Schiff堿銅絡合物改性超高分子量聚乙烯及潤滑油的摩擦學研究.pdf

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

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

3、礎上，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構。在干摩擦條件下滑動時，純UHMWPE的摩擦學行為的一般規(guī)律完全可以用塑料摩擦學理論合理解釋。在此條件下，粘著磨損是UHMWPE損傷的主導機理，損傷形式為拉絲型破壞。本文在用光學顯微鏡和SEM直接觀察UHMWPE干磨損形貌的基礎上，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、紫外光譜及質譜分析，證實本文已成功制備出六種Schifr堿銅絡合物，并揭示了它們的化學結構。 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堿銅絡合物中，選定乙二胺縮水楊

5、醛Schiff堿銅(II)絡合物為對UHMWPE進行改性的添加劑。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，即其結構由純UHMWPE材料原有的枝晶、條晶及球晶的混合結構變?yōu)橥暾?/p>

6、勻的球晶結構。紅外光譜分析證明，甘油已彌散分布在這種復合材料中，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)絡合物+5％甘油．聚乙烯微膠囊改性kUHMWPE的導熱性比純UHMWPE提高19％～33％；各種交變載荷下，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡合物+5％甘油．聚乙烯微膠囊改性UHMWPE比純UHMWPE的壓縮應變小，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)異得多的摩擦學特性。SEM分析、電子能譜(EDX)分析及特殊設計的試驗，均證實了其自身選擇性轉移效應。其摩擦學行為，可用選擇性轉移機理解釋，塑料摩擦學的一般理論不能解釋該摩擦學行為。15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡合物+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)絡合物改性UHMWPE的初步微摩擦學性能測試表明，在與鈦合金配副干摩擦時，其摩擦系數(shù)比純UHMWPE低大約20％。在模擬人工髖關節(jié)臼受力水平的載荷下，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡合物改性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

9、合物改性UHMWPE的磨損輕微，幾乎不產生磨屑，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材料向人工關節(jié)臼材料發(fā)展有借鑒意義。 體外細胞毒性試驗證實，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡合物改性UHMWPE具有良好的生物相容性，加上其優(yōu)異的摩擦學特性，可望成為新型人工關節(jié)

10、材料。 采用W／O型微乳反應器法，成功地在極性潤滑基礎油(植物油)和非極性潤滑基礎油(白油)中直接合成了納米級Schiff堿及Schiff堿銅(Ⅱ)絡合物并使其自然分散在基礎油中。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型微乳反應器法制得的乙二胺縮水楊醛Sch

11、iff堿銅(Ⅱ)絡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)生了選擇性轉移效應。從而表明這兩種改性潤滑油摩擦學性能優(yōu)異的機理是選擇性轉移效應。 實測證實，除了優(yōu)異的摩擦學性能外，1％納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡合物+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堿銅絡合物+納米Schiff堿改性潤滑油的W／O型微乳反

13、應器法，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值達到了1084.6N，且油品穩(wěn)定儲存不產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聚現(xiàn)象。EDX分析發(fā)現(xiàn)銅單質出現(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移，由此帶來了改性