Page 122 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 周新聪, 等: 沙水润滑下纳米改性NBR材料的摩擦学性能 565

丁腈橡胶(NBR)分子结构中存在极性腈基(-CN) 的稳定性、触变性和增稠性，并且比表面积大、成本
和反式-1,4结构，具有较优异的耐油、耐热和耐磨等性 低、机械性能优异，是一种优良的耐磨补强材料 [16-17] .
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能，广泛应用于交通、机械行业 [1-3] . 船舶水润滑尾轴承 Nozomu Suzuki等 研究了SiO /丁腈橡胶复合材料的
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严峻的工作条件与丁腈橡胶的性能相匹配 [4-5] . 但是随 力学性能，试验结果表明丙烯腈与SiO 表面的羟基之
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着现代工业化的发展，超高分子量聚乙烯材料、陶瓷 间形成的氢键能够改善复合材料的力学性能，但是不
材料等各类水润滑尾轴承材料的涌现，丁腈橡胶在水 同份数的SiO 在复合材料基体中因团聚现象而对复
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润滑尾轴承的应用对其性能提出更高的要求 [6-7] . 合材料的性能改善有较大差异. 康新尉等 填充纳米
水润滑尾轴承在尾轴不平衡作用力下导致严重 SiO 至硅橡胶基体，发现SiO 含量低于40份/100份的
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的摩擦损耗，但是沙粒对水润滑尾轴承的侵害也不可 复合材料填料网络疏松且不均匀. 纳米颗粒表面因易
忽视. 我国长江流域含有大量的泥沙，水润滑尾轴承 与临近原子配位而极易产生团聚现象，与基体材料共
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在该流域的实际应用存在较大困难. 许全喜等 统计 混增强效果与预期相差甚远 . 因此，需对纳米颗粒
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长江上游的水流含沙量，发现长江水域部分地区平均 进行表面改性，提高其在复合材料中的分散性以达到
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质量含沙量超过1.1%. Yuan等 依据长江流域含沙量 预期的材料补强效果.
研究沙粒粒径以及运行工况对丁腈橡胶的耐磨性影 本文作者采用硅烷偶联剂TESPT改性纳米SiO ，
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响，试验结果表明23和48 μm粒径沙粒对丁腈橡胶会 使纳米SiO 在丁腈橡胶基体中分散均匀. 将改性后的
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产生持续的摩擦效应，丁腈橡胶的磨耗因沙粒的存在 纳米SiO 、未改性纳米SiO 、微米SiO 分别与丁腈橡胶
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基体形成复合材料，在SSB-100型摩擦磨损试验机上
而增大.
纳米粒子补强橡胶是利用纳米粒子的表面效应 探究三种复合材料在沙水润滑条件下的摩擦磨损性
和体积效应来提高纳米粒子与橡胶大分子之间的作 能，以期获取耐沙磨损的丁腈橡胶复合材料，为实际
用力，不同的纳米填料将赋予橡胶不同的补强效果， 船舶水润滑尾轴承材料的设计提供参考.

以达到预期的耐磨、耐寒和耐撕裂等性能 [10-11] . 碳纳米 1 试验材料的制备
管具有良好的导电、传热和力学性能. 赵鑫等 利用
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丙烯酸法改性碳纳米管填充丁腈橡胶基体，发现丙烯 1.1 改性纳米SiO 的制备
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酸法改性碳纳米管填充丁腈橡胶不仅能够提高丁腈 图1为改性SiO 的制备流程，原理是利用硅烷偶
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橡胶的导电性能和传热性能，并且有效改善丁腈橡胶 联剂TESPT的乙氧基团水解特性，使TESPT富含羟基
的高温力学性能. 此外，碳的其他异构体纳米材料如 并与SiO 表面的羟基进行缩合反应. 水解后的硅烷偶
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石墨烯、石墨与丁腈橡胶形成复合材料，对丁腈橡胶 联剂TESPT与纳米SiO 形成键连，从而使得SiO 颗
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的物理机械性能均有不同程度的提高 [13-14] . 具有自润 粒的团聚性降低. 试验所用纳米SiO 原生粒径约为
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滑性能的纳米填料添加至丁腈橡胶基体对丁腈橡胶 20 nm.

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的摩擦磨损性能有显著提高. Dong等 制备MoS /丁 1.2 复合材料的制备与测试
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腈橡胶复合材料，发现MoS 的自润滑效应能够降低复 复合材料的制备流程如图2所示. 通过使用溶液
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合材料的摩擦系数，球状纳米MoS 能够对复合材料的 共混和机械共混的方法制备纳米SiO 、微米SiO 及改
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摩擦振动和噪声也有良好的影响. 纳米SiO 具有优越 性纳米SiO (质量分数均为10%)丁腈橡胶混合胶料，
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Nano-SiO 2 (20 g)
Blend Ultrasound
SiO 2 solution SiO 2 solution
Anhydrous (30 min)
Water-bath
alcohol (300 mL)
heating (60 ℃) Filtration,
Modified Modified
SiO 2 solution washing SiO 2 solid
Anhydrous Blend (24 h)
TESPT (2 g) and drying
alcohol (225 mL)
Blend TESPT
Deionized water hydrolysis
Blend solution
(60 mL)
(pH: 3~4)
Hydrochloric acid

Fig. 1 Preparation of modified nano-SiO 2
图 1 改性纳米SiO 2 的制备流程