淡水/咸水环境下超高分子量聚乙烯材料的摩擦特性研究及应用分析

2021-03-03刘宁宁李文昊张涵李俊

石河子大学学报（自然科学版） 2021年6期

刘宁宁，李文昊，张涵，李俊

(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003；2 石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832003)

我国水资源分布不平衡，国内约四分之一的省份面临严重缺水问题。为了节约淡水资源，提高水资源的利用率，非常规水资源用于农业灌溉逐步受到重视，主要为再生水和咸水等[1-3]。新疆地处我国西北内陆，属于典型的大陆性干旱气候，少雨、日照时间长，年降水量远低于土壤蒸发量，水资源短缺问题尤为突出[4-5]，但该地区咸水资源较丰富，尤其在南疆地区，“淡水+咸水”的混合灌溉模式结合管道输水膜下滴灌方式成为当地高效节水的重要举措。

管道输水具有水量渗漏、蒸发损失较少，水量管理易于控制，占用耕地少，便于农业机械化作业等优点[6]，成为新疆等干旱、半干旱地区节水灌溉中取代沟渠输水、减少蒸发损失的重要举措。目前，常用的输水管材有预应力混凝土管、钢管、球墨铸铁管及玻璃钢管等，各有利弊[7]，其中预应力混凝土管和钢管抗腐蚀性能欠佳[8-9]，在咸水环境下适用性差；球墨铸铁管在水流冲刷等因素作用下粗糙程度会随运行时间的增长而增加，进而加大水头损失，影响过流量[9]；玻璃钢管道具有极强的耐腐蚀性，适用于海水、淡水等多种水质输运[10]，但其承受外载荷能力相对较低[9]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料，由于其良好的耐磨损性能、较高的抗冲击性能及优异的化学稳定性等，被广泛应用于航空航天、工业、农业及医学等领域[11-14]。目前，UHMWPE管材在输配水工程中的应用研究，主要集中在管材抗压强度及安装施工等方面。覃韬等研究了UHMWPE超强复合管在小口径输配水官网中的水力参数，发现UHMWPE管材的允许工作压力与其环境温度的高低成反比[15]；马文涛对宁夏供水工程中不同管材在压力等级、综合单价、施工难易程度及管材寿命等方面进行了对比分析，发现UHMWPE管材在地形适应性、施工成本及质量稳定等方面均具有明显优势[16]。

关于输配水管网中UHMWPE管材摩擦性能方面研究的文献很少，而管内水流裹挟泥沙颗粒冲刷输水管道造成的磨损、管网中控制部件转动磨损等是影响管道稳定性和安全性的重要因素之一[17-18]，因此，开展淡水/咸水环境下UHMWPE材料的摩擦特性研究，可为该材料在输配水管网中的应用及适宜的工作环境提供一定的理论依据。本文进行了干摩擦条件下UHMWPE材料的磨损试验，研究载荷、速度等摩擦变量在淡水/咸水环境下对UHMWPE材料摩擦系数和磨损率的影响，通过对比分析并归纳出淡水/咸水环境下UHMWPE材料的摩擦学特性及其适用环境。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

UHMWPE材料选用安阳市超高工业科技有限公司的产品，呈直径15 mm、厚度5 mm的圆盘状，其基本技术参数见表1。对磨件则是直径5 mm的45#钢珠，经过淬火和回火后，其硬度为HRC65，表面粗糙度为Ra0.11 μm。淡水通过上海Gravel Ding水处理装备有限公司的超淡水仪器制备；咸水为石河子市炮台镇的土壤浸出液，矿化度为7 g/L，所含主要离子成分为Na+、Ca+及Cl-等，详见表2。

表1 UHMWPE试样基本技术性能

表2 咸水中主要离子成分单位：g/L

1.2 试验方法

为了减小磨粒磨损对实验结果的影响，用800#金相砂纸对UHMWPE试样和钢球的表面进行抛光处理，并在频率为100 kHz的超声波氧化清洁仪中静置5 min，取出烘干并编号。

试样固定在兰州中科凯华科技开发有限公司生产的CFT-I型多功能材料表面综合性能测试仪底盘，钢珠则固定在测试仪活动臂上，见图1。通过转动活动臂带动钢珠，与UHMWP试样进行摩擦磨损测试，转动直径为5 mm。淡水/咸水润滑时，以55～60滴/min(约150～170 mL/h)的速率将淡水或咸水滴入摩擦副间。

图1 试验装置示意图

依据试验工况设置(表3)，在干摩擦、淡水润滑和咸水润滑三个不同摩擦条件下，用控制变量法分别研究了转速、荷载等变量对摩擦系数和磨损率变化规律的影响。在摩擦过程中，CFT-I型多功能材料表面综合性能测试仪每min记录90个数据；试验结束后，用ST400表面轮廓仪测试试样磨痕宽度和磨痕深度，并在扫描电子显微镜(SEM)下观测试样磨损表面形貌。每个工况均进行5次试验，25 min后记录有效数据，并以5次试验平均值作为该工况的试验结果。

表3 UHMWPE摩擦特性的试验工况

2 结果与分析

2.1 载荷对摩擦系数的影响

设置中轴的旋转速度为500 r/min，绘制不同法向荷载下摩擦系数的Stribeck曲线[19]，如图2所示。可以看到UHMWPE试样在干摩擦条件下，摩擦系数随着荷载呈现先增大后减小的变化趋势，荷载为50 N时摩擦系数达到最大值约为0.11。导致该变化的主要因素是UHMWPE表面的转移膜：干摩擦时试样表面会形成转移膜，其稳定性在很大程度上取决于温度[20]。负载较小时摩擦热较少，不足以生成稳定的转移膜，摩擦副间的接触形式为对磨件与试样表面直接接触，摩擦系数随载荷的增加逐渐增大；当负载超过临界值后，足够多的摩擦热促使对磨件表面形成稳定的转移膜，此时摩擦副的接触形式由对磨件与UHMWPE接触变成转移膜与UHMWPE接触[21-22]。因此随着负载增加，摩擦系数逐渐降低。

UHMWPE材料具有一定的吸水性，在淡水/咸水润滑下，其表面吸水膨胀形成具有润滑作用的边界膜，进而降低UHMWPE试样的摩擦系数[23-24]。因此，随着载荷变化，淡水和咸水润滑下UHMWPE的摩擦系数均显著低于干摩擦，摩擦系数降幅分别为50%～70%、42.3%～56.4%。从图2可以看到，在较低载荷(载荷≤70 N)时，咸水润滑条件下的摩擦系数高于淡水润滑，约为1.15～1.57倍。随着载荷增大，咸水润滑和淡水润滑下的摩擦系数逐渐接近。当载荷为110 N时，咸水润滑下的摩擦系数略小于淡水润滑。

淡水润滑摩擦试验后UHMWPE试样表面的SEM形貌(图3)显示：载荷50 N时试样表面光滑，而载荷110 N时试样表面有清晰的划痕，但两者表面都出现了水润滑下UHMWPE材料典型的表层剥离现象；从图2可以看到，淡水润滑下摩擦系数随载荷增加呈现出先减小后增加的变化过程。上述现象的原因分析如下：载荷较小时，边界膜会有效隔开对磨件与试样表面，减小摩擦系数；超过临界值后，负载会挤压并破坏试样表面的边界膜，导致摩擦副之间产生直接接触，金属表面凸峰被压入试样表面，从而致使摩擦系数增大[25]，如图4所示。随着载荷增大，摩擦热也会小幅增加，导致少量水分蒸发。但蒸发速率远小于淡水滴入速率，试样表面始终处于饱和浸润状态，水分蒸发对边界膜的影响很小。

图3 淡水润滑下不同载荷的UHMWPE试样表面SEM形貌

图4 淡水润滑下载荷变化导致摩擦机理变化的示意图

不同于淡水润滑，咸水润滑下UHMWPE试样的摩擦系数随着荷载的增加单调递减。进一步研究发现，高载荷下试样表面存在晶体微粒(图5)。正是这些晶体微粒，将试样和对磨件分开并起到滚珠效应，从而有效减小了摩擦系数。咸水润滑下出现晶体微粒的原因是摩擦热随着载荷增大而小幅增加，使得摩擦副间少量水分蒸发，导致咸水浓度变大，从而促使离子析出结晶，如图6所示。

图5 咸水润滑下不同载荷的UHMWPE试样表面SEM微观形貌

图6 咸水润滑下载荷变化导致摩擦机理变化的示意图

2.2 转速对摩擦系数的影响

设置中轴的法向荷载50 N，绘制不同转速条件下的摩擦系数Stribeck曲线，结果(图7)显示干摩擦条件下UHMWPE材料的摩擦系数与运动速度之间存在如下关系:

图7 不同摩擦条件下UHMWPE摩擦系数随转速的变化情况

μ∝v-0.5[26],

(1)

式中μ为摩擦系数，v为速度(m/s)。

本文中转速1 100 r/min约为0.17 m/s，因此UHMWPE试样的摩擦系数在干摩擦下随着转速的增大呈现上升趋势。淡水和咸水润滑下的摩擦系数均显著低于干摩擦条件，降幅分别为51.8%～63.9%、40%～68.4%。淡水/咸水润滑下，转速较低时摩擦系数随速度增大基本保持稳定，且咸水润滑下的摩擦系数高于淡水润滑，约为淡水润滑的1.29倍。当转速增大到一定程度(本文试验条件下为700 r/min)后摩擦系数随速度变化明显，即淡水润滑下摩擦系数随转速增加而增加，而咸水润滑下摩擦系数随转速增加呈现先增大后减小的变化趋势。当转速为900 r/min时，咸水润滑下摩擦系数小于淡水润滑。随着转速增加，两者差距进一步加大，转速为1 100 r/min时，淡水润滑下摩擦系数为咸水润滑的1.48倍，并且在高速(1 100 r/min)时，淡水润滑下试样表面微观形貌与干摩擦条件下试样表面微观形貌出现了部分相似或相同特征(图8)。

图8 转速1 100 r/min时UHMWPE试样表面SEM形貌

对于淡水润滑，水分蒸发对边界膜的影响是试样摩擦系数变化的主要因素。转速较低时，单位时间内产生的摩擦热较少，虽然会导致少量水分蒸发，但蒸发速率小于淡水滴入速率，边界膜变化不大，摩擦系数也随之基本保持稳定。随着转速的增大，单位时间内产生的摩擦热大幅增加[25]，使得摩擦副间大量水分蒸发、含水量减少，进而抑制了UHMWPE试样表面边界膜的形成，试样与对磨件之间的摩擦条件由淡水润滑趋向干摩擦，摩擦系数随之变大，如图9a所示。

对于咸水润滑，UHMWPE试样的摩擦系数则受到边界膜和晶体微粒的综合影响。随着转速由小增大，摩擦热导致水分蒸发的同时有晶体微粒析出。转速低于临界值(本文试验条件下所得临界值为700 r/min)时，晶体微粒数量较少，摩擦系数主要受到边界膜影响。此时转速较小，单位时间产生的摩擦热较少，仅有少量水分蒸发，对边界膜影响有限。转速增加时，水分蒸发导致边界膜效应逐渐减弱，摩擦系数随之增加。转速超过临界值后，单位时间产生大量摩擦热，促使大量水分蒸发，虽然边界膜效应进一步减弱，但咸水中离子浓度极大提升导致大量晶体微粒析出。此时，晶体微粒占据主导地位，其滚珠效应有效降低了摩擦系数，如图9b所示。

图9 转速变化导致摩擦机理变化的示意图

2.3 磨损率

本试验利用美国NANOVEA公司生产的ST400表面轮廓仪测得的磨痕宽度和深度计算出磨损体积以及磨损率的大小，并用磨损率来表示UHMWPE的耐磨性能。磨损体积V计算公式为

(2)

式(2)中b为磨痕宽度(mm)，R为对偶环半径(mm)，B为试样宽度(mm)。

磨损率K(mm3/Nm)计算公式为

(3)

式(3)中d为滑动距离(m)，L为法向荷载(N)。

由不同工况下UHMWPE试样的磨损率(图10)可以看出：对于相同的滑动变量，干摩擦时磨损率是最大的。在50 N载荷、1 100 r/min转速下，咸水润滑的磨损率最小，约为淡水润滑的0.89;在50 N载荷、500 r/min及110 N载荷、500 r/min二种工况下，淡水润滑的磨损率最小，分别约为咸水润滑的0.85和0.9。这主要是由于淡水润滑在高速下由于水分蒸发趋于干摩擦，而咸水润滑则会有离子析出结晶形成微粒，其产生的滚珠效应可有效减缓UHMWPE试样的磨损。