淡水/咸水環(huán)境下超高分子量聚乙烯材料的摩擦特性研究及應(yīng)用分析

劉寧寧，李文昊，張涵，李俊

(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2 石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

我國(guó)水資源分布不平衡，國(guó)內(nèi)約四分之一的省份面臨嚴(yán)重缺水問(wèn)題。為了節(jié)約淡水資源，提高水資源的利用率，非常規(guī)水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉逐步受到重視，主要為再生水和咸水等[1-3]。新疆地處我國(guó)西北內(nèi)陸，屬于典型的大陸性干旱氣候，少雨、日照時(shí)間長(zhǎng)，年降水量遠(yuǎn)低于土壤蒸發(fā)量，水資源短缺問(wèn)題尤為突出[4-5]，但該地區(qū)咸水資源較豐富，尤其在南疆地區(qū)，“淡水+咸水”的混合灌溉模式結(jié)合管道輸水膜下滴灌方式成為當(dāng)?shù)馗咝Ч?jié)水的重要舉措。

管道輸水具有水量滲漏、蒸發(fā)損失較少，水量管理易于控制，占用耕地少，便于農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[6]，成為新疆等干旱、半干旱地區(qū)節(jié)水灌溉中取代溝渠輸水、減少蒸發(fā)損失的重要舉措。目前，常用的輸水管材有預(yù)應(yīng)力混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管及玻璃鋼管等，各有利弊[7]，其中預(yù)應(yīng)力混凝土管和鋼管抗腐蝕性能欠佳[8-9]，在咸水環(huán)境下適用性差；球墨鑄鐵管在水流沖刷等因素作用下粗糙程度會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，進(jìn)而加大水頭損失，影響過(guò)流量[9]；玻璃鋼管道具有極強(qiáng)的耐腐蝕性，適用于海水、淡水等多種水質(zhì)輸運(yùn)[10]，但其承受外載荷能力相對(duì)較低[9]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，由于其良好的耐磨損性能、較高的抗沖擊性能及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[11-14]。目前，UHMWPE管材在輸配水工程中的應(yīng)用研究，主要集中在管材抗壓強(qiáng)度及安裝施工等方面。覃韜等研究了UHMWPE超強(qiáng)復(fù)合管在小口徑輸配水官網(wǎng)中的水力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)UHMWPE管材的允許工作壓力與其環(huán)境溫度的高低成反比[15]；馬文濤對(duì)寧夏供水工程中不同管材在壓力等級(jí)、綜合單價(jià)、施工難易程度及管材壽命等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)UHMWPE管材在地形適應(yīng)性、施工成本及質(zhì)量穩(wěn)定等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)[16]。

關(guān)于輸配水管網(wǎng)中UHMWPE管材摩擦性能方面研究的文獻(xiàn)很少，而管內(nèi)水流裹挾泥沙顆粒沖刷輸水管道造成的磨損、管網(wǎng)中控制部件轉(zhuǎn)動(dòng)磨損等是影響管道穩(wěn)定性和安全性的重要因素之一[17-18]，因此，開(kāi)展淡水/咸水環(huán)境下UHMWPE材料的摩擦特性研究，可為該材料在輸配水管網(wǎng)中的應(yīng)用及適宜的工作環(huán)境提供一定的理論依據(jù)。本文進(jìn)行了干摩擦條件下UHMWPE材料的磨損試驗(yàn)，研究載荷、速度等摩擦變量在淡水/咸水環(huán)境下對(duì)UHMWPE材料摩擦系數(shù)和磨損率的影響，通過(guò)對(duì)比分析并歸納出淡水/咸水環(huán)境下UHMWPE材料的摩擦學(xué)特性及其適用環(huán)境。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

UHMWPE材料選用安陽(yáng)市超高工業(yè)科技有限公司的產(chǎn)品，呈直徑15 mm、厚度5 mm的圓盤(pán)狀，其基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)磨件則是直徑5 mm的45#鋼珠，經(jīng)過(guò)淬火和回火后，其硬度為HRC65，表面粗糙度為Ra0.11 μm。淡水通過(guò)上海Gravel Ding水處理裝備有限公司的超淡水儀器制備；咸水為石河子市炮臺(tái)鎮(zhèn)的土壤浸出液，礦化度為7 g/L，所含主要離子成分為Na+、Ca+及Cl-等，詳見(jiàn)表2。

表1 UHMWPE試樣基本技術(shù)性能

表2 咸水中主要離子成分 單位：g/L

1.2 試驗(yàn)方法

為了減小磨粒磨損對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，用800#金相砂紙對(duì)UHMWPE試樣和鋼球的表面進(jìn)行拋光處理，并在頻率為100 kHz的超聲波氧化清潔儀中靜置5 min，取出烘干并編號(hào)。

試樣固定在蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的CFT-I型多功能材料表面綜合性能測(cè)試儀底盤(pán)，鋼珠則固定在測(cè)試儀活動(dòng)臂上，見(jiàn)圖1。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂帶動(dòng)鋼珠，與UHMWP試樣進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試，轉(zhuǎn)動(dòng)直徑為5 mm。淡水/咸水潤(rùn)滑時(shí)，以55～60滴/min(約150～170 mL/h)的速率將淡水或咸水滴入摩擦副間。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

依據(jù)試驗(yàn)工況設(shè)置(表3)，在干摩擦、淡水潤(rùn)滑和咸水潤(rùn)滑三個(gè)不同摩擦條件下，用控制變量法分別研究了轉(zhuǎn)速、荷載等變量對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率變化規(guī)律的影響。在摩擦過(guò)程中，CFT-I型多功能材料表面綜合性能測(cè)試儀每min記錄90個(gè)數(shù)據(jù)；試驗(yàn)結(jié)束后，用ST400表面輪廓儀測(cè)試試樣磨痕寬度和磨痕深度，并在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀測(cè)試樣磨損表面形貌。每個(gè)工況均進(jìn)行5次試驗(yàn)，25 min后記錄有效數(shù)據(jù)，并以5次試驗(yàn)平均值作為該工況的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 UHMWPE摩擦特性的試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與分析

2.1 載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響

設(shè)置中軸的旋轉(zhuǎn)速度為500 r/min，繪制不同法向荷載下摩擦系數(shù)的Stribeck曲線[19]，如圖2所示?？梢钥吹経HMWPE試樣在干摩擦條件下，摩擦系數(shù)隨著荷載呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，荷載為50 N時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值約為0.11。導(dǎo)致該變化的主要因素是UHMWPE表面的轉(zhuǎn)移膜：干摩擦?xí)r試樣表面會(huì)形成轉(zhuǎn)移膜，其穩(wěn)定性在很大程度上取決于溫度[20]。負(fù)載較小時(shí)摩擦熱較少，不足以生成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦副間的接觸形式為對(duì)磨件與試樣表面直接接觸，摩擦系數(shù)隨載荷的增加逐漸增大；當(dāng)負(fù)載超過(guò)臨界值后，足夠多的摩擦熱促使對(duì)磨件表面形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，此時(shí)摩擦副的接觸形式由對(duì)磨件與UHMWPE接觸變成轉(zhuǎn)移膜與UHMWPE接觸[21-22]。因此隨著負(fù)載增加，摩擦系數(shù)逐漸降低。

UHMWPE材料具有一定的吸水性，在淡水/咸水潤(rùn)滑下，其表面吸水膨脹形成具有潤(rùn)滑作用的邊界膜，進(jìn)而降低UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)[23-24]。因此，隨著載荷變化，淡水和咸水潤(rùn)滑下UHMWPE的摩擦系數(shù)均顯著低于干摩擦，摩擦系數(shù)降幅分別為50%～70%、42.3%～56.4%。從圖2可以看到，在較低載荷(載荷≤70 N)時(shí)，咸水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)高于淡水潤(rùn)滑，約為1.15～1.57倍。隨著載荷增大，咸水潤(rùn)滑和淡水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)逐漸接近。當(dāng)載荷為110 N時(shí)，咸水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)略小于淡水潤(rùn)滑。

淡水潤(rùn)滑摩擦試驗(yàn)后UHMWPE試樣表面的SEM形貌(圖3)顯示：載荷50 N時(shí)試樣表面光滑，而載荷110 N時(shí)試樣表面有清晰的劃痕，但兩者表面都出現(xiàn)了水潤(rùn)滑下UHMWPE材料典型的表層剝離現(xiàn)象；從圖2可以看到，淡水潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)隨載荷增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化過(guò)程。上述現(xiàn)象的原因分析如下：載荷較小時(shí)，邊界膜會(huì)有效隔開(kāi)對(duì)磨件與試樣表面，減小摩擦系數(shù)；超過(guò)臨界值后，負(fù)載會(huì)擠壓并破壞試樣表面的邊界膜，導(dǎo)致摩擦副之間產(chǎn)生直接接觸，金屬表面凸峰被壓入試樣表面，從而致使摩擦系數(shù)增大[25]，如圖4所示。隨著載荷增大，摩擦熱也會(huì)小幅增加，導(dǎo)致少量水分蒸發(fā)。但蒸發(fā)速率遠(yuǎn)小于淡水滴入速率，試樣表面始終處于飽和浸潤(rùn)狀態(tài)，水分蒸發(fā)對(duì)邊界膜的影響很小。

圖3 淡水潤(rùn)滑下不同載荷的UHMWPE試樣表面SEM形貌

圖4 淡水潤(rùn)滑下載荷變化導(dǎo)致摩擦機(jī)理變化的示意圖

不同于淡水潤(rùn)滑，咸水潤(rùn)滑下UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)隨著荷載的增加單調(diào)遞減。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高載荷下試樣表面存在晶體微粒(圖5)。正是這些晶體微粒，將試樣和對(duì)磨件分開(kāi)并起到滾珠效應(yīng)，從而有效減小了摩擦系數(shù)。咸水潤(rùn)滑下出現(xiàn)晶體微粒的原因是摩擦熱隨著載荷增大而小幅增加，使得摩擦副間少量水分蒸發(fā)，導(dǎo)致咸水濃度變大，從而促使離子析出結(jié)晶，如圖6所示。

圖5 咸水潤(rùn)滑下不同載荷的UHMWPE試樣表面SEM微觀形貌

圖6 咸水潤(rùn)滑下載荷變化導(dǎo)致摩擦機(jī)理變化的示意圖

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

設(shè)置中軸的法向荷載50 N，繪制不同轉(zhuǎn)速條件下的摩擦系數(shù)Stribeck曲線，結(jié)果(圖7)顯示干摩擦條件下UHMWPE材料的摩擦系數(shù)與運(yùn)動(dòng)速度之間存在如下關(guān)系:

圖7 不同摩擦條件下UHMWPE摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化情況

μ∝v-0.5[26],

(1)

式中μ為摩擦系數(shù)，v為速度(m/s)。

本文中轉(zhuǎn)速1 100 r/min約為0.17 m/s，因此UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)在干摩擦下隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。淡水和咸水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)均顯著低于干摩擦條件，降幅分別為51.8%～63.9%、40%～68.4%。淡水/咸水潤(rùn)滑下，轉(zhuǎn)速較低時(shí)摩擦系數(shù)隨速度增大基本保持穩(wěn)定，且咸水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)高于淡水潤(rùn)滑，約為淡水潤(rùn)滑的1.29倍。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定程度(本文試驗(yàn)條件下為700 r/min)后摩擦系數(shù)隨速度變化明顯，即淡水潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而增加，而咸水潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，咸水潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)小于淡水潤(rùn)滑。隨著轉(zhuǎn)速增加，兩者差距進(jìn)一步加大，轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，淡水潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)為咸水潤(rùn)滑的1.48倍，并且在高速(1 100 r/min)時(shí)，淡水潤(rùn)滑下試樣表面微觀形貌與干摩擦條件下試樣表面微觀形貌出現(xiàn)了部分相似或相同特征(圖8)。

圖8 轉(zhuǎn)速1 100 r/min時(shí)UHMWPE試樣表面SEM形貌

對(duì)于淡水潤(rùn)滑，水分蒸發(fā)對(duì)邊界膜的影響是試樣摩擦系數(shù)變化的主要因素。轉(zhuǎn)速較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱較少，雖然會(huì)導(dǎo)致少量水分蒸發(fā)，但蒸發(fā)速率小于淡水滴入速率，邊界膜變化不大，摩擦系數(shù)也隨之基本保持穩(wěn)定。隨著轉(zhuǎn)速的增大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱大幅增加[25]，使得摩擦副間大量水分蒸發(fā)、含水量減少，進(jìn)而抑制了UHMWPE試樣表面邊界膜的形成，試樣與對(duì)磨件之間的摩擦條件由淡水潤(rùn)滑趨向干摩擦，摩擦系數(shù)隨之變大，如圖9a所示。

對(duì)于咸水潤(rùn)滑，UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)則受到邊界膜和晶體微粒的綜合影響。隨著轉(zhuǎn)速由小增大，摩擦熱導(dǎo)致水分蒸發(fā)的同時(shí)有晶體微粒析出。轉(zhuǎn)速低于臨界值(本文試驗(yàn)條件下所得臨界值為700 r/min)時(shí)，晶體微粒數(shù)量較少，摩擦系數(shù)主要受到邊界膜影響。此時(shí)轉(zhuǎn)速較小，單位時(shí)間產(chǎn)生的摩擦熱較少，僅有少量水分蒸發(fā)，對(duì)邊界膜影響有限。轉(zhuǎn)速增加時(shí)，水分蒸發(fā)導(dǎo)致邊界膜效應(yīng)逐漸減弱，摩擦系數(shù)隨之增加。轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界值后，單位時(shí)間產(chǎn)生大量摩擦熱，促使大量水分蒸發(fā)，雖然邊界膜效應(yīng)進(jìn)一步減弱，但咸水中離子濃度極大提升導(dǎo)致大量晶體微粒析出。此時(shí)，晶體微粒占據(jù)主導(dǎo)地位，其滾珠效應(yīng)有效降低了摩擦系數(shù)，如圖9b所示。

圖9 轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致摩擦機(jī)理變化的示意圖

2.3 磨損率

本試驗(yàn)利用美國(guó)NANOVEA公司生產(chǎn)的ST400表面輪廓儀測(cè)得的磨痕寬度和深度計(jì)算出磨損體積以及磨損率的大小，并用磨損率來(lái)表示UHMWPE的耐磨性能。磨損體積V計(jì)算公式為

(2)

式(2)中b為磨痕寬度(mm)，R為對(duì)偶環(huán)半徑(mm)，B為試樣寬度(mm)。

磨損率K(mm3/Nm)計(jì)算公式為

(3)

式(3)中d為滑動(dòng)距離(m)，L為法向荷載(N)。

由不同工況下UHMWPE試樣的磨損率(圖10)可以看出：對(duì)于相同的滑動(dòng)變量，干摩擦?xí)r磨損率是最大的。在50 N載荷、1 100 r/min轉(zhuǎn)速下，咸水潤(rùn)滑的磨損率最小，約為淡水潤(rùn)滑的0.89;在50 N載荷、500 r/min及110 N載荷、500 r/min二種工況下，淡水潤(rùn)滑的磨損率最小，分別約為咸水潤(rùn)滑的0.85和0.9。這主要是由于淡水潤(rùn)滑在高速下由于水分蒸發(fā)趨于干摩擦，而咸水潤(rùn)滑則會(huì)有離子析出結(jié)晶形成微粒，其產(chǎn)生的滾珠效應(yīng)可有效減緩UHMWPE試樣的磨損。

圖10 不同工況下UHMWPE的磨損率

3 結(jié)論

(1)淡水/咸水環(huán)境下，由于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的吸水性，其表層吸水膨脹形成具潤(rùn)滑效果的邊界膜，顯著降低摩擦系數(shù)及磨損率，摩擦系數(shù)降幅最低可達(dá)40%以上。當(dāng)負(fù)載和速度等摩擦變量發(fā)生變化時(shí)，淡水/咸水環(huán)境下UHMWPE材料的摩擦特性隨之改變。

(2)在較低負(fù)載或低速時(shí)，UHMWPE材料在淡水環(huán)境下表現(xiàn)出最佳摩擦特性，其摩擦系數(shù)為咸水環(huán)境下的0.67～0.87倍，磨損率約為咸水潤(rùn)滑條件下的0.85倍。而在高負(fù)載或高速時(shí)，UHMWPE材料在咸水環(huán)境下耐磨性突出，其摩擦系數(shù)約為淡水環(huán)境下的0.78倍，磨損率約為淡水潤(rùn)滑條件下的0.89倍。

(3)在輸水管網(wǎng)中，UHMWPE可作為淡水環(huán)境中負(fù)載較低的管道材料，而在咸水環(huán)境中UHMWPE更適宜作為高負(fù)載的閘門(mén)和減壓閥等部件材料。