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关于影响人造草坪耐磨性要点剖析(一)

2011-01-05 16:06:10  来源:人造草坪耐磨性  字号:【    】  浏览:3217

影响人造运动草坪耐磨性的因素分析
1影响磨料磨损的因素[3]
1.1磨料特性
    磨料粒子的形状是影响耐磨性能的重要一方面,粒子形状的影响表现为:锋利粒子比圆钝粒子使材料产生更大的磨损[3,4]。磨料粒子尺寸对磨损影响因材料不同而异,PMMA、尼龙66、PEI、PA、PEI-15%(wt)PTFE及 PEI-20%(wt)GF等材料的磨损存在着临界粒子尺寸[5]。当小于临界尺寸时,磨损速率随磨料粒子尺寸增加而较快增大,超过临界尺寸之后,磨损速率变化很小,而 PI、PTFE及其复合材料等的磨损不明显或没有临界粒子尺寸。若用磨料表面粗糙度表征磨料粒子形状、尺寸及粒子分布密度的综合效应,其结果是粗糙度增加则磨损速率明显增大。
1.2聚合物的性能
        聚合物及其复合材料的磨损速率与自身的硬度没有明显的关系,硬度相同的材料也可有一定差别的磨损速率[6]。
        聚合物的强度特别是韧性对磨料磨损有重要影响。韧性越好则耐磨性越好。图 1给出多种聚合物的磨料磨损速率与1/σyξy之间的关系,σy和 ξy分别为拉伸断裂应力和总应变力。
  图 1 磨损速率与1/σyξy 的关系
1-PS,2-PMMA,3-Acetal,4-PP,5-PTFE,6-PE,7-Nylon66
1.3复合材料中的填料
        复合材料中颗粒填料的硬度,特别是颗粒与聚合物基体的界面结合强度显得十分重要。填充石墨、MoSi使磨损速率增大,青铜粉稍降低磨损速率,因硅烷 处理增强了石英砂颗粒与 PMMA界面结合,故提高了材料的耐磨性能(见图 2)。短纤维填充复合材料的磨料磨损性能的研究表明[7],纤维含量对磨损影响不大, 含量很高时甚至使磨损速率增大;纤维取向(见图 3)有较大影响,N 型取向磨损量最小,AP或P型取向的磨损量明显高于N型取向;碳纤维和玻璃纤维对所增强的复合材料耐磨性差别不大,对一些聚合物,玻璃纤维好些,对另外一些聚合物则碳纤维好些[5]。
图2石英砂浆(1:1)对PMMA复合材料的磨损
(填料:1-硅烷处理,石英砂,2-未处理石英砂,3-未处理玻璃球)
 图3纤维取向示意图
2提高高分子材料耐磨性能的方法
        人造草坪与天然草坪相比有很多优点,主要是因人造草丝的成分高分子材料有很多优点,但高分子存在负载能力差、导热性差、热变形温度低、尺寸不稳定等缺点,因此对研究高分子材料进行改性,以扩大其在减摩耐磨材料中的应用范围及扩展应用条件,即提高运动草坪的耐磨性对提高草坪的使用寿命及其维护是十分必要的。在已有的研究中主要的改性方法有:高分子的结构改性、填充纤维增强材料、微米级无机颗粒增强材料及纳米粒子改性复合材料。下面将对这三个方面分别进行展述。
2.1高分子材料的结构改性
        高分子材料的耐磨性能受其分子链结构的影响,因此,通过对高分子材料的取向度和交联度的改变可以增强其耐磨损性能。Hosein等[8]通过滚轴冷拉(cold-roll drawn)使高密度聚乙烯(HDPE)的分子链取向,并研究了在垂直和平行取向方向上的磨损及取向度对磨损性能的影响。其结果显示,平行于取向方向的磨损率比垂直于取向方向的磨损率高,当摩擦运动的方向垂直于取向平面时,磨损率达到最小值,在0.32MPa的载荷下,此最小值比同等条件下UHMWPE的磨损率还低40%。因为在沿着分子链取向方向材料具有最高的强度值,而在垂直于取向面的磨损要破坏材料产生磨损就最为困难。而在其它方向磨损时,可以实现垂直于取向方向的裂纹,因此磨损率也较高。另外,当取向度从2变为4时,磨损率进一步降低,说明通过提高取向度来提高耐磨性是可行的。
        Saikko等[9]比较了HMWPE交联改性前后的磨损性能。通过电子束辐射和热处理而产生交联的UHMWPE的磨损率比改性前有明显降低,在对偶面为0.014微米时,磨损率从改性前的2×10-6 mm3/Nm降低到改性后的2×10-9 mm3/Nm,而在0.2微米粗糙度对偶面的情况下,则从1×10mm3/Nm降低到1×10-6mm3/Nm。对磨屑的观察发现,交联后材料的磨屑尺寸也大大减小,说明材料抵抗热机械形变的能力增强从而使其磨损率下降。
        Bremner[10]报导了用聚二甲基硅烷(PDMS)改性聚氨酷的研究,改性后摩擦系数降低了60%,磨损率下降了25%。
2.2纤维增强高分子材料摩擦磨损性能
        早期的研究表明,纤维填充高分子材料具有优良的力学性能。随着高分子材料应用领域的扩展,利用纤维填充来增强高分子材料摩擦磨损性能的研究也越来越引起重视并取得了很多成果。一般来说,纤维作为硬质支点,在摩擦过程中承载了主要的压力,从而降低了材料的摩擦系数和磨损率。另一方面,纤维的断裂和脱落既会造成磨损的质量损失也会形成硬质磨屑,从而对材料的摩擦磨损性能带来负面影响。纤维填充高分子复合材料的磨损主要有四种方式[11]:材料基体的磨损;纤维的滑动磨损;纤维的断裂;纤维的拔出。因此,在纤维填充高分子复合材料的摩擦磨损性能研究中,影响复合材料性能的主要有纤维的体积含量,作为填料的纤维的种类,纤维排列与摩擦方向的关系及纤维与基体之间的界面强度。
2.2.1纤维含量对复合材料摩擦磨损性能的影响
        纤维填充高分子复合材料的磨损性能对含量的影响,是随着纤维含量增加抗耐磨性能逐渐提高,当含量达到一定程度后抗耐磨性能会随着含量增加逐渐减小,即纤维素的含量对提高高分子复合材料耐磨性存在一个最佳的含量。Arkles等[12]研究表明,当体积含量增加到15%以上时,磨损率不再随含量的提高而下降。ahadur等也发现10%纤维增强聚酯的磨损率最低,且材料的磨损率也相应地降低。分析认为:当纤维含量过低时,纤维因拉伸或剪切而断裂,增强效果并不明显;而纤维含量过高,纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离增多、破坏了复合材料和偶件之间形成的转移膜,从而导致磨损增加。

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