高分子弹性体的表面形貌及其摩擦性能

刘士琦，周红霞，王 玉，王 勃

（黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080）

前 言

随着社会经济与科学技术发展速度不断加快，以高分子摩擦学为原理的高分子以及高分子复合材料的应用范围更广。高分子摩擦学主要以力学、表面物理与化学为基础，其表面形貌与摩擦性能会受到接触粘附与变形、粗糙度、硬度及表面张力存在密切关联[1]。

1 高分子弹性体表面形貌与摩擦性能研究现状

高分子材料中的摩擦力主要受到变形作用与黏着作用的共同影响。由于静电源力的平衡距离相等，引力主要是由于高分子材料接触表面的电磁场重叠产生，因此可以通过科学方式对高分子弹性表面形貌及摩擦性能进行细致评估[2～3]。

就目前来看，控制与减少高分子材料表面摩擦力的方式较多，通过不同能力消散的方式是当前公认的有效手段[4]。润滑作用主要就是借助流体膜或者接触面中的分子边界层，控制材料表面摩擦与磨损度。

现阶段高分子材料的研究方向为表面附着分析、水体摩擦性能控制等。在实际研究中发现，分析与人工合成物的带电性能会使其紧密结合，使摩擦系数能够被控制在最低范围之内。在聚合物与大分子组装时，应当构建起水化润滑模型，分析水化润滑剂作用，分析大分子界面本体水以及水化水的本质[5～7]。

为更好地分析出高分子弹性体表面形貌与摩擦性的特征，需要研究在水溶液润滑条件下聚合物相互作用，研究不同摩擦体系在水环境润滑中发挥出的作用机理。

2 高分子弹性体表面形貌以及摩擦磨损机制

高分子弹性体表面的物理及化学现象可直接影响到其自身的摩擦性能。其中，聚合物对固体的粘附力能够改变高分子弹性体的摩擦学特征，通过具体分析化学吸收、聚合物结晶度、分子迁移率的因素，评估高分子弹性体的摩擦性能[8～9]。

在研究高分子弹性体表面粘附力时，需要建立起非互相作用摩擦力的模型。具体而言，高分子弹性表面接触，表面中的分子与原子出现了互相吸引及排斥的力。在这些力的影响下，接触表面化学键会在接触过程中变为节点，节点的形成与断裂可以更好地控制高分子弹性表面摩擦力[10]。

切向力作用下，高分子弹性体的接头剪切处会产生一定的摩擦力，此摩擦力主要是因界面键受到破坏而形成的。在实际加载条件下，高分子弹性体界面连接形态主要受到表面性能、化学性质和表面应力作用，在界面与断面连接时，局部剪切力会出现变形情况。

同时，高分子弹性体摩擦磨损机制还与界面键的强度有关，当界面键的强度大于材料内聚力时，材料结构会出现断裂问题，出现聚合物转移情况[11-12]。同时，高分子弹性体此种聚合物的表面力、聚合物链内部的力始终保持一致，使聚合物断裂问题经常出现。

在高分子弹性体表面，电子可以随意移动，形成双电层结构。在受到静电吸引力的情况下，聚合物内部性质会出现变化。由于高分子弹性体可以是受体也可以为给体，因此需要细致分析高分子弹性表面形貌特征。

开展PS/PMMA 共混体系摩擦性能测试工作，在PS/PMMA 共混薄膜上滴加1μL 液滴。液滴在表面停留20s 后的接触角度，并且取4 个样品上的接触角度值，绘制出静态接触角变化曲线，如图1 所示。结果显示PS/PMMA 共混体系表面润湿能力会随共混体系内PMMA 含量的增加而增强。

图1 静态接触角变化曲线Fig. 1 Statu contact angle curve

3 外界因素对高分子弹性体表面形貌及摩擦性能的影响

3.1 载荷作用影响

在高分子弹性体材料中，摩擦力与法向荷载具有正比关系。在高分子弹性体材料发生严重接触时，能够产生塑性变形影响。在低接触压力过程中，聚合物自身的弹性变形量与摩擦系数会在荷载增大的情况下逐渐减小[13]。

3.2 滑动速度影响

高分子弹性低速接触的情况下，高分子弹性接触区域中的粘性阻力会进一步增大。在高速情况下，高分子弹性体接触区具备较为显著的弹性特征，与摩擦力、速度之间的关系不明显，并在速度增加的情况下不断减小，粘性阻力与弹性行为将会相互竞争，导致摩擦力与滑动速度的曲线值达到最佳状态[14]。

3.3 温度因素影响

由于高分子弹性体对摩擦加热时的温度较为敏感，因此粘附力可以被认定为是高分子弹性体弹性摩擦特征[4]。如果高分子弹性体出现玻璃态形态，力的损失将会进一步增大，变形情况更加严重。在高分子弹性聚合物周边温度提高的情况下，摩擦力机械部分的贡献值增加，其与粘附力的贡献处于同一水平状态。

不仅如此，在研究高分子弹性体表面形貌与摩擦性能时，还需要注重分析高分子表面的互相作用力。注重研究高分子弹性体表面吸附聚合物链的实际情况，聚合物链吸附于表面中，并与表面结构共同形成聚合物桥梁形态，以此判断出表面滑动情况下，大量能量被消耗、摩擦力增高等特征，更好地评估高分子弹性体摩擦性，进一步提升高分子弹性体材料的适用性[15]。

4 高分子弹性体表面形貌与摩擦性能的测量

为更好地判断出高分子弹性体表面形貌，总结高分子弹性体与其摩擦性能之间的内在关联，还需要做好测量固体表面分子力的工作。由于固体表面分子力较为薄弱，使用期间的作用半径短，因此需要针对这些特征选择出更加适宜的测量设备。相关研究部门就高分子弹性表面形貌以及其摩擦性能的测量工作制定出了探测引力方案[16]。通过配合使用综合测量方式，检测出聚合物表面能。具体来说，应用在高分子弹性体表面形貌与摩擦性能测量工作的设备包括以下几种：

第一，表面力仪器。表面力测量设施实际运行期间，需要重点关注埃分辨率水平液体以及分子力等特征，借助原子云母圆柱体结构，对相互之间的作用力进行细致测量。就目前来看，表面力仪器现被广泛应用在多材料蒸汽与液体表面的法向力与侧向力测量中，将表面力测量结果用于计算接触表面与绝对表面分离函数中[17]；

第二，原子力显微镜。该种类型显微镜多数应用在高分子弹性材料聚合物的检测与分析过程中，可以对高聚合物表面进行全面细致观察。在探测聚合物表面力学性能的过程中，可以通过绘制出的力与表面距离曲线，判断高分子弹性体表面力；

第三，接触粘附设备。高分子弹性体材料的分子力可靠评估值与水平灵敏度密切相关。在高分子弹性体试样之间的距离减少时，力的作用距离将会进一步加大，因此测量工作需要严格控制分子力距离[18]。在实际测量过程中，需要将探针在高分子弹性体表面以纳米的范围进行移动，记录下移动时的作用力。在探测器接触表面情况下，其引值将会被准确记录下来。

5 总 结

总而言之，高分子弹性体表面相貌以及摩擦属性需要从高分子材料配置、不同摩擦副材料基础性能表述、力学性能测试等方面入手，通过合理控制高分子共混体系的共混特征以及聚合物实际面貌，不断优化高分子弹性材料内的微纳米分离形貌特征，充分研究出高分子弹性材料结构特征与摩擦属性之间的演变规律，确保高分子弹性材料能够得到高效利用。