影响人造运动草坪耐磨性的因素分析
发布时间: 2009-06-08 | 作者: | 访问次数: 1360

 

摘要     本文简述了研究耐磨性对促进人造草坪发展的意义,总结了影响人造草坪主要成分高分子材料的耐磨性因素,即磨料特性、聚合物的性能及复合材料中的填料,并进一步阐述了提高高分子材料耐磨性能的三种方法:结构改性、纤维素含量及无机颗粒填料对耐磨的改善。

关键词 人造草坪 耐磨性  高分子材料
前言
        人造草坪诞生于上个世纪60年代,采用人工方法以非生命的塑料化纤产品为原料制作而成。草叶截面酷似天然草坪之扁平状,是仿天然草坪织物,能满足高强度的运动需求,铺设简易,适用性强,且色泽鲜艳,触感良好,草地平整度优良,并且不消耗用于天然草坪养护用水等优点[1]。然而,体育运动是常年性的运动,要求运动场地一年之中有尽可能多的时间可以使用。所以要求人造草坪能长期抵御紫外线、风、雨及其他恶劣外界条件的损害,须质量好,使用年限长。因此提高人造草坪科技水准,改善草坪的耐磨性能以延长其使用寿命,对促进环境保护、经济和体育事业的发展等方面发挥更大的作用。
        目前使用的运动人工草坪主要是聚合物复合材料,主要成分是聚乙烯属非生物降解材料等,比如DOWLEX™ PE和ELITE™ PE,以及AFFINITY™聚烯烃。
 由于聚合物复合材料具有优良的物理、化学和力学性能,如质轻、比强度高、比模量大、耐腐蚀性好、成型方便等特点[2]。但聚合物材料的表面硬度低,承载能力差,易磨损;而人造草坪使用频率频繁,磨损力度大,须研究其耐磨性能以增强人造草坪抗耐磨性能。目前,研究人员尝试用各种填料增强聚合物耐磨损度,并研究增强材料与基体材料相互作用的机理。在聚合物复合材料中,填充材料可以显著改善基体的磨损特性,提高其使用寿命。因此,对于人造运动草坪来讲,研究其耐磨性主要是研究聚合物复合材料的耐磨性。同时,耐磨性是评价人造草坪质量的一个最为重要的指标,它是保证人造运动草坪质量稳定性的重要前提。本文将重点从高分子材料的角度论述影响人造草坪耐磨性能的因素以及提高人造草坪耐磨性的方法研究进展。
1影响磨料磨损的因素[3]
1.1磨料特性
    磨料粒子的形状是影响耐磨性能的重要一方面,粒子形状的影响表现为:锋利粒子比圆钝粒子使材料产生更大的磨损[3,4]。磨料粒子尺寸对磨损影响因材料不同而异,PMMA、尼龙66、PEI、PA、PEI-15%(wt)PTFE及 PEI-20%(wt)GF等材料的磨损存在着临界粒子尺寸[5]。当小于临界尺寸时,磨损速率随磨料粒子尺寸增加而较快增大,超过临界尺寸之后,磨损速率变化很小,而 PI、PTFE及其复合材料等的磨损不明显或没有临界粒子尺寸。若用磨料表面粗糙度表征磨料粒子形状、尺寸及粒子分布密度的综合效应,其结果是粗糙度增加则磨损速率明显增大。
1.2聚合物的性能
        聚合物及其复合材料的磨损速率与自身的硬度没有明显的关系,硬度相同的材料也可有一定差别的磨损速率[6]

        聚合物的强度特别是韧性对磨料磨损有重要影响。韧性越好则耐磨性越好。图 1给出多种聚合物的磨料磨损速率与1/σyξy之间的关系,σy和 ξy分别为拉伸断裂应力和总应变力。

  图 1 磨损速率与1/σyξy 的关系

1-PS,2-PMMA,3-Acetal,4-PP,5-PTFE,6-PE,7-Nylon66

 

1.3复合材料中的填料

        复合材料中颗粒填料的硬度,特别是颗粒与聚合物基体的界面结合强度显得十分重要。填充石墨、MoSi使磨损速率增大,青铜粉稍降低磨损速率,因硅烷 处理增强了石英砂颗粒与 PMMA界面结合,故提高了材料的耐磨性能(见图 2)。短纤维填充复合材料的磨料磨损性能的研究表明[7],纤维含量对磨损影响不大, 含量很高时甚至使磨损速率增大;纤维取向(见图 3)有较大影响,N 型取向磨损量最小,AP或P型取向的磨损量明显高于N型取向;碳纤维和玻璃纤维对所增强的复合材料耐磨性差别不大,对一些聚合物,玻璃纤维好些,对另外一些聚合物则碳纤维好些[5]

 

图2石英砂浆(1:1)对PMMA复合材料的磨损

(填料:1-硅烷处理,石英砂,2-未处理石英砂,3-未处理玻璃球)

 图3纤维取向示意图

 

2提高高分子材料耐磨性能的方法
        人造草坪与天然草坪相比有很多优点,主要是因人造草丝的成分高分子材料有很多优点,但高分子存在负载能力差、导热性差、热变形温度低、尺寸不稳定等缺点,因此对研究高分子材料进行改性,以扩大其在减摩耐磨材料中的应用范围及扩展应用条件,即提高运动草坪的耐磨性对提高草坪的使用寿命及其维护是十分必要的。在已有的研究中主要的改性方法有:高分子的结构改性、填充纤维增强材料、微米级无机颗粒增强材料及纳米粒子改性复合材料。下面将对这三个方面分别进行展述。
2.1高分子材料的结构改性
        高分子材料的耐磨性能受其分子链结构的影响,因此,通过对高分子材料的取向度和交联度的改变可以增强其耐磨损性能。Hosein等[8]通过滚轴冷拉(cold-roll drawn)使高密度聚乙烯(HDPE)的分子链取向,并研究了在垂直和平行取向方向上的磨损及取向度对磨损性能的影响。其结果显示,平行于取向方向的磨损率比垂直于取向方向的磨损率高,当摩擦运动的方向垂直于取向平面时,磨损率达到最小值,在0.32MPa的载荷下,此最小值比同等条件下UHMWPE的磨损率还低40%。因为在沿着分子链取向方向材料具有最高的强度值,而在垂直于取向面的磨损要破坏材料产生磨损就最为困难。而在其它方向磨损时,可以实现垂直于取向方向的裂纹,因此磨损率也较高。另外,当取向度从2变为4时,磨损率进一步降低,说明通过提高取向度来提高耐磨性是可行的。
        Saikko等[9]比较了HMWPE交联改性前后的磨损性能。通过电子束辐射和热处理而产生交联的UHMWPE的磨损率比改性前有明显降低,在对偶面为0.014微米时,磨损率从改性前的2×10-6 mm3/Nm降低到改性后的2×10-9 mm3/Nm,而在0.2微米粗糙度对偶面的情况下,则从1×10mm3/Nm降低到1×10-6mm3/Nm。对磨屑的观察发现,交联后材料的磨屑尺寸也大大减小,说明材料抵抗热机械形变的能力增强从而使其磨损率下降。
        Bremner[10]报导了用聚二甲基硅烷(PDMS)改性聚氨酷的研究,改性后摩擦系数降低了60%,磨损率下降了25%。
2.2纤维增强高分子材料摩擦磨损性能
        早期的研究表明,纤维填充高分子材料具有优良的力学性能。随着高分子材料应用领域的扩展,利用纤维填充来增强高分子材料摩擦磨损性能的研究也越来越引起重视并取得了很多成果。一般来说,纤维作为硬质支点,在摩擦过程中承载了主要的压力,从而降低了材料的摩擦系数和磨损率。另一方面,纤维的断裂和脱落既会造成磨损的质量损失也会形成硬质磨屑,从而对材料的摩擦磨损性能带来负面影响。纤维填充高分子复合材料的磨损主要有四种方式[11]:材料基体的磨损;纤维的滑动磨损;纤维的断裂;纤维的拔出。因此,在纤维填充高分子复合材料的摩擦磨损性能研究中,影响复合材料性能的主要有纤维的体积含量,作为填料的纤维的种类,纤维排列与摩擦方向的关系及纤维与基体之间的界面强度。
2.2.1纤维含量对复合材料摩擦磨损性能的影响
        纤维填充高分子复合材料的磨损性能对含量的影响,是随着纤维含量增加抗耐磨性能逐渐提高,当含量达到一定程度后抗耐磨性能会随着含量增加逐渐减小,即纤维素的含量对提高高分子复合材料耐磨性存在一个最佳的含量。Arkles等[12]研究表明,当体积含量增加到15%以上时,磨损率不再随含量的提高而下降。ahadur等也发现10%纤维增强聚酯的磨损率最低,且材料的磨损率也相应地降低。分析认为:当纤维含量过低时,纤维因拉伸或剪切而断裂,增强效果并不明显;而纤维含量过高,纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离增多、破坏了复合材料和偶件之间形成的转移膜,从而导致磨损增加。
2.2.2不同种类纤维填充高分子材料的性能
        作为高分子材料的增强体,一般要求纤维有很高的强度和模量,不与基体反应且能与基体形成良好的界面,作为耐磨材料还要求纤维有高的耐磨性和硬度。研究较多的主要集中在玻璃纤维,碳纤维和芳纶(Kevlar)纤维等。早在六,七十年代,科学家就发现碳纤维填充可提高高分子材料的导热性能和抗热变形能力,相应的使材料的磨损率降低。Sung等[13]比较了Kevlar-49和石墨填充环氧树脂复合材料的磨损性能,发现Kevlar纤维能使环氧的磨损率降低到和石墨填充环氧相同的水平,且能获得更低的摩擦系数。Cirino等[14]研究的结果表明,碳纤维填充高分子材料可获得比玻璃纤维填充更低的磨损率和摩擦系数,认为有两个原因,一是因为碳纤维可以起到界面润滑的作用,另一方面,玻璃纤维的断裂和拔出会造成比较严重的磨粒磨损。Wishwanath等[15]以聚乙烯基丁酯改性酚醛树脂为基体,研究了玻璃纤维,高强碳纤维和Kevlar-49三种纤维在不同摩擦条件下对材料的增强作用。随着摩擦速率的上升,复合材料的温度也随之上升,造成基体材料的软化甚至炭化,使纤维和基体的界面松动,在摩擦力作用下,发生纤维的断裂和脱落。在这两种作用下,复合材料的结构完整性被破坏。对玻璃纤维填充酚醛树脂这种破坏发生在摩擦速率12.94 m/s时,而对于碳纤维和Kevlar纤维填充的情况,这种破坏则发生在摩擦速率17.8 m/s。对摩擦面的形貌分析发现,玻璃纤维增强复合材料的表面粗糙度从磨损前的0.13微米上升到磨损后的0.26微米,而碳纤维和Kevlar纤维填充的情况其表面粗糙度分别为0.17和0.11微米。相应的磨损率的关系也是Kevlar<碳纤维<玻璃纤维,电镜对磨损面的观察解释了三种纤维增强的不同机理。在碳纤维和玻璃纤维填充的情况下,摩擦表面都可以观察到很多断裂的颗粒和纤维,而在Kevlar纤维填充复合材料的磨损面很少。说明韧性的Kevlar纤维能够更有效的抵抗摩擦过程的剪切力,而同时磨掉的颗粒也不像玻璃纤维和碳纤维那样容易形成严重的磨粒磨损。对摩擦系数的研究得到了相反的结果,玻璃纤维和碳纤维填充材料的摩擦系数比Kevlar纤维填充材料更低,其原因可能是断裂和脱落的纤维因表面光滑且硬而在摩擦面之间起到滚轴的作用,从而使摩擦系数降低。
2.2.3纤维排列方向对磨损性能的影响
        连续纤维在高分子基体中的排列,相对于摩擦运动的方向有三种排列方式[16],一种是平行于摩擦运动的方向(P),一种是平行于摩擦面但垂直于摩擦运动方向(AP),另外一种是垂直于摩擦面(N)。对于双向编织纤维,存在四种摩擦方式,分别是:平行于摩擦面且平行于纤维排列方向(P),平行于摩擦面的垂直排列(AP),垂直于摩擦面的平行排列(NP)以及垂直于摩擦面且垂直于摩擦方向(NAP)。
        Friedrich等[17]在石墨纤维填充PEEK的磨损性能的研究中详尽地阐述了各种排列方式对材料磨损性能的影响及其不同的机理。在所有的排列方式下,复合材料的磨损率都随PV值和摩擦温度的上升而增加。在相同的摩擦条件下,P方向的材料的磨损率最低,而AP方向上得到最高的磨损率,甚至超过未填充PEEK, N方向的磨损率介于两者之间,但比纯PEEK的磨损率低。摩擦系数则基本不受PV值和摩擦温度的影响,同时,三种排列方式下得到的摩擦系数都高于纯PEEK。根据材料的不同性能,Friedrich等提出不同方向的磨损机理,认为在三种排列方式下都是纤维起主要承载作用,因此,对于P方向,裂纹和断裂都是在垂直滑动的方向发展,因此是不连续的,故裂纹之间的距离较大,并不容易造成纤维的脱落,在N方向时,纤维增强了材料,减小了界面的剪切作用,使磨损率降低,但同时应力集中作用于纤维末端,造成界面层下纤维的断裂和拔出,成为主要的磨损方式。
        对于编织纤维增强的复合材料,其磨损率可以降低到单向纤维增强材料的1/6,摩擦系数也相应的有所降低。同时,编织纤维增强复合材料的磨损性能表现出较明显的各向同性,在各磨损面的磨损率相差不大,通过对磨损面的观察,表明编织纤维综合了单向纤维在各方向的作用,使耐磨性大大提高。
2.3 无机颗粒填料增强高分子材料的磨损性能
        目前人们对无机化合物填充聚合物基复合材料的研究比较多,这类填料包括的种类较多,如氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金属碳酸盐、硫化物、晶须等无机化合物填料对聚合物摩擦学性能的影响。
        在高分子材料中添加无机颗粒也是常用的改性方法,无机颗粒的加入可以起到降低成本、提高力学性能、增加热稳定性等作用。同时,硬质无机粒子在高分子材料中可以起到支撑作用。纳米级的添加剂不但可以在摩擦表面成膜,降低摩擦因数,而且可以对摩擦表面进行一定程度的填补和修复,起到抗磨作用。因此,通过填充无机颗粒来提高高分子材料的摩擦磨损性能也成为研究的热点。
        何春霞[18]对100 nmAl2O3填充PTFE复合材料在滑动摩擦条件下的性能研究表明,纳米Al2O3虽然能降低基体的磨损率,但却是材料的摩擦系数增加,同时PTFE的塑性变形更加严重。Swayer[19]等也进行了纳米Al2O3填充PTFE复合材料的磨损性能实验,也发现摩擦系数略有上升,在填充量20%体积范围内,磨损率随填充率的增大而线性降低,在20%时达到最小为纯PTFE的1/600。电镜对复合材料的结构的研究发现,由于纳米颗粒远多于基体材料颗粒,因此形成细胞状结构(cellar structure),使基体相互隔离,避免了磨损的连续破坏,同时阻止了表面下层裂纹的扩展,从而降低了材料的磨损率。
        贺鹏等人[20]研究了100 nmSiO2颗粒填充HDPE复合材料,并采用几种不同的分散方式制备复合材料。结果表明,振动磨方法能获得较好的分散性,同时材料的拉伸性能和耐磨损性能也有较大提高。在2%最佳含量下,拉伸强度提高了10%,磨损率则降低到基体的1/3。他们认为良好分散的纳米粒子能与基体紧密结合,可起到物理交联点的作用,提高了材料的抗剪切力的能力。在含量上升时,纳米粒子的团聚比较严重,从而使磨损率上升。Shao[21]等研究了纳米SiO2填充PPESK复合材料的磨损率特性,发现纳米颗粒的最佳填充量为4.2%体积含量,而进一步增加含量,则摩擦系数和磨损率都逐渐上升,在不同的载荷条件下保持了摩擦性能与填充量的关系。电镜对磨损面的观察也发现了磨损机理的变化,未填充材料的使磨损严重的塑性变形和粘着,并有磨粒磨损。而纳米颗粒填充后可以形成薄的转移膜,磨损机理主要为轻微的粘着磨损。
        为了进一步了解纳米粒子在减摩耐磨材料的作用机理,Bahadur等[22]研究了纳米Al2O3填充PPS复合材料的磨损特性。其结果表明,纳米Al2O3在21%填充量时达到最佳耐磨效果,而一般微米级颗粒达到最佳磨损性能需要填充量为30%-40%。对转移膜与对偶面的结合力的测量,当对偶面表面粗糙度从0.06微米上升到0.1微米时,转移膜结合强度增加,而磨损率随之下降。当纳米粒子含量为21%时,转移膜结合强度最大,此时材料的磨损率也达到最小值。说明在稳态磨损阶段,控制磨损率主要是转移膜与对偶面的结合力,而这种结合作用与对偶面的表面粗糙度有关,说明这种结合力主要是一种物理锚合作用。同时,一定含量纳米粒子的存在可以增加这种结合力,从而使材料的磨损率降低。
        纵观无机颗粒填充高分子减摩耐磨复合材料的研究现状,无机纳米颗粒的应用正逐渐引起大家的重视。与微米级无机颗粒相比,纳米粒子尺寸小,表面比较光滑,避免了微米颗粒容易产生的磨粒磨损,如果能与基体形成良好的界面,还能起到润滑作用。同时,纳米粒子由于比表面大,理论上能与高分子基体形成更完善的界面,能更有效地起到传递应力的作用。另外,纳米颗粒的加入对于转移膜的形成和稳定也是有利的。
3结论与展望
        摩擦学作为一门实践性很强的技术基础学科,它的形成和发展与社会生产的要求和科学技术的进步密切相关。并且自从人造运动草坪上世纪出现以来,由于其有着比天然草坪有更多的优良特性,在体育等多领域得到了广泛应用,并有成为草坪的主流产品的趋势。所以研究其主要成分高分子材料的耐磨性因素。改善高分子材料的耐磨特性,对延长人工草坪的使用寿命,扩大草坪的应用环境,扩大草坪的应用领域都起至关重要的作用。同时也扩大了摩擦学在体育运动领域的研究,并随着人工草坪迅速的应用,人工草坪耐磨性研究有望成为摩擦学的一个重要分支。但我国对于摩擦的研究起步比较晚,今后,我国摩擦学工作者仍需本着理论联系实际的原则,加快我国人工草坪耐磨性能的研究,对体育事业及国民经济的发展作出重要贡献。
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