UHMWPE减摩耐磨改性研究进展

刘巧云，祁秀秀，杨 怡，朱 岩

（常州工程职业技术学院 检验检测认证学院，江苏 常州 213164）

超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）是指相对分子质量在1.5×106以上的无支链的线型聚乙烯［1］，是一种新型工程塑料。极高的相对分子质量赋予了其不同于常规塑料的优异性能（如耐磨性、自润滑性、抗冲击性、生物相容性、耐酸碱性、憎水性［2-5］），被广泛应用于输送管道、食品工业、医疗行业、纺织机械等领域［6-7］。但是，UHMWPE硬度较低，耐磨粒磨损性能较差［8］，因而在应用时会导致一定的损失。据不完全统计，因摩擦磨损引起UHMWPE工程材料失效而产生的经济损失高达数千亿美元［9］。此外，UHMWPE作为人工关节［10］应用于生物医学领域时，由于其较差的耐磨粒磨损性能，会产生大量磨屑，从而诱发炎症，使材料在长期服役后失效。本文综述了目前国内外有关UHMWPE的摩擦磨损机理及其主要的减摩耐磨改性体系的研究进展，并展望了其未来的发展趋势。

1 UHMWPE的摩擦磨损机理

UHMWPE的摩擦磨损行为规律且复杂，而且材料的摩擦因数和磨损率不存在明确的相关性，其机理研究主要是摩擦磨损理论。两个相互接触的固体表面在相对运动时，伴随着摩擦，材料表面必然不断损失、转移，这种现象称为摩擦磨损。长期应用于工程领域的UHMWPE发生的磨损主要包括疲劳磨损、磨粒磨损、黏着磨损、冲蚀磨损等［11］。龚国芳［12］制备了UHMWPE/高岭土复合材料并进行了砂浆冲蚀磨损实验，观察磨损试样发现，材料表层和亚表层产生开裂翘曲，砂浆多次作用后产生剥落、撕裂，即发生冲蚀磨损。刘金龙等［13］通过扫描电子显微镜观察了UHMWPE往复摩擦磨损表面形貌，发现沿磨损方向呈现大量的沟槽、微裂纹，可视为疲劳磨损。熊党生等［14］制备了UHMWPE/Al2O3复合材料并在生理盐水润滑下进行了摩擦实验，发现磨损表面可见大量细小磨屑，是磨粒磨损的结果。

2 UHMWPE的减摩耐磨改性研究进展

UHMWPE减摩耐磨复合材料是近年来新出现的先进工程材料，具有高强度、高抗冲击性、高耐磨性等一系列优异性能，其改性方法受到了国内外学者的广泛关注。

2.1 无机填料填充改性

经无机填料填充改性后的UHMWPE复合材料可以实现减摩耐磨性能。Cao Zhen等［15］研究了纳米CuO粒子原位填充对复合材料摩擦性能的影响，结果表明，原位填充可以改善纳米CuO粒子在UHMWPE中的分散性，复合材料的平均滑动摩擦因数降低了34%，并且在引入纳米CuO后，磨损机制从黏着磨损转变为疲劳磨损。Wang Ziyang等［16］研究了纤维与颗粒的摩擦行为及其协同作用对UHMWPE复合材料的影响，发现含碳纤维、聚苯酯和纳米级铜颗粒的材料磨损率最低。Bahrami等［17］研究了氧化石墨烯对UHMWPE复合材料摩擦性能的影响，结果表明，随着氧化石墨烯含量的增加，复合材料的磨损率和平均摩擦因数降低，在聚合物基体中仅添加5%（w）的氧化石墨烯，磨损率和平均摩擦因数分别降低了约34%，3.8%。Zhang Heng等［18］研究了Ti3C2对UHMWPE纳米复合材料形态、结构和性能的影响，结果表明，UHMWPE/Ti3C2复合材料表现出更好的减摩性能，Ti3C2的加入可以减少黏着磨损和犁削摩擦，使UHMWPE/Ti3C2复合材料的磨损表面较纯UHMWPE更光滑。Xin Xiaocui等［19］研究了纳米WS2含量对UHMWPE微动磨损性能的影响，结果表明，纳米WS2的加入量为1.5%（w）时，摩擦因数最低，为0.305；随着纳米WS2含量的增加，复合材料的摩擦因数和磨损率有所增加，但低于纯UHMWPE。Vinoth等［20］利用现有数据库模拟了多壁碳纳米管与石墨烯协同作用对UHMWPE复合材料摩擦性能的影响，结果表明，所设计复合材料的力学性能和摩擦性能显著提高，摩擦因数为0.260。Mohammed等［21］通过球磨工艺，然后热压制备了UHMWPE/有机黏土复合材料，与纯UHMWPE相比，当添加1.5%（w）的有机黏土氯镁石，纳米复合材料具有最佳的耐磨性和较低的摩擦因数，磨损率降低了41%，摩擦因数为0.101，降低了38%。这些改进归因于纳米级黏土片的均匀分散以及背面形成薄而坚韧的连续转移膜。Panin等［22］研究了石墨和二硫化钼对UHMWPE耐磨性的影响，发现复合材料摩擦因数降低了30%，二硫化钼在基体中起固体润滑剂的作用，是提高其耐磨性的有效填料。Chang等［23］研究了质量分数为5%～20%的纳米氧化锌颗粒对UHMPWE力学性能、摩擦性能的影响，结果表明，UHMWPE/ZnO复合材料的磨损性能提高，平均摩擦因数降低，磨损表面的磨损程度降低。Colla等［24］考察了加入有机膨润土对UHMWPE/羟基磷灰石（HA）耐磨性能的影响。结果表明，添加10%（w）的有机膨润土可以通过剥离/插层的方式改善UHMWPE与HA的界面相容性，复合材料的弹性模量、抗拉强度、摩擦因数和磨损率效果最好。

2.2 表面改性

为了实现材料在水介质条件下的低摩擦磨损，很多学者采用表面改性的方式将亲水性物质接枝到UHMWPE粉体上。Deng Yaling等［25］采用紫外光辐照法将亲水丙烯酸接枝到UHMWPE粉体上，研究了改性UHMWPE在往复摩擦计上对CoCrMo金属板的长期摩擦性能，结果表明，接枝能有效提高复合材料的表面润湿性，接枝率为3.5%的改性UHMWPE磨损率最低，仅为未处理UHMWPE磨损率的1/4。Ye Tingting等［26］通过光诱导接枝聚合法将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC）接枝到UHMWPE上，形成聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（PMPC）层。结果表明，PMPC层具有良好的润滑效果，能有效降低摩擦因数。Deng Yaling等［27］采用紫外光辐照法将亲水丙烯酰胺接枝到UHMWPE粉体表面，然后将改性后的粉体热压成型。摩擦实验表明，改性后复合材料的摩擦因数低于未处理的UHMWPE在含水润滑剂中的摩擦因数；直径58～75 μm的改性UHMWPE在小牛血清中的摩擦因数最低，约为0.075。

为了进一步改善粉体表面接枝层的耐磨性，叶婷婷［28］通过紫外光引发接枝，在UHMWPE粉体表面接枝了带有Cu离子掺杂Cu-甲基丙烯酸（MAA）/MPC共聚层，并进行了摩擦磨损实验，发现Cu-MAA/MPC的摩擦因数小于MAA/MPC。

2.3 高分子合金共混改性

Chen Song等［29］指出在UHMWPE增强材料的选择中，含有芳香族环的聚酰亚胺（PI）通常表现出优异的力学性能和独特的热稳定性，因此，利用销盘摩擦计研究了不同比例UHMWPE/PI共混物在特定使用条件下的摩擦性能，含50%～70%（w）PI的复合材料性能显著提高，表明其可作为高速干滑条件下轴承的新选择。Cheng Bingxue等［30］制备了UHMWPE/PI复合材料，利用拉曼光谱研究了共混物的两相分布形态，以及共混相形貌和相分布对复合材料摩擦性能的影响，结果表明，不同质量比的UHMWPE/PI复合材料的相结构和分布有明显的差异，这对复合材料的摩擦性能有显著影响。当PI与UHMWPE质量比为10∶90时，PI相以岛状分散在UHMWPE基体中，分散的PI相有效降低了复合材料的摩擦因数，提高了复合材料的耐磨性；当PI与UHMWPE质量比为50∶50时，复合材料出现大面积连续结构和相分离，导致复合材料的耐磨性显著降低。Wang Honggang等［31］研究了增容作用对UHMWPE/聚酰胺（PA）66复合材料往复摩擦行为的影响，测试了马来酸酐接枝高密度聚乙烯（HDPE-g-MAH）对UHMWPE/PA 66复合材料往复摩擦磨损性能的影响，结果表明，HDPE-g-MAH中的马来酸酐基团改善了PA 66与UHMWPE的相容性，降低了PA 66与UHMWPE的极性差，增强了复合材料的耐磨性。

2.4 交联改性

经过交联改性的UHMWPE，分子链由简单的线性和支链转变为网状和体型，结构更稳定且性能更优异，因此表现出更好的减摩耐磨性能。交联改性方法包括化学交联改性、辐照交联改性等。陆露等［32］选用了两种不同的化学交联剂，制备了化学交联改性UHMWPE复合材料，并通过扫描电子显微镜观察了改性材料的摩擦磨损表面：纯UHMWPE表面出现了犁沟、划痕，并伴有大量脱落物，说明其发生了磨粒磨损、疲劳磨损，性能较差；而经乙烯基三乙氧基硅烷改性后，复合材料表面较光滑，并没有脱落物，说明UHMWPE经交联后耐磨性提高。Raffi等［33］研究了交联UHMWPE的磨损行为，采用注塑成型技术对UHMWPE试样进行成型，用Ir192同位素进行了UHMWPE的辐照交联，并在实验室设计制作的髋关节模拟器上进行了磨损实验，与未辐照的UHMWPE相比，辐照后UHMWPE试样具有较高的硬度，较好的摩擦性能，较好的摩擦磨损性能主要归因于聚合物链的交联结构。

化学交联通过添加交联剂来引发反应，反应迅速，难以控制，且容易出现预交联，而采用低能耗、无污染的辐照交联和填充改性，能够有效地改善UHMWPE的耐磨性能。段为朋等［34］制备了UHMWPE/氧化石墨烯复合材料，并测试了其摩擦性能，结果表明，辐照交联改性提高了UHMWPE的摩擦因数，但降低了磨损率，而对于氧化石墨烯填充UHMWPE体系，辐照交联降低了其摩擦因数，是因为辐照使氧化石墨烯还原，表面官能团数量减少，片层之间的相互作用强度降低，并起到了一定的润滑作用。Lu Peipei等［35］采用氧化石墨烯和辐照交联增强UHMWPE基体，然后将UHMWPE/氧化石墨烯纳米复合材料在37 ℃模拟体液中浸泡6个月，模拟人体使用环境。结果表明，辐照交联处理促进了UHMWPE与氧化石墨烯分子链的断裂和重组。在基体中加入氧化石墨烯，再通过辐照交联可以使复合材料的结晶度和熔点增加，同时使基体的摩擦因数和磨损率降低，平均摩擦因数和磨损率分别为0.104，4.78×10-9g/（N·m）。综上所述，利用辐照交联和加入氧化石墨烯可协同提高UHMWPE衬底、表面的摩擦性能。Saravanan等［36］研究了γ射线辐照对UHMWPE复合材料磨损性能的影响，以UHMWPE，Al2O3，HA和壳聚糖为原料，合成了一种平均粒径为0.2～0.5 μm的新型杂化聚合物复合材料，并通过γ射线进行辐照，剂量为35 kGy，结果表明，交联效应有效控制了材料表面的磨损。

3 结语

减摩耐磨UHMWPE复合材料作为新一代工程材料的研究热点，具有耐磨抗冲等优势，有望在某些工程应用方面替代金属材料，降低成本，实现轻量化。但目前对此材料的摩擦学研究还不够广泛、深入，主要体现在：（1）特殊工况以及超常工况下材料的摩擦磨损行为可能并不服从正常工况下的规律，如强辐射、强酸碱性环境，以及高温、重载条件下的磨损问题；（2）基于生物化学仿生的UHMWPE人工关节，在长期服役于人体后，会由于磨损产生大量磨屑，致关节失效。因此，不断探索和研究苛刻工况条件下材料的摩擦行为，改善其不同服役条件下的耐磨性能，才能实现减摩耐磨UHMWPE材料在工程领域以及生物领域更广泛的应用。