UHMWPE減摩耐磨改性研究進展

劉巧云，祁秀秀，楊 怡，朱 巖

（常州工程職業技術學院 檢驗檢測認證學院，江蘇 常州 213164）

超高相對分子質量聚乙烯（UHMWPE）是指相對分子質量在1.5×106以上的無支鏈的線型聚乙烯［1］，是一種新型工程塑料。極高的相對分子質量賦予了其不同于常規塑料的優異性能（如耐磨性、自潤滑性、抗沖擊性、生物相容性、耐酸堿性、憎水性［2-5］），被廣泛應用于輸送管道、食品工業、醫療行業、紡織機械等領域［6-7］。但是，UHMWPE硬度較低，耐磨粒磨損性能較差［8］，因而在應用時會導致一定的損失。據不完全統計，因摩擦磨損引起UHMWPE工程材料失效而產生的經濟損失高達數千億美元［9］。此外，UHMWPE作為人工關節［10］應用于生物醫學領域時，由于其較差的耐磨粒磨損性能，會產生大量磨屑，從而誘發炎癥，使材料在長期服役后失效。本文綜述了目前國內外有關UHMWPE的摩擦磨損機理及其主要的減摩耐磨改性體系的研究進展，并展望了其未來的發展趨勢。

1 UHMWPE的摩擦磨損機理

UHMWPE的摩擦磨損行為規律且復雜，而且材料的摩擦因數和磨損率不存在明確的相關性，其機理研究主要是摩擦磨損理論。兩個相互接觸的固體表面在相對運動時，伴隨著摩擦，材料表面必然不斷損失、轉移，這種現象稱為摩擦磨損。長期應用于工程領域的UHMWPE發生的磨損主要包括疲勞磨損、磨粒磨損、黏著磨損、沖蝕磨損等［11］。龔國芳［12］制備了UHMWPE/高嶺土復合材料并進行了砂漿沖蝕磨損實驗，觀察磨損試樣發現，材料表層和亞表層產生開裂翹曲，砂漿多次作用后產生剝落、撕裂，即發生沖蝕磨損。劉金龍等［13］通過掃描電子顯微鏡觀察了UHMWPE往復摩擦磨損表面形貌，發現沿磨損方向呈現大量的溝槽、微裂紋，可視為疲勞磨損。熊黨生等［14］制備了UHMWPE/Al2O3復合材料并在生理鹽水潤滑下進行了摩擦實驗，發現磨損表面可見大量細小磨屑，是磨粒磨損的結果。

2 UHMWPE的減摩耐磨改性研究進展

UHMWPE減摩耐磨復合材料是近年來新出現的先進工程材料，具有高強度、高抗沖擊性、高耐磨性等一系列優異性能，其改性方法受到了國內外學者的廣泛關注。

2.1 無機填料填充改性

經無機填料填充改性后的UHMWPE復合材料可以實現減摩耐磨性能。Cao Zhen等［15］研究了納米CuO粒子原位填充對復合材料摩擦性能的影響，結果表明，原位填充可以改善納米CuO粒子在UHMWPE中的分散性，復合材料的平均滑動摩擦因數降低了34%，并且在引入納米CuO后，磨損機制從黏著磨損轉變為疲勞磨損。Wang Ziyang等［16］研究了纖維與顆粒的摩擦行為及其協同作用對UHMWPE復合材料的影響，發現含碳纖維、聚苯酯和納米級銅顆粒的材料磨損率最低。Bahrami等［17］研究了氧化石墨烯對UHMWPE復合材料摩擦性能的影響，結果表明，隨著氧化石墨烯含量的增加，復合材料的磨損率和平均摩擦因數降低，在聚合物基體中僅添加5%（w）的氧化石墨烯，磨損率和平均摩擦因數分別降低了約34%，3.8%。Zhang Heng等［18］研究了Ti3C2對UHMWPE納米復合材料形態、結構和性能的影響，結果表明，UHMWPE/Ti3C2復合材料表現出更好的減摩性能，Ti3C2的加入可以減少黏著磨損和犁削摩擦，使UHMWPE/Ti3C2復合材料的磨損表面較純UHMWPE更光滑。Xin Xiaocui等［19］研究了納米WS2含量對UHMWPE微動磨損性能的影響，結果表明，納米WS2的加入量為1.5%（w）時，摩擦因數最低，為0.305；隨著納米WS2含量的增加，復合材料的摩擦因數和磨損率有所增加，但低于純UHMWPE。Vinoth等［20］利用現有數據庫模擬了多壁碳納米管與石墨烯協同作用對UHMWPE復合材料摩擦性能的影響，結果表明，所設計復合材料的力學性能和摩擦性能顯著提高，摩擦因數為0.260。Mohammed等［21］通過球磨工藝，然后熱壓制備了UHMWPE/有機黏土復合材料，與純UHMWPE相比，當添加1.5%（w）的有機黏土氯鎂石，納米復合材料具有最佳的耐磨性和較低的摩擦因數，磨損率降低了41%，摩擦因數為0.101，降低了38%。這些改進歸因于納米級黏土片的均勻分散以及背面形成薄而堅韌的連續轉移膜。Panin等［22］研究了石墨和二硫化鉬對UHMWPE耐磨性的影響，發現復合材料摩擦因數降低了30%，二硫化鉬在基體中起固體潤滑劑的作用，是提高其耐磨性的有效填料。Chang等［23］研究了質量分數為5%～20%的納米氧化鋅顆粒對UHMPWE力學性能、摩擦性能的影響，結果表明，UHMWPE/ZnO復合材料的磨損性能提高，平均摩擦因數降低，磨損表面的磨損程度降低。Colla等［24］考察了加入有機膨潤土對UHMWPE/羥基磷灰石（HA）耐磨性能的影響。結果表明，添加10%（w）的有機膨潤土可以通過剝離/插層的方式改善UHMWPE與HA的界面相容性，復合材料的彈性模量、抗拉強度、摩擦因數和磨損率效果最好。

2.2 表面改性

為了實現材料在水介質條件下的低摩擦磨損，很多學者采用表面改性的方式將親水性物質接枝到UHMWPE粉體上。Deng Yaling等［25］采用紫外光輻照法將親水丙烯酸接枝到UHMWPE粉體上，研究了改性UHMWPE在往復摩擦計上對CoCrMo金屬板的長期摩擦性能，結果表明，接枝能有效提高復合材料的表面潤濕性，接枝率為3.5%的改性UHMWPE磨損率最低，僅為未處理UHMWPE磨損率的1/4。Ye Tingting等［26］通過光誘導接枝聚合法將2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（MPC）接枝到UHMWPE上，形成聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（PMPC）層。結果表明，PMPC層具有良好的潤滑效果，能有效降低摩擦因數。Deng Yaling等［27］采用紫外光輻照法將親水丙烯酰胺接枝到UHMWPE粉體表面，然后將改性后的粉體熱壓成型。摩擦實驗表明，改性后復合材料的摩擦因數低于未處理的UHMWPE在含水潤滑劑中的摩擦因數；直徑58～75 μm的改性UHMWPE在小牛血清中的摩擦因數最低，約為0.075。

為了進一步改善粉體表面接枝層的耐磨性，葉婷婷［28］通過紫外光引發接枝，在UHMWPE粉體表面接枝了帶有Cu離子摻雜Cu-甲基丙烯酸（MAA）/MPC共聚層，并進行了摩擦磨損實驗，發現Cu-MAA/MPC的摩擦因數小于MAA/MPC。

2.3 高分子合金共混改性

Chen Song等［29］指出在UHMWPE增強材料的選擇中，含有芳香族環的聚酰亞胺（PI）通常表現出優異的力學性能和獨特的熱穩定性，因此，利用銷盤摩擦計研究了不同比例UHMWPE/PI共混物在特定使用條件下的摩擦性能，含50%～70%（w）PI的復合材料性能顯著提高，表明其可作為高速干滑條件下軸承的新選擇。Cheng Bingxue等［30］制備了UHMWPE/PI復合材料，利用拉曼光譜研究了共混物的兩相分布形態，以及共混相形貌和相分布對復合材料摩擦性能的影響，結果表明，不同質量比的UHMWPE/PI復合材料的相結構和分布有明顯的差異，這對復合材料的摩擦性能有顯著影響。當PI與UHMWPE質量比為10∶90時，PI相以島狀分散在UHMWPE基體中，分散的PI相有效降低了復合材料的摩擦因數，提高了復合材料的耐磨性；當PI與UHMWPE質量比為50∶50時，復合材料出現大面積連續結構和相分離，導致復合材料的耐磨性顯著降低。Wang Honggang等［31］研究了增容作用對UHMWPE/聚酰胺（PA）66復合材料往復摩擦行為的影響，測試了馬來酸酐接枝高密度聚乙烯（HDPE-g-MAH）對UHMWPE/PA 66復合材料往復摩擦磨損性能的影響，結果表明，HDPE-g-MAH中的馬來酸酐基團改善了PA 66與UHMWPE的相容性，降低了PA 66與UHMWPE的極性差，增強了復合材料的耐磨性。

2.4 交聯改性

經過交聯改性的UHMWPE，分子鏈由簡單的線性和支鏈轉變為網狀和體型，結構更穩定且性能更優異，因此表現出更好的減摩耐磨性能。交聯改性方法包括化學交聯改性、輻照交聯改性等。陸露等［32］選用了兩種不同的化學交聯劑，制備了化學交聯改性UHMWPE復合材料，并通過掃描電子顯微鏡觀察了改性材料的摩擦磨損表面：純UHMWPE表面出現了犁溝、劃痕，并伴有大量脫落物，說明其發生了磨粒磨損、疲勞磨損，性能較差；而經乙烯基三乙氧基硅烷改性后，復合材料表面較光滑，并沒有脫落物，說明UHMWPE經交聯后耐磨性提高。Raffi等［33］研究了交聯UHMWPE的磨損行為，采用注塑成型技術對UHMWPE試樣進行成型，用Ir192同位素進行了UHMWPE的輻照交聯，并在實驗室設計制作的髖關節模擬器上進行了磨損實驗，與未輻照的UHMWPE相比，輻照后UHMWPE試樣具有較高的硬度，較好的摩擦性能，較好的摩擦磨損性能主要歸因于聚合物鏈的交聯結構。

化學交聯通過添加交聯劑來引發反應，反應迅速，難以控制，且容易出現預交聯，而采用低能耗、無污染的輻照交聯和填充改性，能夠有效地改善UHMWPE的耐磨性能。段為朋等［34］制備了UHMWPE/氧化石墨烯復合材料，并測試了其摩擦性能，結果表明，輻照交聯改性提高了UHMWPE的摩擦因數，但降低了磨損率，而對于氧化石墨烯填充UHMWPE體系，輻照交聯降低了其摩擦因數，是因為輻照使氧化石墨烯還原，表面官能團數量減少，片層之間的相互作用強度降低，并起到了一定的潤滑作用。Lu Peipei等［35］采用氧化石墨烯和輻照交聯增強UHMWPE基體，然后將UHMWPE/氧化石墨烯納米復合材料在37 ℃模擬體液中浸泡6個月，模擬人體使用環境。結果表明，輻照交聯處理促進了UHMWPE與氧化石墨烯分子鏈的斷裂和重組。在基體中加入氧化石墨烯，再通過輻照交聯可以使復合材料的結晶度和熔點增加，同時使基體的摩擦因數和磨損率降低，平均摩擦因數和磨損率分別為0.104，4.78×10-9g/（N·m）。綜上所述，利用輻照交聯和加入氧化石墨烯可協同提高UHMWPE襯底、表面的摩擦性能。Saravanan等［36］研究了γ射線輻照對UHMWPE復合材料磨損性能的影響，以UHMWPE，Al2O3，HA和殼聚糖為原料，合成了一種平均粒徑為0.2～0.5 μm的新型雜化聚合物復合材料，并通過γ射線進行輻照，劑量為35 kGy，結果表明，交聯效應有效控制了材料表面的磨損。

3 結語

減摩耐磨UHMWPE復合材料作為新一代工程材料的研究熱點，具有耐磨抗沖等優勢，有望在某些工程應用方面替代金屬材料，降低成本，實現輕量化。但目前對此材料的摩擦學研究還不夠廣泛、深入，主要體現在：（1）特殊工況以及超常工況下材料的摩擦磨損行為可能并不服從正常工況下的規律，如強輻射、強酸堿性環境，以及高溫、重載條件下的磨損問題；（2）基于生物化學仿生的UHMWPE人工關節，在長期服役于人體后，會由于磨損產生大量磨屑，致關節失效。因此，不斷探索和研究苛刻工況條件下材料的摩擦行為，改善其不同服役條件下的耐磨性能，才能實現減摩耐磨UHMWPE材料在工程領域以及生物領域更廣泛的應用。