片状和管状塑料摩擦系数测试技术

作者:文/济南兰光机电技术有限公司 范珺 文章来源:PT《现代塑料》2013年10月刊 发布时间:2013-11-12
在包装,医疗等特殊领域中,摩擦系数是塑料的重要性能指标,而为了充分发挥塑料的性能优势,本文介绍了一种专用于片状和管状塑料摩擦系数测试的先进技术.

在包装、医疗等特殊领域中,摩擦系数是塑料的重要性能指标,而为了充分发挥塑料的性能优势,本文介绍了一种专用于片状和管状塑料摩擦系数测试的先进技术。

多数学者认为摩擦力本质上是由两物体接触面上分子间的内聚力引起的。然而事实上,对于两个相互接触的物体而言,其实际接触面积远小于表观接触面积(即我们所 测定的试样面积)。这是因为在两个物体相互接触的表面间,只有微观凸起才能实现真正意义上的相互接触,而其他大多数地方是不接触的。摩擦力与物体间实际接 触面积(非表观接触面积)成正比,而通常实际接触面积又与表面上的正压力成正比,因此摩擦力与正压力成正比。不同材料接触面上分子间的内聚力不同,这也会 影响到物体间的摩擦力,因此不同材料间的摩擦系数也就不同。而本文将重点介绍专用于片状和管状塑料摩擦系数测试的技术和方法。

片状材料摩擦系数测试

对于片状塑料而言,摩擦系数的测试方法相对统一。在该领域济南兰光机电技术有限公司(以下简称“济南兰光”)新研发了一款智能化仪器——MXD-02摩擦系 数仪。图1所示为采用该设备进行的测试演示,其具体原理如图2所示:使用一个试验板(安置在水平操作台上的),将一个试样用两面胶或其他方式固定在试验板 上,而另一试样裁切合适后固定在专用滑块上,接下来将滑块按照具体操作说明放置在试验板上第一个试样的中央,并使两试样的试验方向与滑动方向平行且测力系 统恰好不受力,最后通过相对运动取得结果。

图1 MXD-02摩擦系数仪测试演示

在这种方法中,试验板(又称试验台)的制作工艺要求很高,不但要保证台面的水平及光滑,其材料也要采用非磁性材料。另外,不同的标准对测试条件的要求也不 同,ASTM D1894中要求的测试速度是150±30mm/min,而ISO 8295中要求的测试速度为100mm/min,试验速度的不同会明显影响试验结果。除了普通的片状塑料材料,这种测试结构也可以用来检测金属及纸张等片 材的摩擦系数,但是对于不同的试验对象,滑块的重量、行程和速度等参数都有所区别。

管状材料摩擦系数测试

与片状材料相比,市场对于管状材料摩擦系数测试的需求并不十分强烈,但在某些行业中,特别是医疗领域中,管状材料的摩擦系数确是一项十分重要的性能指标。例 如,在临床治疗中,导尿管需要长期或短期与机体组织接触,每次插入或拔出组织时,病人会有不同程度的灼烧疼痛感,易引起相应的粘膜损伤,甚至组织发炎。这 主要是由于导尿管表面材质与肌体组织的摩擦系数过大造成的,因此对这种管状材料进行摩擦系数测试是非常必要的。

图2 片状塑料摩擦系数测试方法示意图

由于材料成管状,因此不能采用片材的摩擦系数测试方法。对此,济南兰光在MXD-02摩擦系数仪的基础上,进行了相应的改进,增加了管状试样夹紧装置和管状 材料固定凹槽,以满足管状材料的摩擦系数测试要求,其具体结构如图3所示。在该测试方法中,管状试样通过试样夹紧装置固定在V型凹槽板上,然后向储水槽中 注水直至试样完全浸泡其中,接下来将重量为200g的标准滑块轻放于试样上方,由传感器连接杆拖动滑块沿箭头所示方向以100mm/min的速度运动,即 可测出动摩擦系数(测试多次,取平均摩擦系数值)。

摩擦系数测试的注意事项

1.温度

对于片材而言,随着温度的升高,其摩擦系数会呈上升的趋势,这一方面是由高分子材料自身特性决定的,另一方面与薄膜制造时所采用的润滑剂有关(润滑剂很可能 已经接近其熔点而变得粘结),在温度升高后,片材测力曲线波动幅度增大,直至出现“粘滑”现象。在实际生产中,设备的实际温度会因为元件运转散热而比室温 高出一些,因此有必要在实际的环境温度下检测片材的摩擦系数。

图3 导尿管摩擦系数测试示意图

2.试样的制备

如果测试对象正反两面的摩擦性质不同,应分别进行测试。另外,对于试样取向的选择应特别注意。以塑料薄膜为例,标准中对于试样的测试取向要求非常严格,尤其 是在进行数据比对时,否则可能会对试验结果产生明显的影响。通常情况下,试样的长度方向(即试验方向)应平行于样品的纵向(机械加工方向),当滑块放置在 试验板上后,滑块上试样的方向应该和之前固定在操作台上的试样取向一致。

3.摩擦系数和接触时间的关系

有文献指出,在两物体刚刚接触后的一段时间内,摩擦系数和摩擦力会随接触时间的延长而变化。这是因为随着接触时间的延长,在一定的正压力下两物体表面的实际 接触面积会增大,接触面的弹性形变也越来越剧烈。然而,摩擦系数对接触时间的依赖关系具有饱和性,当接触时间延长到接触面的弹性形变和塑性形变都达到最大 限度后,最大静摩擦力乃至静摩擦系数也相应达到饱和值,之后就不再随接触时间的延长而增大。值得一提的是,饱和接触时间的长短和接触面的材质有密切的关 系。

鉴于接触时间会对材料的摩擦系数产生影响,且这种影响会因材料的不同而有所改变,因此在进行摩擦系数检测时需要统一将滑块放置到试验板上到开始试验时这段期间的时间间隔。

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