聚合物材料的滑动摩擦特性研究

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Study on Sliding Frictional Behaviours of Polymeric MaterialsJia Lixiao Song Lianmel Cui Qj(Department of Mechanical&Electrical Engineering，Luoyang Institute of Scienceand Technology，Luoyang Henan 47 1023，China)Abstract：In order to understand the frictional mechanism of slipping in walking，the sliding frictional behaviours ofthree kinds of polymeric materials of rubber，polyvinyl chloride and polyurethane was studied by Mark II slipmeter underthe condition of dry floor，wet floor and oil floor when mated with common floor materials of marble，compound wooden floorand waterstone.The results show that the rubber has the highest friction coefficient under the condition of dry floor.Threekinds of polymeric materials have significant difference in friction coefficient under the condition of wet floor，and their fric-tion coeficient decrease to approximate zero rapidly under the condition of oil floor.Among the t]hree factors，the influenceof contamination conditions is sign ifcant，but the influence of couple materials are not significant。

Keywords：polymeric materials；slipmeter；friction coefficient；analysis of variance打滑和摔倒会对人体造成不同程度的伤害 。

轻则发生骨折、扭伤等事故，影响人们的生活质量；重则发生死亡事故，威胁人的生命。尤其是老年人，行动灵活性不足，反应能力差，骨头脆性又大，发生滑跌摔伤的可能性更大，所造成的伤害也更严重。我国社会正在逐步趋向老龄化，而且室内装修也日趋豪华化，所使用的地板也越来越光可照人，这就更增大了人们在行走过程中发生滑跌摔伤的概率。

人体在行走过程中，之所以会发生打滑或摔倒，其根本原因是由于鞋底与路面之间的实际摩擦力小于人体在行走时所需的摩擦力，造成了人体行走失稳。

通常用鞋底与路面之间的摩擦因数来衡量鞋底材料或路面材料的摩擦性 。为了更好地掌握人体行走的基金项目：河南势技攻关项目 (102102310268)。

收稿13期：2012-07-15作者简介：贾利晓 (1972-)，女，副教授，主要从事材料摩擦学方面的研究.E-mail：jialx2001###163.com。

基本规律，对人体行走过程中的摩擦学机制有较深入的理解，结合目前室内装修的特点，本文作者采用鞋底生产中常用的橡胶、聚氯乙烯 (PVC)和聚氨酯(PU)3种聚合物材料与室内装修常用的大理石、复合木地板和水磨石3种较光滑的地板材料作为摩擦配副，研究了聚合物材料在不同环境条件下的滑动摩擦特性，以期为减少滑跌摔伤事故，提高人的生活质量和生命质量提供理论基赐技术指导。

1 试验部分1.1 试验材料试验所用的上试样是鞋底生产商常用的3种聚合物材料--橡 胶、聚氯 乙烯 (PVC)和 聚氨酯(PU)。3种材料的密度分别为 1.76，1.26和 1.39g/cm ，与地面接触的表面均光滑无花纹。

下试样是室内装修常用的地板材料--大理石、复合木地板和水磨石。试验前将3种材料的表面都清理干净，并保持干燥。在规定区域内进行摩擦因数测量，以保证试验的可重复性。

润滑与密封 第38卷1.2 试验仪 器试验所采用的测量仪器是 SG.P07MI型的 MarkI止滑试验机，该试验机是-种便携式可倾斜铰链支杆摩擦测量装置，其原理是利用荷重透过试样对地面产生水平与垂直分力，依据力平衡原理，界定试样与地面之间的摩擦因数。Mark I止滑试验机的操作方法是上试样在45.4 N载荷的作用下以-定角度冲击下试样，2个试样接触后可能会发生相对滑动，滑动时角度的正切值即是临界摩擦因数，该值标在试验机的倾斜支柱上，可直接读出。

采用XHS型邵氏硬度计测量3种上试样的硬度，其值分别为 HD26、HD42和 HD36。

1.3 试验条件及方法试验在3种环境条件--干路面、水路面和油路面下进行。其中水路面是将 10 mL水倒在测试地板上 ，油路面是将 10 mL机油倒在测试路面上。每种试验条件测量之后，地板表面和鞋底试样都要清理干净 ，并用吹风机吹干。

摩擦性能测试试验在河南科技大学材料摩擦学重点实验室进行，试验时的室内温度为16～20℃，相对湿度为 28% ～33%。

Mark I止滑试验机采用逼近法得到打滑时的临界摩擦因数，根据估计的打滑临界摩擦因数值，从较小的摩擦因数开始测量，如果不发生打滑，则将摩擦因数每次增加0.05再进行第二次试验，直到发生打滑，在打滑之前至少要有3次不打滑，才能证明该次打滑是第-次打滑。如果发生打滑，则将摩擦因数每次减小0.01再进行第二次测量，直到再次出现不打滑，记录最后-次发生打滑的摩擦因数，作为发生打滑时的临界摩擦因数。

2 试验结果2.1 聚合物材料摩擦特性比较图1是3种聚合物材料在不同配副、环境条件下的临界摩擦因数。

籁圜氅避豳木地板 l ；l日大理石l ；l -《 ， -； - l千 湿 油 千 湿 油 干 湿 油图1 3种聚合物材料的摩擦因数Fig 1 Friction coeficient of three kinds of polymeric materials可见：3种材料在干路面上的摩擦因数都最大，在湿路面上的摩擦因数次之，而在油路面上的摩擦因数最校干路面条件下，橡胶的摩擦因数最大，PU/大理石摩擦副的摩擦因数最小；湿路面条件下，3种材料与水磨石作配副时的摩擦因数相差不大，都在0.1左右，而 PVC在复合木地板上的摩擦因数最小，仅是其在水磨石上摩擦因数的 1/2；油路面条件下，3种材料的摩擦因数都急剧减小到接近于0。

2.2 外在因素对摩擦特性的影响为了分析3种因素对摩擦因数的影响程度大小，将摩擦因数作为检验指标，将上试样材料、下试样材料和环境条件作为3个影响因素，每个因素设3个水平，按照 L9(3 )构造正交表，因素水平表和正交表分别见表 1和表2。对得到的试验数据进行方差分析 ，结果见表 3。

表 1 因素水平表Table 1 Factor and level for experiment表2 正交表及试验结果Table 2 Orthogonal and experimental results试验号上试样材料)(下试样材料)(环境条f牛)1 2 3 4试验结果1 1 1 1 1 0.252 1 2 2 2 0.053 1 3 3 3 0.0054 2 1 2 3 O.15 2 2 3 1 0.oo56 2 3 1 2 0.187 3 1 3 2 O.oo58 3 2 1 3 0.289 3 3 2 1 0.060.305 0.355 0.71 0.3150.285 0.335 0.21 0.235 T0.9350.345 0.245 0.015 0.3857l 0.102 0.118 0.237 0.1050.095 0.112 0.07 0.0780.115 0.082 0.005 0.1280 0 O 0 o2013年第 1期 贾利晓等：聚合物材料的滑动摩擦特性研究 37表 3 三因素方差分析表Table 3 Three-factor analysis of variance table由表 3司知 ，上 、 F试样材 料对摩 擦因数的影响都不显著，只有环境条件对摩擦因数的影响显著。现在把影响最不显著的上试样材料合并到误差项，重新进行方差分析，结果见表4∩知，下试样材料对摩擦因数的影响仍不显著，但环境条件对摩擦因数的影响却极显著。对影响极显著的环境条件进行 Duncans多重 比较，结果如下：2： ：O .004 648： 0.000 775n-0 9-3 。

查表得：SSR。 (2，6)3.46SSR0 05(3，6) 3.5871.- 0. 237 -0.07 SSR1-2 - 二-1二 二- 2二二二 - 兰二二兰二二二二 - /(n )× 三±三2 ： ZZ/- 2×3×3 10.39 > 3.46Jss ： I二 - ： ： - /(n。 )× /!三±兰2 Q： Q!√ 2 - 2×3×3 14.41 > 3.58 0 07 0 005jt 2- i 3 U.UI-U.UUD s3√- - 2×3×34.04 > 3.46比较结果表明：C。与 C：、C 与 C。、C 与C，间的差异都达到显著水平。

综合以上分析可知，在本文的试验条件下，环境条件对摩擦因数的影响最大，且不同环境条件下的摩擦因数差异都达到显著水平；其次是下试样材料，最后是上试样材料，但上、下试样材料对摩擦因数的影响都不显著。

3 讨论环境条件对摩擦副的摩擦特性影响显著 (P0.05)，且3种环境条件下的摩擦因数区别也显著(P0.05)，是由于路面上有：无液体以及液体的黏度对摩擦因数有影响。干路面条件下，摩擦副表面之间呈现干摩擦状态，摩擦因数较大；而当路面上有液体存在时，摩擦副表面之间的摩擦属于润滑条件下的摩擦，润滑剂的存在减小了摩擦因数。当路面上有液体存在时，依据文献[6]中所述：路面上液体的黏度越大，鞋在与路面接触时所需要的下落时间就越长，摩擦因数也就越校油比水的黏度大，故摩擦因数较校与干、湿路面相比较，油路面条件下的摩擦因数显著减小，说明油的润滑效果显著。

文献 [7-8]指出：相接触的表面越粗糙，则摩擦因数越高；且主要与表面粗糙度 砌 有关，摩擦因数随Ra的增加而线性增大 文献 [9]表明，当2种材料之间的表面粗糙度的差别超过某-临界值时，表面粗糙度对摩擦因数才有显著影响。试验所用3种聚合物材料在试验前的表面形貌如图2所示，PVC、PU和橡胶的R0分别为0.292，0.237和0.578 m。

橡胶与其他2种材料相比较，Ro较大，所以其摩擦因数也较大；PVC与PU的 口相差不大，因此摩擦因数也接近。整体上来看，3种材料的Ro都较小，润滑与密封 第 38卷3 结论(1)在铜基粉末冶金材料中添加铝元素后，材料的密度、孔隙度和抗压强度、摩擦因数降低，硬度和线膨胀率增加，而磨损率明显降低。

(2)随着铝含量的增加，材料的密度、孔隙度、抗压强度逐渐降低，线膨胀率呈上升趋势；磨损率明显降低，而摩擦因数变化不明显。

(3)在铜基粉末冶金中加入铝元素后，在显微组织中有新相生产，使基体组织细化，因而铜基粉末冶金的整体材料性能得到提高。