Schiff堿銅絡(luò)合物改性超高分子量聚乙烯及潤滑油的摩擦學(xué)研究.pdf

1、在摩擦學(xué)領(lǐng)域，摩擦學(xué)材料研發(fā)始終是最活躍的方向之一，因為通過摩擦學(xué)材料的設(shè)計，可以出現(xiàn)許多改善材料摩擦學(xué)性能的機會。 本文依據(jù)摩擦學(xué)中的選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的原理，進(jìn)行了用Schiff堿銅絡(luò)合物+甘油-聚乙烯微膠囊將UHMWPE材料改性為具有自身選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的摩擦學(xué)材料的設(shè)計；依據(jù)人體生物摩擦學(xué)中的生物假體“少磨損、低生物毒性危害”原則，進(jìn)行了用Schiff堿銅絡(luò)合物將UHMWPE材料改性為具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能和生物相容性的新型人

2、工關(guān)節(jié)材料的探索設(shè)計；依據(jù)摩擦學(xué)中的納米材料潤滑的載體作用理論和選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的原理，進(jìn)行了用納米Schiff堿銅絡(luò)合物+納米Schiff堿將極性和非極性的基礎(chǔ)油改性為兼具自組裝緩蝕膜和選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的新型潤滑劑的設(shè)計。改性所用的添加劑為Schiff堿銅絡(luò)合物，這在摩擦學(xué)材料研發(fā)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。 在成功制備純UHMWPE塊材料、schiff堿銅絡(luò)合物和甘油-聚乙烯微膠囊等在schiff堿銅絡(luò)合物改性摩擦學(xué)材料中使用的基本材料的基

3、礎(chǔ)上，全面測試了它們的物性。 掃描電子顯微鏡(SEM)證實，純UHMWPE為樹枝狀晶，長條狀晶及球晶的混合結(jié)構(gòu)。在干摩擦條件下滑動時，純UHMWPE的摩擦學(xué)行為的一般規(guī)律完全可以用塑料摩擦學(xué)理論合理解釋。在此條件下，粘著磨損是UHMWPE損傷的主導(dǎo)機理，損傷形式為拉絲型破壞。本文在用光學(xué)顯微鏡和SEM直接觀察UHMWPE干磨損形貌的基礎(chǔ)上，建立了UHMWPE熱損傷模型，用熱損傷機理合理解釋了UHMWPE拉絲型損傷的現(xiàn)象。

4、 通過紅外光譜、紫外光譜及質(zhì)譜分析，證實本文已成功制備出六種Schifr堿銅絡(luò)合物，并揭示了它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 采用油相分離法制備出甘油-聚乙烯微膠囊，其包合得率在70[％]左右。經(jīng)過篩選確定了甘油-聚乙烯微膠囊的最佳成分配比。紅外光譜分析證實，以甘油-聚乙烯微膠囊為添加劑摻雜到UHMWPE粉料中模壓成形的材料中，含有甘油。 根據(jù)環(huán)境友好的要求、熱穩(wěn)定性條件以及摩擦實驗篩選，從六種schiff堿銅絡(luò)合物中，選定乙二胺縮水楊

5、醛Schiff堿銅(II)絡(luò)合物為對UHMWPE進(jìn)行改性的添加劑。確定改性UHMWPE材料的配方為：15[％]乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(II)絡(luò)合物+5[％]甘油-聚乙烯微膠囊+80％UHMWPE粉料。 SEM分析證實，15[％]乙二胺縮水楊醛schiff堿銅(II)絡(luò)合物+5[％]甘油-聚乙烯微膠囊改性UHMWPE材料由許多納米級的球形小顆粒堆積而成，即其結(jié)構(gòu)由純UHMWPE材料原有的枝晶、條晶及球晶的混合結(jié)構(gòu)變?yōu)橥暾?/p>

6、勻的球晶結(jié)構(gòu)。紅外光譜分析證明，甘油已彌散分布在這種復(fù)合材料中，并且保持了其獨立性狀。實測證實，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油．聚乙烯微膠囊改性kUHMWPE的導(dǎo)熱性比純UHMWPE提高19％～33％；各種交變載荷下，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油．聚乙烯微膠囊改性UHMWPE比純UHMWPE的壓縮應(yīng)變小，粘彈性得到減弱，剛性得到增強。 銷-盤(面-面接觸)和環(huán)-塊(線-面接觸)摩

7、擦磨損試驗證實，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油一聚乙烯微膠囊改性UHMWPE與鋼組成的摩擦副，在高速干摩擦條件下具有比純UHMWPE優(yōu)異得多的摩擦學(xué)特性。SEM分析、電子能譜(EDX)分析及特殊設(shè)計的試驗，均證實了其自身選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)。其摩擦學(xué)行為，可用選擇性轉(zhuǎn)移機理解釋，塑料摩擦學(xué)的一般理論不能解釋該摩擦學(xué)行為。15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油一聚乙烯微膠囊改性UHMWPE突破了傳

8、統(tǒng)塑料不能在高速干摩擦條件下應(yīng)用的禁區(qū)，適用于高速干摩擦工況。 對15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物改性UHMWPE的初步微摩擦學(xué)性能測試表明，在與鈦合金配副干摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)比純UHMWPE低大約20％。在模擬人工髖關(guān)節(jié)臼受力水平的載荷下，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物改性UHMWPE與鋼配副干摩擦的最大摩擦系數(shù)比純UHMWPE低15％；長時間運行的15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)

9、合物改性UHMWPE的磨損輕微，幾乎不產(chǎn)生磨屑，而純UHMWPE只能短時間運行。從而證實了乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物對UHMWPE的改性，能減少材料在使用過程中的摩擦磨損及其產(chǎn)生的磨屑。這一積極效果對嘗試將這種改性UHMWPE材料向人工關(guān)節(jié)臼材料發(fā)展有借鑒意義。 體外細(xì)胞毒性試驗證實，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物改性UHMWPE具有良好的生物相容性，加上其優(yōu)異的摩擦學(xué)特性，可望成為新型人工關(guān)節(jié)

10、材料。 采用W／O型微乳反應(yīng)器法，成功地在極性潤滑基礎(chǔ)油(植物油)和非極性潤滑基礎(chǔ)油(白油)中直接合成了納米級Schiff堿及Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物并使其自然分散在基礎(chǔ)油中。SEM直接觀察到改性潤滑油中的乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物和乙二胺縮水楊醛Schiff堿的納米粒子，與常規(guī)方法制得的乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物的百微米量級的片狀顆粒形態(tài)不同，用W／O型微乳反應(yīng)器法制得的乙二胺縮水楊醛Sch

11、iff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物和乙二胺縮水楊醛Schiff堿的粒子的形態(tài)為納米級塊狀顆粒。 l％的納米乙二胺縮水楊醛SchifF堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+l％的納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿改性的極性潤滑油(植物油)和非極性潤滑油(白油)，均顯著提高了它們的極壓性能，前者提高約40％，后者提高約3.7倍。俄歇電子譜(AES)分析和x射線光電子能譜儀(XPS)分析均證實，在1％的納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+1％的納米乙二胺縮

12、水楊醛Schiff堿改性的極性潤滑油和非極性潤滑油潤滑下，鋼一鋼摩擦副發(fā)生了選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)。從而表明這兩種改性潤滑油摩擦學(xué)性能優(yōu)異的機理是選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)。 實測證實，除了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能外，1％納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+1％納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿改性極性潤滑油和非極性潤滑油還具備優(yōu)異的緩蝕性能和抑菌性能。 將成功制備了納米Schiff堿銅絡(luò)合物+納米Schiff堿改性潤滑油的W／O型微乳反

13、應(yīng)器法，移植到制備納米銅改性植物油，研究成功一步法獲得納米銅改性植物潤滑油的新方法。以油基反應(yīng)制備的含1％十二烷基苯磺酸鈉修飾的納米銅的潤滑油為最佳，其PB值達(dá)到了1084.6N，且油品穩(wěn)定儲存不產(chǎn)生沉淀的時間大于一年。SEM直接觀察到改性潤滑油中的被十二烷基苯磺酸鈉修飾的銅粒子，其尺度為納米量級，并且顆粒之間沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。EDX分析發(fā)現(xiàn)銅單質(zhì)出現(xiàn)在鋼摩擦副的摩擦表面，證實了改性潤滑油中的納米銅向鋼球摩擦表面的轉(zhuǎn)移，由此帶來了改性