烯(HDPE一g一MAH)相容剂来共混聚酞胺6(PA6)与UHMWPE,发现共混物摩擦性对压力的敏感性比UHMWPE和PA6小,但是对滑动距离的敏感性却是3者中最大的。PA6/UHMWPE作为一种新材料目前对研究还很少,有待进一步工作。若要增大UHMWPE的摩擦因数,还可通过添加橡胶或聚氨醋及其他高聚物。在砂浆磨损试验中,发现PTFE的加人使磨损率略有下降,耐磨性略有提高。
5.8加工方法对摩擦性的影响
  四川大学在研究了超声辐照对UHMWPE/PP的加工流变行为,超声辐照不仅对流变性有影响,而且对挤出物的摩擦磨损性有影响。挤出过程中的超声辐照可进一步降低摩擦因数和磨痕宽度,提高材料的摩擦磨损性能。另外退火处理时,发现在适当的退火温度下,样品的摩擦磨损性能有所提高。表明退火处理消除残余应力,提高结晶度和结晶的完善程度,亦有利于改善摩擦磨损性能。
前景与展望
  UHMWPE耐磨性是其应用和区别于其他工程塑料的重要特性,目前对UHMWPE摩擦磨损性能的改进还有一些不足之处,主要是填料的加人可能使UHMWPE加工困难,并导致某些力学性能尤其是冲击性能的明显下降;UHMWP进行交联、改变分子结构等化学改性,技术难度大等问题。这些问题是今后研究的方向。
  UHMWPE与某些高分子改性剂共混既能改善流动性,又能使耐磨性提高,因此探讨有效的高分子改性剂也将是一个重要的研究方向。关于加工方法,超声辐照、退火等都对提高耐磨性有助,但现在研究并不多,有待进一步研究和探讨其他有效的加工方法。