聚氨酯彈性體摩擦襯墊材料的摩擦特性研究
摘 要：本文研究了聚氨酯彈性體摩擦襯墊材料的摩擦特性，發現聚氨酯彈性體材料的動摩擦系數是和滑動速度有關的。在0.01~0.4 mm/s的速度范圍內，速度提高摩擦系數上升，在更高的速度下摩擦系數還會下降。聚氨酯彈性體材料的靜摩托車擦系數是比較難以確定的，本文建議把滑動量較小而滑動速度又很低的這一時期的摩擦稱為“初期摩擦”，它是界于靜摩擦與動摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態。文中還分析了粘著摩擦機理，提出了接點化學粘接機理。并根據這種機理對實驗結果進行了分析和討論。
關鍵詞：聚氨酯彈性體；摩擦襯墊；摩擦機理；摩擦系數
聚氨酯彈性體材料具有良好的綜合機械性能，較高的強度和很高的斷裂延伸率，摩擦磨損性能優良，因此常作為一種高檔橡塑性材料用于密封件、耐磨件及其它摩擦磨損零件上。在煤礦的豎井摩擦提升機上，摩擦襯墊是其關鍵部件之一，襯墊的失穩或失效會造成重大的財產損失或人員傷亡，目前國內常用的襯墊材料主要是PVC、酚醛樹脂或皮革等，國外也有使用聚氨酯材料的。為提高襯墊材料的摩擦性能及耐磨壽命，我們對聚氨酯彈性體摩擦襯墊材料的摩擦特性進行了初步探討。
1． 材料與實驗方法
我們采用的聚氨酯彈性體材料合成工藝如圖1所示。合成過程分三步進行，先用化學純已二胺和己二醇合成聚醇；聚醇與工業純TDI二異氰酸酯預聚后生成聚氨酯預聚體；預聚體加入擴鏈劑及改性劑，反應后生成聚氨酯彈性體。所合成的聚氨酯彈性體的抗張強度為38.4 MPa，斷裂伸長率為470%。
圖1
摩擦性能的測試主要是在自制的定力法摩擦系數測試儀上進行的。該裝置的結構原于是如圖2所示。在這個裝置中壓力保持恒定不變，聚氨酯彈性體試樣的尺寸為40 mm×30 mm×20 mm，實驗前用500#砂紙將試樣表面打磨平整。配對摩擦副材料為調質處理的標準45#鋼，摩擦副接觸面除特別說明外都是采用經過磨削加工和表面拋光處理的平表面，實驗前先用酒精把摩擦副表面擦洗干凈?？煽丶右汗艿募虞d速度一般控制為60±1g/min，大正壓力為500kN，位移測量精度為2μm。測試過程中，先選取適當的平衡配重，安裝好試樣；然后通過可控制加液管慢慢加載，位移計開始移動，當位移為40μm時的摩擦系數記作靜摩擦系數，然后繼續加載并分別記取位移量為50μm、60μm、80μm、10μm…等一系列不同數值時的時間。根據載荷和位移計算摩擦系數和摩擦速度。
2． 實驗結果
聚氨酯彈性體材料是一種粘彈性高分子材料，其摩擦特性與金屬材料有顯著的差別。一般金屬材料的靜摩擦系數大于動摩擦系數，這種特點在聚氨酯彈性體材料上表現得尤其突出。圖3是摩擦副的切向位移隨切向載荷變化的典型規律?？梢钥吹皆诤苄〉妮d荷下，對摩樣就發生了宏觀位移。開始發生宏觀位移時的載荷一般不容易測準，它和試樣的夾緊程度、配重大小等預應力狀態有關。在載荷較小，位移量也較小的時候，位移量與切向載荷大致成正比。由于發生初始位移時的載荷不容易測準，這個比例系數也難于準確確定。在載荷和位移量較大的時候，位移量隨載荷上升的速度顯著提高，并且載荷和位移量之間的變化規律也比較穩定。我們稱這種開始穩定時的摩擦系數為初始摩擦系數，它相當于普通材料的靜摩擦系數。后面實驗數據中的摩擦系數都是指位移量等于或大于40μm時的摩擦系數。
摩擦襯墊對摩擦性能要求的關鍵參數是靜態摩擦系數，作為靜態摩擦系數的近似，我們考察了初始摩擦系數隨比壓變化的情況，實驗結果如圖4所示?？梢钥闯瞿Σ料禂惦S比壓的增大而上升，比壓較小時比較顯著，大于1.5 MPa后基本保持不變。
正常工作情況下，摩擦襯墊與提升鋼絲繩應保持相對靜止狀態，但工作中由于沖擊、振動或其它原因難免會發生一點低速微小滑移，因此襯墊材料的動摩擦特性也是其重要的性能指標。動摩擦特性有兩個方面的指標：一是動摩擦系數，另一個是摩擦系數的速度特性。實驗發現，聚氨酯彈性體材料的動磨擦系數大于初始磨擦系數，在9800N在法向載荷下其初始磨擦系數約為0.38，而經過一段滑動后仍可自動停止的磨擦系數約為0.46。聚氨酯彈性體材料摩擦系數的速度特性如圖5所示，該曲線的測試方法是先給摩擦副緩慢加載，當滑動速度接近預定值后停止加載，這時摩擦副縣長的相對運動會緩慢減速或基本維持勻速運動，這時的摩擦系數近似認為是該速度下的磨擦系數?？梢钥闯鲭S滑動速度的上升，在0.01~0.40 mm/s速度范圍內，聚氨酯彈性體材料的磨擦系數呈上升趨勢。在更大的切向載荷下，磨擦副的相對運動會逐漸加速而滑脫，說明磨擦系數已不在增大，或許已開始下降，但由于設備的原因而無法繼續測量。
3． 分析與討論
?。?） 粘彈性體材料的摩擦系數
靜摩擦系數與動摩擦系數在物理概念上是很明確的，對于多數工程材料也是容易界定的，但對象聚氨酯彈性體這一類的粘彈性材料，要確定靜摩擦系數就存在一定困難。由于粘彈性體材料在低速下的微滑動摩擦系數大于靜摩擦系數，在低速下的切向載荷――位移曲線上切向力是單調上升的，不會因滑動而降低，不象其它材料那樣有顯著的“動”和“靜”的差異。此外，我們在通常的動摩擦系數測試的高速（0.4/m/s）條件下的實驗表明，聚氨酯彈性材料的穩態動摩擦系數比這里的“動”摩擦系數低，當然這里的主要影響因素是滑動速度問題。但考慮到低速微滑移時的摩擦系數的重要性，作者認為可以把滑動量較小而滑動速度又很低的這一時期摩擦稱為“初期摩擦”，它是界于靜摩擦與動摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態。襯期摩擦中滑動開始時的摩擦可以稱為初始摩擦，對于粘彈性體材料，這時的摩擦系數反映的是低初期摩擦系數。
初始摩擦系數的測量受材料彈性（粘彈性）變形影響，相對滑動應當是界面相對滑動而不應該是整體位移，而界面上的滑動是無法測量的，因而又只是以整體位移來衡量，用整體位移來測量就必然有彈性變形的影響問題。過去的研究已經發現，即使變形較小的金屬材料也會存在預位移，只是其位移量較小，而彈性體材料易于變形，因此預位移就很顯著了。預位移的大小與試樣的裝夾及尺寸有關，特別是和變形高度有關，因此測試中應盡量減小變形高度和增加變形剛度。
（2） 摩擦機理討論
本研究主要是針對摩擦襯墊材料進行的。摩擦襯墊的工作原理是通過鋼絲繩與襯墊的摩擦來完成提升工作，期望摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產生大摩擦。從摩擦學原理來講，一般認為摩擦力主要來源于摩擦的犁切分量和粘著分量，犁切分量主要和表面粗糙度及材料的物理機械性能關，粘著分量主要和配對副材料的物理化學性能關。由于工作中摩擦襯墊和鋼絲繩的表面狀態是動態變化的，表面粗糙度是難以控制的因素，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。因此本研究中摩擦副的表面是經過磨削和表面拋光的，盡量減少犁切分量的影響，粘著應該是其主要的摩擦機理。
根據粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點，切向力的作用使接點長大和滑脫。在金屬配對副中，接點可能是具有“冷焊”性質的高強度接點。在本實驗中，聚氨酯彈性體不可能與金屬產生“冷焊”，但卻有可能形成較高強度的化學粘接。我們用同樣預聚體合成的化學結構相近的聚氨酯彈性體膠粘劑對45#鋼的粘接實驗表明，其與金屬的實測剪切粘接強度在5~15MPa，這個數值比我們的0.5MPa的正壓力下測得的摩擦力要大20~60倍，比2.5MPa正壓力下的摩擦力也要大5~15倍?？紤]到粘接實驗也不可能是全部表面的均勻粘接，聚氨酯彈性體與金屬的理論化學粘接強度還會高。因此我們認為接點的化學粘接可能是形成接點的主要機理。
按照接點化學粘接的假設，提高正壓力會增大接觸面積，提高摩擦力，這與實驗現象是基本符合的，由于難以直接測量接觸面積，對于較高載荷下摩擦飽和現象尚未深入研究。在速度影響方面，由于速度會增加摩擦熱使接觸區溫度上升，溫度提高有利于提高分子的密切接觸，使粘接強度提高。我們在-10~20℃的不同溫度下進行的實驗表明：溫度提高，摩擦系數上升。根據粘接劑理論，粘接強度正比于分子中的極性基團。我們有實驗材料中添加少量強極性基團后摩擦系數的確有所提高。
4． 結論
?。?） 聚氨酯彈性體材料的動摩擦系數是和滑動速度有關的，在0.01~0.4 mm/s的速度范圍內，速度提高摩擦系數上升，在更高的速度下摩擦系數則會下降。
（2） 聚氨酯彈性體材料的靜摩擦系數是比較難以確定的。本文建議把滑動量較小而滑動速度又很低的這一時期的摩擦稱為“初期摩擦”，這是界于靜摩擦與動摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態。初期摩擦中滑動開始時的摩擦可以稱 為初始摩擦，初始摩擦系數反映的是低初期摩擦系數。
?。?） 高分子材料與金屬摩擦配對副的粘著摩擦機理可以用接點化學粘接的機理來解釋。根據這種機理，提高高分子材料的極性基團含量可以提高粘接強度，進而提高摩擦力。
參 考 文 獻
1．Z. M. Jin, D. Dowson and J. Fisher, Wear and friction of medical grade polyurethane sliding on smooth metal counter-faces, Wear, 162~164 (1993), 621~630.
2．溫詩鑄，摩擦學原理，清華大學出版社，1990。
3．夏榮海，多繩提升機摩擦襯墊與鋼絲繩間的摩擦系數，煤炭科學技術，1986年，第3期，15~18。
關鍵詞：聚氨酯彈性體；摩擦襯墊；摩擦機理；摩擦系數
聚氨酯彈性體材料具有良好的綜合機械性能，較高的強度和很高的斷裂延伸率，摩擦磨損性能優良，因此常作為一種高檔橡塑性材料用于密封件、耐磨件及其它摩擦磨損零件上。在煤礦的豎井摩擦提升機上，摩擦襯墊是其關鍵部件之一，襯墊的失穩或失效會造成重大的財產損失或人員傷亡，目前國內常用的襯墊材料主要是PVC、酚醛樹脂或皮革等，國外也有使用聚氨酯材料的。為提高襯墊材料的摩擦性能及耐磨壽命，我們對聚氨酯彈性體摩擦襯墊材料的摩擦特性進行了初步探討。
1． 材料與實驗方法
我們采用的聚氨酯彈性體材料合成工藝如圖1所示。合成過程分三步進行，先用化學純已二胺和己二醇合成聚醇；聚醇與工業純TDI二異氰酸酯預聚后生成聚氨酯預聚體；預聚體加入擴鏈劑及改性劑，反應后生成聚氨酯彈性體。所合成的聚氨酯彈性體的抗張強度為38.4 MPa，斷裂伸長率為470%。
圖1
摩擦性能的測試主要是在自制的定力法摩擦系數測試儀上進行的。該裝置的結構原于是如圖2所示。在這個裝置中壓力保持恒定不變，聚氨酯彈性體試樣的尺寸為40 mm×30 mm×20 mm，實驗前用500#砂紙將試樣表面打磨平整。配對摩擦副材料為調質處理的標準45#鋼，摩擦副接觸面除特別說明外都是采用經過磨削加工和表面拋光處理的平表面，實驗前先用酒精把摩擦副表面擦洗干凈?？煽丶右汗艿募虞d速度一般控制為60±1g/min，大正壓力為500kN，位移測量精度為2μm。測試過程中，先選取適當的平衡配重，安裝好試樣；然后通過可控制加液管慢慢加載，位移計開始移動，當位移為40μm時的摩擦系數記作靜摩擦系數，然后繼續加載并分別記取位移量為50μm、60μm、80μm、10μm…等一系列不同數值時的時間。根據載荷和位移計算摩擦系數和摩擦速度。
2． 實驗結果
聚氨酯彈性體材料是一種粘彈性高分子材料，其摩擦特性與金屬材料有顯著的差別。一般金屬材料的靜摩擦系數大于動摩擦系數，這種特點在聚氨酯彈性體材料上表現得尤其突出。圖3是摩擦副的切向位移隨切向載荷變化的典型規律?？梢钥吹皆诤苄〉妮d荷下，對摩樣就發生了宏觀位移。開始發生宏觀位移時的載荷一般不容易測準，它和試樣的夾緊程度、配重大小等預應力狀態有關。在載荷較小，位移量也較小的時候，位移量與切向載荷大致成正比。由于發生初始位移時的載荷不容易測準，這個比例系數也難于準確確定。在載荷和位移量較大的時候，位移量隨載荷上升的速度顯著提高，并且載荷和位移量之間的變化規律也比較穩定。我們稱這種開始穩定時的摩擦系數為初始摩擦系數，它相當于普通材料的靜摩擦系數。后面實驗數據中的摩擦系數都是指位移量等于或大于40μm時的摩擦系數。
摩擦襯墊對摩擦性能要求的關鍵參數是靜態摩擦系數，作為靜態摩擦系數的近似，我們考察了初始摩擦系數隨比壓變化的情況，實驗結果如圖4所示?？梢钥闯瞿Σ料禂惦S比壓的增大而上升，比壓較小時比較顯著，大于1.5 MPa后基本保持不變。
正常工作情況下，摩擦襯墊與提升鋼絲繩應保持相對靜止狀態，但工作中由于沖擊、振動或其它原因難免會發生一點低速微小滑移，因此襯墊材料的動摩擦特性也是其重要的性能指標。動摩擦特性有兩個方面的指標：一是動摩擦系數，另一個是摩擦系數的速度特性。實驗發現，聚氨酯彈性體材料的動磨擦系數大于初始磨擦系數，在9800N在法向載荷下其初始磨擦系數約為0.38，而經過一段滑動后仍可自動停止的磨擦系數約為0.46。聚氨酯彈性體材料摩擦系數的速度特性如圖5所示，該曲線的測試方法是先給摩擦副緩慢加載，當滑動速度接近預定值后停止加載，這時摩擦副縣長的相對運動會緩慢減速或基本維持勻速運動，這時的摩擦系數近似認為是該速度下的磨擦系數?？梢钥闯鲭S滑動速度的上升，在0.01~0.40 mm/s速度范圍內，聚氨酯彈性體材料的磨擦系數呈上升趨勢。在更大的切向載荷下，磨擦副的相對運動會逐漸加速而滑脫，說明磨擦系數已不在增大，或許已開始下降，但由于設備的原因而無法繼續測量。
3． 分析與討論
?。?） 粘彈性體材料的摩擦系數
靜摩擦系數與動摩擦系數在物理概念上是很明確的，對于多數工程材料也是容易界定的，但對象聚氨酯彈性體這一類的粘彈性材料，要確定靜摩擦系數就存在一定困難。由于粘彈性體材料在低速下的微滑動摩擦系數大于靜摩擦系數，在低速下的切向載荷――位移曲線上切向力是單調上升的，不會因滑動而降低，不象其它材料那樣有顯著的“動”和“靜”的差異。此外，我們在通常的動摩擦系數測試的高速（0.4/m/s）條件下的實驗表明，聚氨酯彈性材料的穩態動摩擦系數比這里的“動”摩擦系數低，當然這里的主要影響因素是滑動速度問題。但考慮到低速微滑移時的摩擦系數的重要性，作者認為可以把滑動量較小而滑動速度又很低的這一時期摩擦稱為“初期摩擦”，它是界于靜摩擦與動摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態。襯期摩擦中滑動開始時的摩擦可以稱為初始摩擦，對于粘彈性體材料，這時的摩擦系數反映的是低初期摩擦系數。
初始摩擦系數的測量受材料彈性（粘彈性）變形影響，相對滑動應當是界面相對滑動而不應該是整體位移，而界面上的滑動是無法測量的，因而又只是以整體位移來衡量，用整體位移來測量就必然有彈性變形的影響問題。過去的研究已經發現，即使變形較小的金屬材料也會存在預位移，只是其位移量較小，而彈性體材料易于變形，因此預位移就很顯著了。預位移的大小與試樣的裝夾及尺寸有關，特別是和變形高度有關，因此測試中應盡量減小變形高度和增加變形剛度。
（2） 摩擦機理討論
本研究主要是針對摩擦襯墊材料進行的。摩擦襯墊的工作原理是通過鋼絲繩與襯墊的摩擦來完成提升工作，期望摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產生大摩擦。從摩擦學原理來講，一般認為摩擦力主要來源于摩擦的犁切分量和粘著分量，犁切分量主要和表面粗糙度及材料的物理機械性能關，粘著分量主要和配對副材料的物理化學性能關。由于工作中摩擦襯墊和鋼絲繩的表面狀態是動態變化的，表面粗糙度是難以控制的因素，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。因此本研究中摩擦副的表面是經過磨削和表面拋光的，盡量減少犁切分量的影響，粘著應該是其主要的摩擦機理。
根據粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點，切向力的作用使接點長大和滑脫。在金屬配對副中，接點可能是具有“冷焊”性質的高強度接點。在本實驗中，聚氨酯彈性體不可能與金屬產生“冷焊”，但卻有可能形成較高強度的化學粘接。我們用同樣預聚體合成的化學結構相近的聚氨酯彈性體膠粘劑對45#鋼的粘接實驗表明，其與金屬的實測剪切粘接強度在5~15MPa，這個數值比我們的0.5MPa的正壓力下測得的摩擦力要大20~60倍，比2.5MPa正壓力下的摩擦力也要大5~15倍?？紤]到粘接實驗也不可能是全部表面的均勻粘接，聚氨酯彈性體與金屬的理論化學粘接強度還會高。因此我們認為接點的化學粘接可能是形成接點的主要機理。
按照接點化學粘接的假設，提高正壓力會增大接觸面積，提高摩擦力，這與實驗現象是基本符合的，由于難以直接測量接觸面積，對于較高載荷下摩擦飽和現象尚未深入研究。在速度影響方面，由于速度會增加摩擦熱使接觸區溫度上升，溫度提高有利于提高分子的密切接觸，使粘接強度提高。我們在-10~20℃的不同溫度下進行的實驗表明：溫度提高，摩擦系數上升。根據粘接劑理論，粘接強度正比于分子中的極性基團。我們有實驗材料中添加少量強極性基團后摩擦系數的確有所提高。
4． 結論
?。?） 聚氨酯彈性體材料的動摩擦系數是和滑動速度有關的，在0.01~0.4 mm/s的速度范圍內，速度提高摩擦系數上升，在更高的速度下摩擦系數則會下降。
（2） 聚氨酯彈性體材料的靜摩擦系數是比較難以確定的。本文建議把滑動量較小而滑動速度又很低的這一時期的摩擦稱為“初期摩擦”，這是界于靜摩擦與動摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態。初期摩擦中滑動開始時的摩擦可以稱 為初始摩擦，初始摩擦系數反映的是低初期摩擦系數。
?。?） 高分子材料與金屬摩擦配對副的粘著摩擦機理可以用接點化學粘接的機理來解釋。根據這種機理，提高高分子材料的極性基團含量可以提高粘接強度，進而提高摩擦力。
參 考 文 獻
1．Z. M. Jin, D. Dowson and J. Fisher, Wear and friction of medical grade polyurethane sliding on smooth metal counter-faces, Wear, 162~164 (1993), 621~630.
2．溫詩鑄，摩擦學原理，清華大學出版社，1990。
3．夏榮海，多繩提升機摩擦襯墊與鋼絲繩間的摩擦系數，煤炭科學技術，1986年，第3期，15~18。
