Page 78 - 《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 863

节玻璃盘的水平度直至顺时针和逆时针均达到相同 廓仪PGI 800对磨痕进行扫描，扫描尺寸为1 mm×1 mm，
的摩擦系数μ，消除人为操作误差. 摩擦力试验结束 扫描速度设置为0.5 mm/s，其三维表面形貌图如图5(b)
后，将玻璃盘取下用大量乙醇清洗干净，利用表面轮 所示.

z/μm z/μm
(a) (b) 6 4.7
0.8 4
Speed: 10 mm/s 0.85 mm 0.70 mm
0.7 4
2 2 2 2
2 2
0.6 y/mm x/mm 0 y/mm x/mm 0
Friction coefficient 0.4 Ungrafted PSPMA brush Without PSPMA, 10 mm/s With PSPMA, 10 mm/s 2.8
0.5
0
0
Grafted PSPMA brush
z/μm
z/μm
2.5
0.3
0.2 Speed: 300 mm/s 0.22 mm 2 0.16 mm 2
0.1 Ungrafted PSPMA brush 2 2 1 2 2 1
Grafted PSPMA brush
0.0 y/mm x/mm 0 y/mm x/mm
0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 0
0 0
Time/s
Without PSPMA, 300 mm/s With PSPMA, 300 mm/s
Fig. 5 Friction curves and topography of worn scars
图 5 摩擦力测量曲线和磨斑表面形貌

图5(a)示出了摩擦副表面有无接枝聚合物刷PSPMA 况，发现聚合物刷PSPMA修饰的摩擦表面其摩擦系数
的摩擦系数时变曲线，发现接枝聚合物刷的摩擦表面 并不能降至0.01以下（视为超滑）. 在前期的研究中，发
具有更低的摩擦力，且在测试过程中一直保持比较稳 现“graft to”型的聚合物刷PLL-L-PEG的摩擦系数可
定，例如，滑动速度为10 mm/s，摩擦系数μ由0.7降至 低至0.003，这说明2种聚合物刷的减摩抗磨机理是不
0.55，这主要归因于具有致密结构的亲水性聚合物刷 同的，文献[26]指出，通过静电作用接枝的聚合物刷
PSPMA结合周围的水分子发生水合作用形成1层边界 PLL-L-PEG已被证实在摩擦过程中经历1个吸附-解
润滑水膜，聚合物链间的水化层既可以有效抵抗法向 附-再吸附的动态平衡过程，故而一直能保持较低的
载荷，又能较好地适应剪切应力从而降低摩擦力. 随 摩擦力. “graft from”型的聚合物刷PSPMA通过化学
着滑动速度增至300 mm/s时，此时动压效应增强而使 键与基底结合，摩擦力测量过程中球-盘式运动模式
得摩擦系数降低至0.38，接枝聚合物刷后的摩擦系数 (球固定，玻璃盘转动)意味着滑滚比SRR值为2，即试
低至0.18. 此外，也观察到未接枝表面要经历一段较长 验工况为纯滑动，此时聚合物刷承受了极高的剪切

的磨合期，例如，滑动速度10 mm/s下的摩擦系数2 100 s 力，导致了聚合物刷PSPMA从基底剥离后无法及时补
后达到稳定，而接枝聚合物刷表面达到的稳定的时间 充而发生部分失效，进而水合作用减弱难以形成稳定
为1 200 s，滑动速度300 mm/s时也观察到类似的结 有效的水化层. 若要达到低摩擦力状态甚至实现超
果，这表明接枝聚合物刷PSPMA可缩短磨合期. 滑，可从两方面来考虑：一是由于链状的聚合物刷
从图5(b)可以看出：与未接枝聚合物刷PSPMA的 PSPMA具有较差的抗压性及耐磨性，可通过设计和制
表面相比，接枝聚合物刷PSPMA的表面犁沟的宽度均 备具有交联结构聚合物刷，例如张晶晶通过摩擦磨损
明显减小，例如，在滑动速度10 mm/s下，犁沟的宽度 试验证实了交联状的聚合物刷PHEAA具有较好的抗
[27]
由0.85 mm降至0.7 mm，同时划痕的颜色由深蓝变为 压和耐磨损性能 ，发现其在水中可达到超润滑状态
浅蓝，这表明磨斑的深度变小；300 mm/s下的“磨痕” (摩擦系数约为0.01)；二是滑滚比SRR越高意味着剪切
宽度由0.22 mm降至为0.16 mm，磨损程度明显轻于 应力越大，标准测试仪器-摩擦磨损试验机(UMT-3)无
10 mm/s，这与摩擦力测量结果相一致. 法实现滑滚比的改变，需研制滑滚比可调的摩擦试验
以上结果表明PSPMA能在一定程度上减小摩擦 机，开展小滑滚比下聚合物刷的水合作用对摩擦磨损
力和降低磨损. 需要指出的是：经过反复尝试改变工 性能影响的研究值得期待.