Page 127 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 张欣悦, 等: 有序纤维增强水凝胶的构建及其力学、摩擦学性能研究 1381

定向处理组记作交错定向0CF/1CF/2CF/3CF 3PC-C gel 液氮(−196 ℃)中定向凝固30 min，诱导PVA分子链和CF
(下文中图中记作0CF/1CF/2CF/3CF oriented)，不定向 等交错有序排列，随后在−20 ℃冰箱中循环冷冻-解冻
处理组记作不定向0CF/1CF/2CF/3CF 3PC-C gel (下文 9次 (−20 ℃-6 h，室温−2 h)，使PVA链再结晶，然后用
中图中记作0CF/1CF/2CF/3CF unoriented)，详细成分 FeCl ·6H O水溶液对PAA离子交联，最后120 ℃退火1 h，
3
2
配比列于表2中. 随后在定向模具中对预聚物紫外交联， 置于去离子水中溶胀，获得高承载交错定向3PC-C gel.

表 2 3PC-C gel的成分组成
Table 2 Composition of 3PC-C gel
Hydrogels Mass fraction of PVA/% Mass fraction of PAA/% Mass fraction of PAAm/% Mass fraction of CF/% Mass fraction of water/%
0CF 3PC-C gel 0 77.5
1CF 3PC-C gel 1 76.5
15 5 2.5
2CF 3PC-C gel 2 75.5
3CF 3PC-C gel 3 74.5

图2(b)和(c)所示为不同3PC-C gel的压缩和拉伸 液体实际流通面积，P为大气压强，P 为试样表面压强.
1
性能. 复合水凝胶的压缩性能和拉伸强度显著提升， 1.3.3 力学性能测试
这主要得益于CF和交错有序网络的协同缠结使结构 通过WDW-2万能试验机测试水凝胶的压缩和拉
增强. 但CF过高，填充相分散不均且易团聚，力学性 伸性能，分别探究不同水凝胶在50% (200%)应变下的

能减弱，因此，交错定向3CF 3PC-C gel综合性能最优. 压缩/拉伸强度以及断裂强度、不同应变下交错定向
1.3 水凝胶的性能表征 水凝胶的循环压缩/拉伸性能以及定向水凝胶的应力
1.3.1 微观结构及形态 松弛行为.
采用扫描电子显微镜(SEM, Quanta 250, Japan)、 1.3.4 疲劳性能测试
X射线衍射(XRD, D8 ADVANCE, Bruker, Germany)和
水凝胶的压缩疲劳性能采用M-25高分子疲劳试验
傅里叶红外光谱(FT-IR, VTRTEX 80v, Bruker, Germany)
机测得，循环周次为100万，载荷为20~80 N，频率为10 Hz.
分别分析水凝胶的内部形貌结构、物相及结晶状态和
1.3.5 摩擦学测试
化学键及官能团等.
基于UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损试验机测试水凝
1.3.2 理化性能测试
胶的滑动摩擦性能，接触形式为球-盘接触，摩擦配副
水凝胶的含水率和溶胀特性基于质量法获得，其
材料为CoCrMo球(Φ28 mm)/水凝胶盘(Φ25 mm×2 mm)，
中水凝胶的含水率
滑动速度为5 mm/s，载荷为40 N，测试时间为1 h，润
m 1 −m 2
C w = ×100% (1) 滑介质为去离子水，分别探究不同水凝胶、不同载荷
m 1
(20/30/40/50 N)和不同速度(2.5/5/10/15 mm/s)下的摩
式中：m 为溶胀态水凝胶质量，m 为干态水凝胶质量.
1
2
溶胀比为 擦学特性. 水凝胶的扭动摩擦试验在M-25型高分子疲
劳试验机上进行，摩擦配副于滑动摩擦相同，探究水
W t
Q t = (2) 凝胶结构和扭动角度对水凝胶扭动摩擦性能的影响，
W 0
测试条件：法向载荷为40 N，扭动角度为5°，测试频率
平衡溶胀比为
为1 Hz，扭动周期为10 000次.
W e
Q e = (3)
W 0
2 结果与讨论
式中：W 为t时水凝胶质量，W 为溶胀平衡态水凝胶质
t
e
量，W 为干态凝胶质量. 2.1 交错定向3PC-C gel形成机理
0
渗透性能基于达西定律测定，渗透系数 对比CF和mCF的红外光谱，如图3(a)所示，mCF
−1
∆HS 1 h 光谱中1 090、1 645和3 454 cm 处的吸收峰由−COOH、
k = µ (4)
∆tS (P 1 − P) −NH和−OH伸缩振动引起，表明硝酸-超声协同改性
式中：μ为液体黏度，∆t为时间间隔，∆H为时间间隔内 使CF表面形成活性基团，可以有效促进mCF的分散，增
液柱高度变化量，h为试样厚度，S 为试样受力面积，S为 强mCF与其他分子链结合. 对于不定向3CF 3PC-C gel，
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