劉士琦，周紅霞，王 玉，王 勃

（黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080）

前 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，以高分子摩擦學(xué)為原理的高分子以及高分子復(fù)合材料的應(yīng)用范圍更廣。高分子摩擦學(xué)主要以力學(xué)、表面物理與化學(xué)為基礎(chǔ)，其表面形貌與摩擦性能會(huì)受到接觸粘附與變形、粗糙度、硬度及表面張力存在密切關(guān)聯(lián)[1]。

1 高分子彈性體表面形貌與摩擦性能研究現(xiàn)狀

高分子材料中的摩擦力主要受到變形作用與黏著作用的共同影響。由于靜電源力的平衡距離相等，引力主要是由于高分子材料接觸表面的電磁場(chǎng)重疊產(chǎn)生，因此可以通過(guò)科學(xué)方式對(duì)高分子彈性表面形貌及摩擦性能進(jìn)行細(xì)致評(píng)估[2～3]。

就目前來(lái)看，控制與減少高分子材料表面摩擦力的方式較多，通過(guò)不同能力消散的方式是當(dāng)前公認(rèn)的有效手段[4]。潤(rùn)滑作用主要就是借助流體膜或者接觸面中的分子邊界層，控制材料表面摩擦與磨損度。

現(xiàn)階段高分子材料的研究方向?yàn)楸砻娓街治?、水體摩擦性能控制等。在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，分析與人工合成物的帶電性能會(huì)使其緊密結(jié)合，使摩擦系數(shù)能夠被控制在最低范圍之內(nèi)。在聚合物與大分子組裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建起水化潤(rùn)滑模型，分析水化潤(rùn)滑劑作用，分析大分子界面本體水以及水化水的本質(zhì)[5～7]。

為更好地分析出高分子彈性體表面形貌與摩擦性的特征，需要研究在水溶液潤(rùn)滑條件下聚合物相互作用，研究不同摩擦體系在水環(huán)境潤(rùn)滑中發(fā)揮出的作用機(jī)理。

2 高分子彈性體表面形貌以及摩擦磨損機(jī)制

高分子彈性體表面的物理及化學(xué)現(xiàn)象可直接影響到其自身的摩擦性能。其中，聚合物對(duì)固體的粘附力能夠改變高分子彈性體的摩擦學(xué)特征，通過(guò)具體分析化學(xué)吸收、聚合物結(jié)晶度、分子遷移率的因素，評(píng)估高分子彈性體的摩擦性能[8～9]。

在研究高分子彈性體表面粘附力時(shí)，需要建立起非互相作用摩擦力的模型。具體而言，高分子彈性表面接觸，表面中的分子與原子出現(xiàn)了互相吸引及排斥的力。在這些力的影響下，接觸表面化學(xué)鍵會(huì)在接觸過(guò)程中變?yōu)楣?jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的形成與斷裂可以更好地控制高分子彈性表面摩擦力[10]。

切向力作用下，高分子彈性體的接頭剪切處會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力，此摩擦力主要是因界面鍵受到破壞而形成的。在實(shí)際加載條件下，高分子彈性體界面連接形態(tài)主要受到表面性能、化學(xué)性質(zhì)和表面應(yīng)力作用，在界面與斷面連接時(shí)，局部剪切力會(huì)出現(xiàn)變形情況。

同時(shí)，高分子彈性體摩擦磨損機(jī)制還與界面鍵的強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)界面鍵的強(qiáng)度大于材料內(nèi)聚力時(shí)，材料結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)斷裂問(wèn)題，出現(xiàn)聚合物轉(zhuǎn)移情況[11-12]。同時(shí)，高分子彈性體此種聚合物的表面力、聚合物鏈內(nèi)部的力始終保持一致，使聚合物斷裂問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)。

在高分子彈性體表面，電子可以隨意移動(dòng)，形成雙電層結(jié)構(gòu)。在受到靜電吸引力的情況下，聚合物內(nèi)部性質(zhì)會(huì)出現(xiàn)變化。由于高分子彈性體可以是受體也可以為給體，因此需要細(xì)致分析高分子彈性表面形貌特征。

開(kāi)展PS/PMMA 共混體系摩擦性能測(cè)試工作，在PS/PMMA 共混薄膜上滴加1μL 液滴。液滴在表面停留20s 后的接觸角度，并且取4 個(gè)樣品上的接觸角度值，繪制出靜態(tài)接觸角變化曲線，如圖1 所示。結(jié)果顯示PS/PMMA 共混體系表面潤(rùn)濕能力會(huì)隨共混體系內(nèi)PMMA 含量的增加而增強(qiáng)。

圖1 靜態(tài)接觸角變化曲線Fig. 1 Statu contact angle curve

3 外界因素對(duì)高分子彈性體表面形貌及摩擦性能的影響

3.1 載荷作用影響

在高分子彈性體材料中，摩擦力與法向荷載具有正比關(guān)系。在高分子彈性體材料發(fā)生嚴(yán)重接觸時(shí)，能夠產(chǎn)生塑性變形影響。在低接觸壓力過(guò)程中，聚合物自身的彈性變形量與摩擦系數(shù)會(huì)在荷載增大的情況下逐漸減小[13]。

3.2 滑動(dòng)速度影響

高分子彈性低速接觸的情況下，高分子彈性接觸區(qū)域中的粘性阻力會(huì)進(jìn)一步增大。在高速情況下，高分子彈性體接觸區(qū)具備較為顯著的彈性特征，與摩擦力、速度之間的關(guān)系不明顯，并在速度增加的情況下不斷減小，粘性阻力與彈性行為將會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致摩擦力與滑動(dòng)速度的曲線值達(dá)到最佳狀態(tài)[14]。

3.3 溫度因素影響

由于高分子彈性體對(duì)摩擦加熱時(shí)的溫度較為敏感，因此粘附力可以被認(rèn)定為是高分子彈性體彈性摩擦特征[4]。如果高分子彈性體出現(xiàn)玻璃態(tài)形態(tài)，力的損失將會(huì)進(jìn)一步增大，變形情況更加嚴(yán)重。在高分子彈性聚合物周邊溫度提高的情況下，摩擦力機(jī)械部分的貢獻(xiàn)值增加，其與粘附力的貢獻(xiàn)處于同一水平狀態(tài)。

不僅如此，在研究高分子彈性體表面形貌與摩擦性能時(shí)，還需要注重分析高分子表面的互相作用力。注重研究高分子彈性體表面吸附聚合物鏈的實(shí)際情況，聚合物鏈吸附于表面中，并與表面結(jié)構(gòu)共同形成聚合物橋梁形態(tài)，以此判斷出表面滑動(dòng)情況下，大量能量被消耗、摩擦力增高等特征，更好地評(píng)估高分子彈性體摩擦性，進(jìn)一步提升高分子彈性體材料的適用性[15]。

4 高分子彈性體表面形貌與摩擦性能的測(cè)量

為更好地判斷出高分子彈性體表面形貌，總結(jié)高分子彈性體與其摩擦性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，還需要做好測(cè)量固體表面分子力的工作。由于固體表面分子力較為薄弱，使用期間的作用半徑短，因此需要針對(duì)這些特征選擇出更加適宜的測(cè)量設(shè)備。相關(guān)研究部門(mén)就高分子彈性表面形貌以及其摩擦性能的測(cè)量工作制定出了探測(cè)引力方案[16]。通過(guò)配合使用綜合測(cè)量方式，檢測(cè)出聚合物表面能。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)用在高分子彈性體表面形貌與摩擦性能測(cè)量工作的設(shè)備包括以下幾種：

第一，表面力儀器。表面力測(cè)量設(shè)施實(shí)際運(yùn)行期間，需要重點(diǎn)關(guān)注埃分辨率水平液體以及分子力等特征，借助原子云母圓柱體結(jié)構(gòu)，對(duì)相互之間的作用力進(jìn)行細(xì)致測(cè)量。就目前來(lái)看，表面力儀器現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在多材料蒸汽與液體表面的法向力與側(cè)向力測(cè)量中，將表面力測(cè)量結(jié)果用于計(jì)算接觸表面與絕對(duì)表面分離函數(shù)中[17]；

第二，原子力顯微鏡。該種類(lèi)型顯微鏡多數(shù)應(yīng)用在高分子彈性材料聚合物的檢測(cè)與分析過(guò)程中，可以對(duì)高聚合物表面進(jìn)行全面細(xì)致觀察。在探測(cè)聚合物表面力學(xué)性能的過(guò)程中，可以通過(guò)繪制出的力與表面距離曲線，判斷高分子彈性體表面力；

第三，接觸粘附設(shè)備。高分子彈性體材料的分子力可靠評(píng)估值與水平靈敏度密切相關(guān)。在高分子彈性體試樣之間的距離減少時(shí)，力的作用距離將會(huì)進(jìn)一步加大，因此測(cè)量工作需要嚴(yán)格控制分子力距離[18]。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，需要將探針在高分子彈性體表面以納米的范圍進(jìn)行移動(dòng)，記錄下移動(dòng)時(shí)的作用力。在探測(cè)器接觸表面情況下，其引值將會(huì)被準(zhǔn)確記錄下來(lái)。

5 總 結(jié)

總而言之，高分子彈性體表面相貌以及摩擦屬性需要從高分子材料配置、不同摩擦副材料基礎(chǔ)性能表述、力學(xué)性能測(cè)試等方面入手，通過(guò)合理控制高分子共混體系的共混特征以及聚合物實(shí)際面貌，不斷優(yōu)化高分子彈性材料內(nèi)的微納米分離形貌特征，充分研究出高分子彈性材料結(jié)構(gòu)特征與摩擦屬性之間的演變規(guī)律，確保高分子彈性材料能夠得到高效利用。