Page 76 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 李金鹏, 等: 聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究 861

板之间留有极小缝隙，配置好的单体溶液滴到锌板与 聚合物刷PSPMA的摩擦表面间的摩擦磨损性能进行
玻璃盘的缝隙处，通过毛细力令单体溶液充满整个缝 测试，其测量示意图如图2(a)所示. 试验中运动模式选
隙，经过3 h的聚合反应后将玻璃盘取出. 再用大量去 用球-盘测量模块中的旋转模式，摩擦对偶分别为
离子水将基底表面冲洗干净，最后用氮气吹干以待 GCr15材质的钢球和K9材质的玻璃盘，钢球直径为
备用. 6.4 mm，表面粗糙度R 为0.04 μm，玻璃盘直径63 mm，
a

1.3 测量装置和方法 表面粗糙度R 为0.013 μm，钢球购于青岛美克精密机
a
通过多功能摩擦磨损试验机UMT-3对表面接枝 械有限公司，玻璃盘购于无锡戴尔蒙科技有限公司.

Hig
Force sensor speed
camera
Polymer Light source
brushes
Steel Glass disc
ball
Polymer
brushes
Contact Inlet
region
Steel ball u e
Glass disc
Load
Outlet

(a) Friction tester (b) Optical interferometry for lubrication properties
Fig. 2 Schematic diagram of testers used in the experiment
图 2 试验测量装置示意图

成膜特性是衡量润滑性能好坏的另一项重要指 围 为 5 μm×5 μm， 图 像 为 512×512像 素 ； 利 用 英 国
标，对研究其润滑特性及揭示润滑机理有重要的意义， Talyhobson公司表面轮廓仪(PGI 800)测量摩擦力测量
利用自制的纳米薄膜测量装置评价聚合物刷PSPMA 试验后玻璃盘的磨斑表面形貌，分析摩擦磨损过程.

修饰的球-盘接触区内的成膜能力，其测量示意图如
2 结果与讨论
图2(b)所示. 试验中使用直径为25.4 mm的钢球，表面
粗糙度R =0.043 μm，材料为GCr15，购于日本NSK轴 2.1 水接触角表征
a
承公司；玻璃盘直径为150 mm，材料为K9玻璃，表面 相关研究证实摩擦副表面的润湿性对其润滑效
[24]
粗糙度R =0.005 μm，单面镀有1层约30 nm厚度的铬 果起着重要作用 ，是分析固-液表面润滑特性的一项
a
膜，用于获取质量高的光干涉图像，购于上海未普光 重要指标，研究中以接触角来衡量润湿性强弱. 分别
电科技有限公司. 向钢、玻璃和镀铬玻璃表面滴加5 μL去离子水，在样
所有摩擦学试验均在温度为22±1 ℃、空气相对湿 品3个不同位置测量3次，计算取平均值求得接触角.
度为40%~50%的环境中进行. 试验测量装置示意图如 测量了3种基底表面接枝前(Stage I)、接枝过程中引发
图2所示. 剂的组装之后(Stage II)和接枝结束后(Stage III)3个时

1.4 接枝聚合物刷表面的表征 刻的静态接触角(CA)，如图3(a)所示. 聚合物刷的接枝
进行摩擦力和光干涉薄膜测量试验前，需对接枝 过程引起了接触角发生先增加再减小的变化，例如钢
聚合物刷PSPMA的摩擦副表面进行表征：利用接触角 表面从61°变为75.5°再变为20°，镀铬的玻璃盘接触角
测量仪JC2000C1B分别对接枝前、接枝过程中引发剂 从58°变为62.5°再变为40°，这表明聚合物刷的接枝过
组装之后和接枝结束后3个时刻的接触角进行测量， 程引起了基底表面的润湿性发生了改变；图中还发现
定性表征接枝聚合物刷后基底润湿性能的变化；选用 经PSPMA修饰的接触角均小于原基底表面，表明
德国布鲁克公司的原子力显微镜(Innova) 获取接枝前 PSPMA可增强基底表面的亲水性，这是因为PSPMA
后基底的表面微观形貌，在轻敲模式下扫描成像，探 的亲水性基团不断结合周围水分子引起基底表面能
针的法向力常数为2.8 N/m，扫描频率为1 Hz，扫描范 升高进而使得接触角降低.