水润滑聚合物轴承材料改性研究进展

2023-08-29 22:30 浏览:26

《轴承》2023年第8期

引文格式：王耀晨，王优强，赵涛，等.水润滑聚合物轴承材料改性研究进展[J].轴承，2023（8）：1-8.

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水润滑聚合物轴承材料改性研究进展

王耀晨1,王优强1,2,赵涛1,何彦1

(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛 266520;2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室,山东青岛 266520)

摘要：水润滑轴承因绿色无污染、节能环保等特点被广泛应用于船舶推进系统、水轮机、水泵等领域，其聚合物轴承材料的性能直接影响机械运行的稳定性。首先介绍了水作为润滑剂的特性，比较了常用聚合物轴承材料的优缺点；然后针对聚合物材料在实际使用过程中存在的摩擦学性能不足等问题，先介绍了聚合物共混的方法，随后按照不同作用机制，分别从提升力学性能、增强润滑效果以及二者协同作用3个方面对水润滑聚合物轴承材料改性从而改善聚合物材料摩擦学性能的研究进展进行了综述；最后对水润滑聚合物轴承材料改性未来的重点研究方向进行了展望。

关键词：滑动轴承；水润滑；聚合物；改性；力学性能

随着“碳达峰、碳中和”战略的不断推进、能源需求的不断增长以及燃料成本的压力, 人们对节能减排越来越重视[1-2]。对于在水中作业的装备,传统润滑油泄漏会对海洋和河流造成严重污染,而水作为一种清洁润滑剂得到了人们的青睐,以水作为润滑剂的水润滑轴承被广泛应用于船舰推进系统、水轮机、水力发电厂及水泵等领域[3-4]。与此同时,当今绿色发展的理念对水润滑轴承的润滑与摩擦、减振、降噪等问题提出了更高的要求,选择绿色环保且能满足使用需求的材料对于响应这一理念至关重要。水润滑聚合物轴承材料从最初的金属、铁梨木到后来的赛龙、尼龙、陶瓷、橡胶、工程塑料等[5-7],再到如今对高分子聚合物材料的研究和改进以提升水润滑条件下的摩擦学性能一直是研究的热点。

高分子聚合物通常由很多重复的结构单元通过共价键连接而成,分子量高达104～107,因其耐腐蚀、易成型、质量轻等独特的物理化学特性得到了广泛应用[8],但同样也存在许多缺点,比如耐磨性、耐热性差,难以适用于苛刻的工况(启停阶段、重载、高温、高辐射等)。随着科学技术的不断进步,对聚合物材料的性能要求也日益提升,传统的聚合物已难以满足人们对装备稳定性、舒适性的要求[9],对材料进行不断改进以适应不同工况对提升轴承乃至整机的性能具有重要意义。

本文首先介绍水润滑轴承的润滑特性和常用聚合物轴承材料的摩擦学性能,重点阐述不同作用机制对聚合物轴承材料改性的研究成果,最后对水润滑聚合物轴承材料未来的重点研究方向进行展望。

1 水润滑特性及常用聚合物轴承材料

润滑是通过将某种润滑剂添加到两摩擦副的表面之间,从而降低摩擦因数和磨损率[10-11]。随着实际工况的变化,摩擦副的润滑状态通常也会发生改变,水润滑轴承的斯特里贝克(Stribeck)曲线如图1所示。水作为一种天然润滑剂具有绿色无污染、获取方便等优势,但因其黏度低,承载能力差,在恶劣工况下很难形成连续的水膜[12-13],尤其在启停等低速条件下,往往会导致聚合物材料出现严重的黏滑现象,即摩擦因数增至最大值后急剧减小至较小值并以此循环 (图2),这无疑会加剧轴承的磨损,对船舶的舒适性、稳定性和水下装备工作的可靠性非常不利[14-19],因此,对聚合物材料的选择和改性尤为重要。

图1 水润滑轴承的Stribeck曲线

Fig.1 Stribeck curve of water-lubricated bearings

(a) 摩擦因数

(b) 最大摩擦因数及其波动幅度[14]

图2 载荷为1.2 MPa,滑动速度为376.8 mm/s时,几种聚合物材料在启动阶段的黏滑现象

Fig.2 Stick-slip phenomenon of several polymer materials during start-up stage under a load of 1.2 MPa and a sliding speed of 376.8 mm/s

目前常用于水润滑轴承的聚合物材料主要有橡胶和塑料,其中丁腈橡胶(NBR)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙(PA66)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、高密度聚乙烯(HDPE)等聚合物材料常被用作轴瓦材料,其性能对比见表1。

表1 不同聚合物材料性能对比

Tab.1 Performance comparison of different polymer materials

表1中所列聚合物各有优劣,将2种及以上聚合物共混,聚合物各自优劣中和,共混后材料的使用性能通常比原来的组分更优越,如橡塑共混既可以获得橡胶材料优异的抗磨性和高弹性,又可以拥有塑料优异的自润滑性[41]。文献[42]制备了UHMWPE/PI共混材料,加入马来酸酐接枝低密度聚乙烯来提供二者的相容性,通过拉曼映射图像观察到在UHMWPE基体中形成具有岛状结构或层状结构的PI形态,可显著改善摩擦学性能。随后文献[43]在文献[42]基础上进行了海水润滑下的摩擦磨损试验,其中聚酰亚胺质量分数为50%的复合材料具有最佳的表面粗糙度和最低的磨损率。文献[44]利用HDPE与PA66材料在吸水膨胀方面的巨大差异将二者共混,在复合材料的表面自动形成不规则微凸起形状的织构,促进产生流体动压效应。除聚合物之间的共混外,通过添加其他功能填料等方法改性往往也会获得更为优异的性能,如UHMWPE和PTFE自润滑性能优异,但力学性能欠佳,往往加入纳米纤维或纳米填料来增强其强度和模量[45-46];PEEK和PI力学性能优异,但其摩擦因数过大,需要添加PTFE,MoS2等固体润滑剂来改善自润滑性[47]。下面将按照不同改性作用机制阐述目前聚合物材料改性的研究现状。

2 聚合物轴承材料改性研究现状

材料改性是通过一定的物理或化学手段来使材料获得满足使用要求的某些属性[8]。目前,通过材料改性提升水润滑轴承摩擦学性能的作用机制大致可分为3种途径:改善材料力学性能、增强润滑效果、二者协同作用。

2.1 改善材料力学性能

加入填料改善聚合物材料的力学性能可以有效提升复合材料的承载能力,使材料在磨损过程中不易发生塑性变形和剥落,从而提高复合材料的耐磨性[48]。以橡胶材料的增强机理为例,可认为基底材料的高分子链与加入的纳米粒子的活性表面结合,构建起一种交联结构,当某一条分子链受到外应力的作用时,其他通过节点相连的分子链将会分担此分子链上的应力,即使其中某一条分子链断裂,也不会过多的影响整体材料[49],通过力学性能的改善来提高材料的摩擦学性能。填料的浓度、尺寸、在基底材料的分散性以及与基底材料的结合强度均影响改性的效果,功能性填料增强增韧机理示意图如图3所示。在聚合物基底的增强增韧中,纤维、纳米管、纳米薄膜等起到了抑制裂纹及载荷转移的作用,纳米微粒可以分散剪切带,使裂纹偏转,界面聚合物作为填料与基底材料之间的桥梁起到了界面层强化的作用,纳米黏土起到了交联加固的作用。

图3 功能性填料增强增韧机理示意图[50]

Fig.3 Diagram of strengthening and toughening mechanism of functional packing [50]

改善材料力学性能的填料按照形态可分为零维、一维和二维。常用的零维填料有Al2O3,SiO2,SiC等,文献[51]基于分子动力学模拟的方法探究了纳米SiO2填料改性NBR的摩擦学性能,结果显示纳米SiO2与NBR分子链之间的氢键和界面相互作用降低了NBR纳米复合材料的自由体积分数,复合材料的剪切模量提高了25%;纳米SiO2的加入减小了NBR分子链的旋转半径,有效降低了NBR与铜原子界面处的原子速度峰值、原子温度峰值和摩擦应力峰值;改性后材料的平均摩擦应力降低了34%,表明纳米SiO2显著提高了NBR的摩擦学性能。文献[52]通过试验探究了Al2O3增强PEEK/PTFE复合材料的摩擦学演变过程,结果表明Al2O3可以提高PTFE的抗磨损性能,显著提高复合材料的热扩散系数和硬度。常用的一维填料有碳纤维(CF)、碳纳米管(CNT)等,纤维填料增强的原理类似于混凝土中钢筋对水泥的增强原理,在复合材料中作为骨架来承担应力的作用,纤维增强的效果与纤维长度、配比、纤维空间取向以及表面处理有关,常用的表面处理方法有去油、去吸附水及表面活化。文献[53]试验探究了自来水和海水润滑条件下短碳纤维增强PI的摩擦磨损性能,采用聚多巴胺包覆短碳纤维可以增强基底与纤维之间的相互作用,促进水分子膜和转移膜的形成,使复合材料具有优异的摩擦学性能;文献[54]试验探究了低速水环境下不同取向聚酯纤维(PETF)增强UHMWPE的摩擦磨损性能,制备了不同空间取向的多层复合材料,结果表明纤维增强复合材料可以提高极限弯曲强度,降低摩擦因数,其中轴向纤维取向的复合材料的摩擦学性能优于其他取向的复合材料。二维填料是一种纵横比较大的片状材料,提升复合材料抗挠曲性的同时具有一定的自润滑性,常用的二维填料有石墨烯、MoS2等。文献[55]采用超声搅拌和热压的方法制备了UHMWPE/氧化石墨烯(GO)纳米复合材料,研究了其在不同润滑条件下的摩擦学性能,由于GO具有良好的力学性能、二维层状结构以及GO与UHMWPE基体官能团之间的强相互作用力,使得UHMWPE/ GO复合材料的力学性能更优异,磨损率降低。

2.2 增强润滑效果

增强聚合物材料的润滑效果可使摩擦副之间形成更连续的润滑膜,从而减少材料磨损,可通过水合作用、添加自润滑材料2种方式实现。

2.2.1 水合作用

通过引入水凝胶、微凝胶、聚合物刷等来制备聚合物基水合润滑材料,大量的亲水基团分布在其三维结构中,通过吸附水分子在材料表面形成水化润滑层,使两对摩副更好地分离,使其在较高的接触载荷下也具备较好的摩擦学性能,减少摩擦磨损[56-58],对水润滑轴承减摩具有重要意义。文献[59]将聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶颗粒添加到HDPE中,制备了一种新的复合材料,通过销盘试验探究复合材料的摩擦学性能、力学性能及润滑机理等,复合材料综合了PAAm颗粒优异的自润滑性和HDPE出色的力学性能,PAAm水凝胶颗粒因其吸水能力而软化剥离,可以提高材料的亲水性并膨胀成碎片来促进润滑膜的形成,销盘试验中PAAm质量分数为1%的水凝胶颗粒的综合性能最佳,PAAm水凝胶颗粒的摩擦剥落过程如图4所示。文献[60]通过紫外线辐射将仿生两性离子单体2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)接枝到UHMWPE上并自聚合形成刷状结构,材料的接触角减小了65°,高度水合的聚MPC(PMPC)层在滑动界面之间提供了有效的润滑,在蒸馏水和盐水润滑条件下,磨损率分别降低了37%和46%。

图4 PAAm水凝胶颗粒的摩擦剥落过程[59]

Fig.4 Friction peeling process of PAAm hydrogel particles[59]

2.2.2 添加自润滑材料

水润滑轴承在低速重载时往往处于干摩擦或边界润滑状态,自润滑材料可释放储存在材料中的润滑剂来提供持续润滑的效果。目前常用的自润滑材料有微胶囊复合材料和多孔自润滑材料。

微胶囊复合材料是在基底材料中加入包裹有液体润滑剂的微胶囊,干摩擦、低速重载等恶劣工况时，随着摩擦热的产生,摩擦面与对偶面间的温度升高,在高温、外载荷和剪切力的作用下微胶囊发生破裂,流出的润滑剂在两摩擦副表面之间形成一层润滑膜,润滑膜与对偶面之间在静电力、范德华力、氢键等非共价键作用下相互吸附,同时破裂的微胶囊壁壳还可以起到捕获磨屑的作用,减轻磨粒磨损,从而降低摩擦因数和磨损率[9,48,61-62],其原理如图5所示。文献[63]通过观察铁梨木表面带有外壳的块状树脂微观结构,发现其具有自润滑的功能,设计出包覆有N70基础油的仿生微胶囊结构,将其添加到HDPE底材中,通过摩擦试验得出质量分数为3%的微胶囊对材料的摩擦性能改善最明显;文献[64]采用原位聚合法制备了以脲醛树脂(UF)为壁材、棕榈酸棕榈酯为芯材的微胶囊,将微胶囊颗粒添加到UHMWPE基底材料中,在低速重载条件下与锡青铜盘的摩擦磨损试验结果表明,微胶囊质量分数为15%的复合材料的自润滑性能更为优异,破裂释放后的棕榈酸棕榈酯可以填充摩擦副表面的沟槽来减轻磨损,改性后的材料在低速重载下的摩擦因数降低,磨损量减小,表面形貌优化。

图5 微胶囊的润滑机理示意图

Fig.5 Diagram of lubrication mechanism of microcapsules

UHMWPE,PI,PEEK等材料具有多孔骨架结构,在这些基底材料中添加氮化硼、碳纳米管、碳纤维、沸石等可以进一步提高耐磨性,因为这些材料的孔隙具有储油功能,工作过程中,在热力耦合作用下,孔中储存的油连续渗出,在摩擦副表面形成连续的油膜,可以有效缓解材料的摩擦磨损[9,65-68]。

鉴于水润滑轴承节能减排、无污染的初衷,无论是微胶囊还是多孔聚合物自润滑材料的未来研究方向应聚焦在其内部包覆的可降解且低成本的润滑剂的研发中。

2.3 二者协同作用

将上述改善力学性能和增强润滑的方法结合起来协同作用,可更全面地改善聚合物轴承材料的摩擦学性能。文献[69]将软PAAm水凝胶与硬GO结合起来合成PAAm-GO薄片并添加到UHMWPE基底材料中,对复合材料的力学性能和摩擦学性能进行了测试,石墨烯片的加入有效提升了基体的承载能力,在磨损过程中薄片剥落形成润滑层,使两对摩副更好地分离,同时水分子可以通过静电力紧密吸附到PAAm聚合物链上,并在聚合物链周围形成水化层,PAAm与GO的协同作用同时提升了复合材料的力学性能和摩擦学性能,摩擦机制分析结果如图6所示。文献[70]合成了MoS2和CF协同增强的NBR/PU/EP互穿网络水润滑轴承复合材料,CF在互穿网络基体中的高度分散及其与MoS2的协同作用使得改性后复合材料的最小摩擦因数和磨损率分别减少了51%和68%,阻尼因子提升了10%。填料良好的分散性有利于填料与聚合物链之间的内摩擦,产生更好的阻尼性能,CF可以抑制MoS2的聚集,使MoS2在水环境下不易被氧化,从而使MoS2和水膜起到有效的润滑作用,对改善复合材料的摩擦学性能和阻尼性能有显著的协同效应。

(a) 承载状态

(b) 润滑特性

(c) PAAm-GO薄片的2种状态

图6 PAAm-GO薄片的摩擦机制分析结果[69]

Fig.6 Analysis results of friction mechanism of PAAm-GO thin plate [69]

2.4 小结

目前,对于水润滑聚合物材料改性的研究取得了一定进展,在一定程度上改善了聚合物材料的摩擦学性能,但是目前大多数的研究都集中在试验探寻改性填料的最佳浓度,对于改性后材料的微观属性以及提升摩擦学性能机理揭示的研究较少,且改性后材料的价格往往高于原材料,因此对于改性机理的系统研究以及探寻低成本的改性方法是必不可少的。

3 总结与展望

本文介绍了水作为润滑剂的特性,列举对比了水润滑轴承常用的聚合物材料的性能特点,按照不同作用机制,分别阐述了不同方法改性聚合物轴承材料的最新研究进展。水润滑轴承需要根据实际的工况条件来选择合适的聚合物基体材料,并根据使用寿命、成本预算、综合性能等要求来进行改性。结合目前的需求和研究现状,未来的研究建议聚焦到以下方面:

1)研究内容方面。通过改性提升聚合物材料摩擦学性能的同时也要保证材料固有的力学性能不被破坏,找到摩擦学性能与力学性能之间的平衡,找到复合材料提升力学性能与增强润滑效果之间宏观现象与微观机理的平衡。进一步探究多组分、多尺度协同改性以及协同作用的机理,设计、制备性能更为优异的复合材料。进一步研究升温速度、压强、保温时长、冷却速度等成型工艺参数对改性聚合物材料综合性能的影响。

2)研究方法方面。目前聚合物材料的摩擦磨损主要以试验研究为主,有限元方法可以通过磨损过程中的应力应变情况来间接验证,分子动力学模拟可以更准确的从纳米、飞秒等尺度通过界面能量、径向分布函数、原子浓度等微观信息来表征材料的减摩机理。通过宏观的摩擦磨损试验数据与微观分子动力学模拟相结合的方法来探究复合材料的性能并揭示改性填料在基体中的作用机理是未来研究的一大趋势。

3)复合材料评价方面。应对水润滑聚合物轴承材料摩擦学性能的各项参数形成一个完整的评价体系,更综合地衡量各种改性方法对聚合物材料摩擦学性能提升的效果,以寻求一种既绿色环保、价格低廉又能满足使用要求的复合材料。

End

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Research Progress on Material Modification of Water-Lubricated Polymer Bearings

WANG Yaochen1,WANG Youqiang1,2,ZHAO Tao1,HE Yan1

(1.School of Mechanical &Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520,China;2.Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Qingdao 266520,China)

Abstract：Water-lubricated bearings are widely used in marine propulsion systems, water turbines, water pumps and other fields due to their green, pollution-free, energy-saving and environmental protection characteristics. The performances of polymer bearing materials directly affect the stability of mechanical operation. Firstly, the characteristics of water as lubricant are introduced, and the advantages and disadvantages of commonly used polymer bearing materials are compared. Then, in response to the problems of insufficient tribological properties of polymer materials during practical use, the polymer blending methods are introduced first, and then according to different mechanisms of action, the research progress on improving tribological properties of polymer materials by modifying water lubricated polymer bearing materials is reviewed from three aspects: improving mechanical properties, enhancing lubrication effects and synergistic effects of the two. Finally, the future key research directions are prospected for material modification of water lubricated polymer bearings.

Key words：plain bearing; water lubrication; polymer; modification; mechanical property

收稿日期：2022-06-30;修回日期：2023-02-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575289);山东省自然科学基金资助项目(ZR2021ME063)

作者简介：王耀晨(1995—),男,硕士研究生,研究方向为水润滑聚合物轴承材料改性,E-mail:781321127@qq.com。

通信作者：王优强(1970—),男,教授,博导,研究方向为摩擦学与表面工程,E-mail:wyq1970301@126.com。

中图分类号：TH133.31;TH117

文献标志码：B

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2023.08.001

(编辑：毛雨欣)

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《轴承》2023年 第8期