材料摩擦系數(shù)的檢測(cè)及注意事項(xiàng)

摩擦系數(shù)是各種材料的基本性質(zhì)之一。當(dāng)兩個(gè)相互接觸的物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，其接觸表面上產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械作用力就是摩擦力。某種材料的摩擦性能可以通過材料的動(dòng)靜摩擦系數(shù)來表征。靜摩擦力是兩接觸表面在相對(duì)移動(dòng)開始時(shí)的最大阻力，其與法向力之比就是靜摩擦系數(shù)；動(dòng)摩擦力是兩接觸表面以一定速度相對(duì)移動(dòng)時(shí)的阻力，其與法向力之比就是動(dòng)摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)是針對(duì)一組摩擦副來講的，單純說某種材料的摩擦系數(shù)是沒有意義的，同時(shí)必須指明組成摩擦副的材料的種類，并說明測(cè)試條件（環(huán)境溫濕度、載荷、速度等）以及滑動(dòng)材料。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為摩擦力的本質(zhì)是由兩物體接觸面上的分子間內(nèi)聚力引起的。然而事實(shí)上，對(duì)于兩個(gè)相互接觸的物體來講，只有在表面間的微觀凸起才相互接觸，而大多數(shù)地方是不接觸的，因此實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于表觀接觸面積（即我們所測(cè)定的試樣面積）。摩擦阻力與實(shí)際接觸面積成正比（不是與表觀接觸面積成正比），一般實(shí)際接觸面積又與表面上的正壓力成正比，因此摩擦力與正壓力成正比。不同材料間接觸面上分子間的內(nèi)聚引力不同，這將影響到物體間的摩擦力，因此不同材料間的摩擦系數(shù)也就不同。

塑料薄膜的摩擦系數(shù)

高分子聚合物在軟包裝行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，材料表面的摩擦系數(shù)是包裝機(jī)器運(yùn)行速度以及包裝物易開啟性的主要影響因素之一，在制作過程中加入添加劑（如爽滑劑和抗粘連劑）是一種調(diào)節(jié)塑料表面摩擦系數(shù)的常見方式。

爽滑劑按照功能分為內(nèi)爽滑劑和外爽滑劑兩類：內(nèi)爽滑劑能促進(jìn)聚合物大分子鏈或鏈段相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而改善物料流動(dòng)性；外爽滑劑則是與聚合物基團(tuán)相容性差的極性有機(jī)化學(xué)品，在聚合物鏈的布朗運(yùn)動(dòng)作用下，這些分子遷移到薄膜表面形成一層油性表面，從而起到改善薄膜表面性能的爽滑作用并降低材料表面的摩擦系數(shù)。

抗粘連劑一般是粒徑2μm～4μm的固體粉末，加進(jìn)薄膜表層可以形成許多凸起，使薄膜層與層之間的實(shí)際接觸面積減少，從而降低粘結(jié)力，相互滑動(dòng)就會(huì)比較容易，有利于摩擦系數(shù)的降低。

此外，由于靜電吸附力不但會(huì)影響薄膜之間的摩擦系數(shù)，還會(huì)影響材料的多種物理性能，因此抗靜電劑也是常用的添加劑的一種。

不過不同種類的添加劑與薄膜結(jié)構(gòu)的兼容性不一樣，遷移到材料的表面并對(duì)材料的表面起到一定的潤(rùn)滑作用的添加劑存在時(shí)間及保存環(huán)境的依賴性，而且添加劑對(duì)材料表面的作用均勻性也往往并不是完全一致的，所以材料表面的摩擦系數(shù)會(huì)表現(xiàn)出不一致的特點(diǎn)。在進(jìn)行材料摩擦系數(shù)的比較試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意試驗(yàn)要同時(shí)進(jìn)行，除非是進(jìn)行材料老化效果的研究。

摩擦系數(shù)的檢測(cè)

摩擦系數(shù)的檢測(cè)方法相對(duì)來講比較統(tǒng)一：使用一個(gè)試驗(yàn)板（安置在水平操作臺(tái)上的），將一個(gè)試樣用兩面膠或其他方式固定在試驗(yàn)板上，另一試樣裁切合適后固定在專用滑塊上，然后將滑塊按照具體操作說明放置在試驗(yàn)板上一個(gè)試樣的中央，并使兩試樣的試驗(yàn)方向與滑動(dòng)方向平行且測(cè)力系統(tǒng)恰好不受力。通常采用如下形式的檢測(cè)結(jié)構(gòu)。

圖1.檢測(cè)方法示意圖

注：A.滑塊；B.試驗(yàn)板；C.支持底座；E.測(cè)力系統(tǒng)；F.恒速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；I.尼龍絲

摩擦系數(shù)試驗(yàn)有以下幾點(diǎn)需要說明：

首先，對(duì)于薄膜摩擦系數(shù)的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)以ASTMD1894和ISO8295（GB10006等效采用ISO8295）為主，其中，對(duì)試驗(yàn)板（又稱試驗(yàn)臺(tái)）的制作工藝要求很高，不但要保證臺(tái)面的水平及光滑，并且要求用非磁性材料制作。標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)于試驗(yàn)條件的要求也不相同。例如對(duì)于試驗(yàn)速度的選擇，ASTMD1894中要求是150±30mm/min，但是ISO8295（GB10006等效采用ISO8295）中要求是100mm/min，試驗(yàn)速度不同會(huì)明顯影響試驗(yàn)結(jié)果。

第二，加溫試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)，需要注意的是在進(jìn)行加溫試驗(yàn)時(shí)要保證滑塊的溫度是室溫，僅對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行升溫，這點(diǎn)在ASTMD1894標(biāo)準(zhǔn)中有明確說明。

第三，同樣的測(cè)試結(jié)構(gòu)也可以用來檢測(cè)金屬以及紙張等材料的摩擦系數(shù)，但是對(duì)于不同的試驗(yàn)對(duì)象，滑塊的重量、行程、速度等參數(shù)都是不同的。

第四，采用這種方法時(shí)需要注意由于運(yùn)動(dòng)物體的慣性給試驗(yàn)帶來的影響。

第五，通常，材料的摩擦系數(shù)是小于1的，但是有些文獻(xiàn)中也提到了摩擦系數(shù)大于1的情況，例如橡皮與金屬間的動(dòng)摩擦系數(shù)就在1～4之間。

摩擦系數(shù)試驗(yàn)的注意事項(xiàng)：

1.溫度

隨著溫度的升高，部分薄膜的摩擦系數(shù)會(huì)表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，一方面這是由高分子材料自身的特性決定的，另一方面與薄膜制造時(shí)所采用的潤(rùn)滑劑有關(guān)（潤(rùn)滑劑很有可能已經(jīng)接近其熔點(diǎn)而變得粘結(jié)），溫度升高后，測(cè)力曲線波動(dòng)幅度增大，直至出現(xiàn)“粘滑”現(xiàn)象。

對(duì)于試樣BOPP、復(fù)合膜1＃、復(fù)合膜2＃以及PE黑白膜來講（這4種試樣都是高分子聚合物材料），隨著溫度的上升，材料的動(dòng)靜摩擦系數(shù)都有一定增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)的幅度并不一樣。由表1中的部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制圖2，其中有AL（鋁箔）、復(fù)合膜2＃、PE黑白膜的摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線。溫度變化對(duì)高分子材料的摩擦系數(shù)有一定的影響，然而并非所有材料的摩擦系數(shù)受溫度的影響都很顯著，復(fù)合膜2＃的摩擦系數(shù)隨溫度的變化就比較小。溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響是高分子聚合物的一個(gè)特點(diǎn)，而溫度對(duì)金屬等材料的影響就非常小，如圖2中AL（鋁箔）的摩擦系數(shù)隨溫度的上升基本保持穩(wěn)定。

圖2.摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線

在自動(dòng)包裝過程中，設(shè)備的實(shí)際溫度由于元件運(yùn)轉(zhuǎn)散熱會(huì)比室溫高出一些，因此有必要在實(shí)際的包裝環(huán)境溫度下檢測(cè)薄膜的摩擦系數(shù)。例如用煙膜包裝香煙時(shí)，薄膜外面在下膜通道、成型輪槽、折疊板、烙鐵、導(dǎo)軌等金屬部件上滑動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)該將薄膜外面對(duì)金屬的摩擦系數(shù)控制在較低的水平上。由于這些金屬部件大都是在50℃以上的高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，所以控制高溫條件下的薄膜對(duì)金屬的摩擦系數(shù)更加重要，這樣才能確保薄膜在熱金屬部件上滑動(dòng)運(yùn)行順暢。因此需要在高溫條件下檢測(cè)薄膜外面對(duì)金屬的摩擦系數(shù)，僅憑借常溫下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)來判斷高溫環(huán)境下的摩擦性能是不可取的。

2.試樣的制備

如果試樣正反兩面的摩擦性質(zhì)不同，應(yīng)分別進(jìn)行試驗(yàn)。

對(duì)于試樣取向的選擇應(yīng)特別注意，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于試樣的測(cè)試取向要求非常嚴(yán)格，尤其是在進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)，否則可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。通常情況下，試樣的長(zhǎng)度方向（即試驗(yàn)方向）應(yīng)平行于樣品的縱向（機(jī)械加工方向），當(dāng)然滑塊放置在試驗(yàn)板上后，滑塊上試樣的方向應(yīng)該和之前固定在操作臺(tái)上的試樣取向一致。

這種檢測(cè)方法并不適用于黏性材料的摩擦系數(shù)檢測(cè)，而且對(duì)于出現(xiàn)“粘滑現(xiàn)象”的試樣，在檢測(cè)動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)需要使用金屬絲代替尼龍絲，并將材料的動(dòng)靜摩擦系數(shù)分開檢測(cè)。

對(duì)于試樣尺寸的要求各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定的差異，操作人員需要按照所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)或者指定要求進(jìn)行采樣及試樣的預(yù)處理。

3.摩擦系數(shù)和接觸時(shí)間的關(guān)系

有文獻(xiàn)指出，在兩物體剛剛接觸后的一段時(shí)間內(nèi)，摩擦系數(shù)和摩擦力隨接觸時(shí)間的延長(zhǎng)而變化。一方面是由于隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，在一定的正壓力下兩物體表面的實(shí)際接觸面積會(huì)增大，而且接觸面的彈性形變?cè)絼×?，更有指出接觸時(shí)間會(huì)影響塑性形變的。其實(shí)接觸時(shí)間的增加不僅會(huì)影響兩材料之間的摩擦系數(shù)，平常我們所使用的塑料薄膜，如果兩層薄膜貼在一起時(shí)間較長(zhǎng)，在分離的時(shí)候也會(huì)存在難度，當(dāng)然這主要還是材料本身的特性以及在生產(chǎn)過程中使用的添加劑所起的作用。然而摩擦系數(shù)對(duì)接觸時(shí)間的依賴關(guān)系具有飽和性。當(dāng)接觸時(shí)間延長(zhǎng)到使接觸面的彈性形變和塑性形變都達(dá)到最大限度后，最大靜摩擦力乃至靜摩擦系數(shù)也相應(yīng)達(dá)到飽和值，之后就不再隨接觸時(shí)間的延長(zhǎng)而增大了。飽和接觸時(shí)間的長(zhǎng)短和接觸面的質(zhì)料有密切的關(guān)系。

鑒于接觸時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)材料的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響，而且這種影響會(huì)因材料的不同而有所改變，因此在進(jìn)行摩擦系數(shù)檢測(cè)時(shí)需要統(tǒng)一將滑塊放置到試驗(yàn)板上到開始試驗(yàn)的時(shí)間間隔，ISO8295（GB10006等效采用ISO8295）中要求這段時(shí)間間隔為15s。

4.動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)

通常我們所檢測(cè)的試樣都是動(dòng)摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)，但是在進(jìn)行塑料的摩擦系數(shù)試驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于部分塑料（如聚四氟乙烯），其動(dòng)摩擦系數(shù)會(huì)與靜摩擦系數(shù)近似相等，甚至大于靜摩擦系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)ASTMD1894中就在TABLE1中給出了一個(gè)試樣M3（PE）的摩擦試驗(yàn)結(jié)果，其動(dòng)摩擦系數(shù)大于靜摩擦系數(shù)，不過僅相差0.01，數(shù)據(jù)非常接近。

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