添加劑對聚氨酯材料摩擦性能的影響*

謝 心 郭智威 蔣劭力 袁成清

(1.武漢理工大學能源與動力工程學院 湖北武漢 430063；2.國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

在船舶軸系結構中，用水作潤滑介質不僅具有無污染、來源廣泛、節省能源、難燃和安全等特點，而且還能減少因摩擦副相對運動而產生的磨損、沖擊、振動和噪聲，解決可靠性差和壽命較短等問題[1]。因此，研究水潤滑軸承對于提高機械的效率、減少摩擦和磨損等有著重要的意義。隨著水潤滑軸承的推廣與應用，改變了長期以來機械傳動系統中都是以金屬構件組成摩擦副的傳統觀念，不僅節省了大量油料和貴重有色金屬，并且簡化了軸系結構。近些年來，國外設計并生產了許多新型水潤滑軸承材料[2]，如增強酚醛樹脂、陶瓷、新型尼龍、飛龍、賽龍和聚四氟乙烯等材料[3-6]。我國對水潤滑尾軸承的研究起步比較晚，很多材料都是通過進口得到，比如英國的ACM和飛龍、加拿大的賽龍等。因此，研究新型的水潤滑軸承材料迫在眉睫。

目前國內使用的水潤滑軸承主要以橡膠材料為主，但橡膠材料的彈性模量低，承載能力差，大大限制了其在水潤滑軸承領域中的廣泛應用。聚氨酯(PU)以其優異的耐磨性，很寬的硬度范圍，高彈性，耐疲勞性和減震能力，良好的耐油和耐多種溶劑性等特性，成為水潤滑軸承的首選材料[7]。特別是聚氨酯彈性體材料是一種高性能“人造橡膠”，是被認為最接近“賽龍”的材料。近年來，聚氨酯用于水潤滑軸承材料的研究也越來越受到人們的關注[8]，但是PU自身承載能力低、干摩擦因數高和抗干摩擦學性能差，這些缺陷極大地限制了它在水潤滑軸承中的應用。為提高聚氨酯的性能，可采用物理或者化學的方法對聚氨酯進行改性，從而制備成摩擦學性能優越的復合材料。通常采用的物理改性法是通過添加纖維或者無機填料進行共混改性，而化學改性法則是指通過化學接枝、嵌段或者添加有機聚合物進行高分子共混。李方等人[9]用聚氨酯與硅烷偶聯劑反應，采用溶膠-凝膠方法制備了耐高溫的有機-無機雜化聚氨酯復合材料。李裕琪等[10]以環氧樹脂(EP)和短切碳纖維(SCF)為改性劑對聚氨酯(PU)進行了改性。WANG等[11]用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)共混改性聚氨酯彈性體，制備出新型抗磨損復合材料。

本文作者通過在聚氨酯預聚體中加入不同含量的潤滑脂、合成蠟和消泡劑，再和固化劑混合澆注成型，然后在不同的工況下對制備的幾種材料進行摩擦學性能測試，探究添加劑對聚氨酯材料摩擦性能的影響，并探討材料在水潤滑條件下的磨損機制。

1 試驗部分

1.1 試樣的制備

聚氨酯材料制造工藝如下：以科聚亞公司生產的甲苯二異氰酸酯(TDI)為預聚體，將其加熱到80 ℃，在恒溫下真空脫泡，與在110 ℃下經過4 h烘干后的粉料混合制成A料；將固化劑的4,4′-亞甲基雙(3-氯-2,6-二乙基苯胺)在95 ℃恒溫下熔融得到B料；將A、B料混合后澆注到恒溫110 ℃的模具內，在10～30 MPa的模壓下制成聚氨酯材料。為探討添加劑對聚氨酯材料性能的影響，在制備A料時分別添加不同成分的添加劑，其中第一組材料添加了0.2%的潤滑脂和0.5%的消泡劑，以PU-1表示；第二組材料在第一組材料的基礎上又加入5%的合成蠟，以PU-2表示，第三組材料為不添加潤滑脂、合成蠟和消泡劑的空白對照組，以PU-3表示。

通過精加工將制備的聚氨酯復合材料制成銷試樣，銷試樣為圓柱體，其直徑和高度分別為10 mm和20 mm。對摩圓盤為鑄銅盤，其材料為ZCuSn10Zn2(9%～11% Sn，1%～3% Zn，Pb不大于1.5%，Ni不大于2%，Fe不大于0.25%，Mn不大于0.2%，S不大于0.1%)，外徑為60 mm，高度為10 mm，中心開一個內徑為8 mm的圓孔。材料表面粗糙度Ra不高于3.2，硬度約為HB785。

1.2 試驗設備

試驗在武漢理工大學CBZ-1型船舶軸系摩擦磨損試驗機上進行，所有參數均為在線測量，每隔1 s采集一次摩擦因數、轉速、扭矩、功率和載荷等，速度測試精度為±1%，載荷測試精度為±5%，扭矩測試精度為±0.2%。摩擦機試驗原理圖如圖1所示。

圖1 試驗機原理圖

在盤-銷摩擦副對摩試驗時，摩擦力對主軸產生扭矩，根據摩擦學庫侖定律，摩擦因數計算公式為

(1)

式中：T表示試驗機摩擦力矩，N·m；R表示滑動半徑，mm；F表示試驗機軸的試驗力，N。

1.3 試驗方案

參照美國軍標MIL-DTL-17901C(SH)相應標準，設計了銷的靜態實驗，即同一轉速下進行4種不同載荷試驗。試驗時，試驗機轉速設定為250 r/min；試驗銷在銅盤上的平均滑動半徑為23 mm，其相應的滑動速度為0.55 m/s；銷試樣與銅盤接觸面直徑為10 mm，摩擦副接觸面面積為78.54 mm2。為探究聚氨酯材料的可靠性，設定4種載荷，分別為1.1、1.5、1.9、2.3 MPa，其相對應的壓力分別為88、120、152、184 N。所有試驗均在室溫狀態下進行，試驗潤滑介質為蒸餾水。

2 試驗結果與討論

2.1 添加劑對聚氨酯材料摩擦因數的影響

靜態試驗中每個試驗時長為7 800 s，圖2給出了在載荷1.1、1.5、1.9、2.3 MPa下3種試樣的摩擦因數隨時間的變化趨勢。

圖2 不同載荷下3組試樣摩擦因數變化趨勢

從圖2(a)、(b)可以看出，在1.1和1.5 MPa工況下，隨時間的增加3組試樣的摩擦因數均呈現出逐漸減小并趨于穩定的趨勢，這是因為剛開始接觸時摩擦副表面直接接觸還未形成水膜，此時處于干摩擦狀態下，所以摩擦因數較大；隨著試驗的進行，銷試樣和鑄銅盤的相對運動產生的動壓效應形成了流體潤滑膜，避免了摩擦副界面之間的直接接觸，因而摩擦因數降低并逐漸趨于穩定。如圖2(c)、(d)所示，隨著比壓的增大，水膜產生過大的潤滑壓力導致潤滑表面發生變形，局部壓力過大導致水膜的黏度發生變化，反過來會影響水膜的厚度，也會影響動壓潤滑的形成，由此造成3組聚氨酯材料的摩擦因數普遍升高，比壓越大摩擦因數越高[12]。

在低壓工況下，未加入添加劑的PU-3試樣的摩擦因數降低的趨勢明顯快于其他2組試樣，這是因為在水潤滑條件下，聚氨酯含有大量的極性羥基和氨基酸，水分子很容易與羥基、氨基酸通過氫鍵結合形成水分子吸附膜；另一方面復合材料與金屬表面都有粗糙度及微觀孔穴等，這些都有利于水的存留與滲透，從而改善了摩擦副表面的潤滑狀態[13]。這說明在低壓工況下添加劑對降低聚氨酯的摩擦因數并沒有很好的效果。而在2.3 MPa高壓工況下PU-2試樣的摩擦因數遠低于其他2組試樣，這是因為消泡劑在聚氨酯試樣澆注過程中能有效地抑制或消除試樣內部的微小氣孔，改善了化學穩定性，提高了承載能力；同時潤滑脂和合成蠟的添加提升了試樣本身的自潤滑性能，因此能更好地適應在高壓工況下的摩擦。

綜上，潤滑脂、消泡劑、合成蠟3種添加劑可以改善聚氨酯的潤滑狀態，提高其承載能力。

2.2 添加劑對聚氨酯材料穩定性的影響

為探討添加劑對聚氨酯材料穩定性的影響，表1給出了3組聚氨酯試樣的平均摩擦因數以及方差分析結果。

方差的大小是反映隨機變量和其數學期望之間的偏離程度，表1中的方差分析則是衡量摩擦因數的全部數值的波動程度，方差大則波動大，方差小則偏離平均值的程度小。結合4種工況下的數據得出結論：潤滑脂和消泡劑能改善聚氨酯的穩定性，添加合成蠟后效果更加明顯。

磨損量也能反映材料在摩擦過程中的穩定性和可靠性，圖3所示為3組聚氨酯試樣在4種載荷下的磨損量。在載荷1.1、1.5、1.9 MPa下，3組試樣的磨損各有高低，顯然每種試樣在不同比壓下的適應能力以及潤滑狀態不盡相同，而在載荷2.3 MPa下PU-2試樣的磨損量極低，說明潤滑脂、合成蠟和消泡劑能顯著提高聚氨酯材料的耐磨性以及穩定性。

表1 3組聚氨酯試樣的平均摩擦因數及方差分析

圖3 不同載荷下3組聚氨酯試樣的磨損量

2.3 磨損表面分析

為了探究聚氨酯用作水潤滑軸承的安全性可靠性，下面以2.3 MPa高壓工況為例，通過激光干涉位移表面輪廓儀以及超景深顯微鏡2種3-D測量系統，觀察摩擦副的表面形貌并分析聚氨酯復合材料的磨損機制。

由圖4可見：PU-1的對摩銅盤表面上分布著較為均勻但深淺不一的溝槽，PU-2的對摩銅盤表面有密布的凸峰，但高度相差不大，沒有出現明顯的犁溝形磨損，而PU-3的對摩銅盤表面微凸峰和凹谷比較明顯，犁溝現象十分突出，磨損較為嚴重。

如圖5所示，通過超景深顯微鏡可以看到，與PU-1試樣對摩的銅盤表面呈現密布均勻的劃痕，粗糙度較大，可能是在重載工況下無法形成水膜或者水膜厚度不夠，材料和銅盤表面尖峰接觸；與PU-2試樣對摩的銅盤表面有部分的輕微劃痕，可以看出溝槽較淺也較小，且粗糙度很小，說明潤滑狀態處于流體動壓潤滑，有良好的潤滑效果；與PU-3試樣對摩的銅盤表面顯而易見有較深的犁溝，表面擦傷現象嚴重，而且鑄銅盤的磨損量較大，可能為磨粒磨損。由此可見，潤滑脂、消泡劑和合成蠟能有效地改善聚氨酯材料在高壓下的潤滑狀態，減輕對摩擦副的磨損情況。

圖4 激光干涉位移表面輪廓儀下的鑄銅盤表面形貌

圖5 超景深顯微鏡下的鑄銅盤表面形貌

同樣，也可以從磨損量的角度來驗證材料的磨損狀況，如表2所示，在載荷2.3 MPa下，PU-2試樣與之對摩的鑄銅盤的磨損量都極低，表明潤滑脂、消泡劑和合成蠟能有效提高聚氨酯材料的耐磨性以及降低配副摩擦鑄銅盤的損耗，避免摩擦副磨損嚴重導致一些危害的發生，由此提高了聚氨酯材料作為水潤滑軸承的安全性和可靠性。

表2 在2.3 MPa下3組試樣及對摩銅盤的磨損量

3 結論

(1)在低壓工況下，不加添加劑的聚氨酯材料的平均摩擦因數較小但數據波動較大，添加0.2%潤滑脂和0.5%的消泡劑后聚氨酯材料的摩擦因數略大但穩定性更好，進一步添加5%的合成蠟后對材料穩定性能的改善效果更加明顯。

(2)在高壓工況下，潤滑脂、消泡劑和合成蠟的添加能有效地改善聚氨酯材料的承載能力，減小了摩擦因數和材料的磨損量，對聚氨酯材料的耐磨性有較大的提升。

(3)在2.3 MPa下，不加添加劑的聚氨酯材料出現了劇烈磨損，對摩銅盤表面出現大量深而密集的溝槽，而加入0.2%潤滑脂、0.5%消泡劑以及5%合成蠟后明顯地改善了聚氨酯材料在水潤滑條件下的潤滑性能，使得對摩銅盤表面較為光滑，劃痕較淺也較少。因此，潤滑脂、消泡劑和合成蠟添加劑提高了聚氨酯材料作為水潤滑軸承的安全性和可靠性。