材料摩擦系數的檢測及注意事項

摩擦系數是各種材料的基本性質(zhì)之一。當兩個(gè)相互接觸的物體之間有相對運動(dòng)或相對運動(dòng)趨勢時(shí)，其接觸表面上產(chǎn)生的阻礙相對運動(dòng)的機械作用力就是摩擦力。某種材料的摩擦性能可以通過(guò)材料的動(dòng)靜摩擦系數來(lái)表征。靜摩擦力是兩接觸表面在相對移動(dòng)開(kāi)始時(shí)的大阻力，其與法向力之比就是靜摩擦系數；動(dòng)摩擦力是兩接觸表面以一定速度相對移動(dòng)時(shí)的阻力，其與法向力之比就是動(dòng)摩擦系數。摩擦系數是針對一組摩擦副來(lái)講的，單純說(shuō)某種材料的摩擦系數是沒(méi)有意義的，同時(shí)必須指明組成摩擦副的材料的種類(lèi)，并說(shuō)明測試條件（環(huán)境溫濕度、載荷、速度等）以及滑動(dòng)材料。

多數學(xué)者認為摩擦力的本質(zhì)是由兩物體接觸面上的分子間內聚力引起的。然而事實(shí)上，對于兩個(gè)相互接觸的物體來(lái)講，只有在表面間的微觀(guān)凸起才相互接觸，而大多數地方是不接觸的，因此實(shí)際接觸面積遠小于表觀(guān)接觸面積（即我們所測定的試樣面積）。摩擦阻力與實(shí)際接觸面積成正比（不是與表觀(guān)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也就不同。

塑料薄膜的摩擦系數

高分子聚合物在軟包裝行業(yè)中獲得了廣泛的應用，材料表面的摩擦系數是包裝機器運行速度以及包裝物易開(kāi)啟性的主要影響因素之一，在制作過(guò)程中加入添加劑（如爽滑劑和抗粘連劑）是一種調節塑料表面摩擦系數的常見(jiàn)方式。

爽滑劑按照功能分為內爽滑劑和外爽滑劑兩類(lèi)：內爽滑劑能促進(jìn)聚合物大分子鏈或鏈段相對運動(dòng)，從而改善物料流動(dòng)性；外爽滑劑則是與聚合物基團相容性差的極性有機化學(xué)品，在聚合物鏈的布朗運動(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。

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，從而降低粘結力，相互滑動(dòng)就會(huì )比較容易，有利于摩擦系數的降低。

此外，由于靜電吸附力不但會(huì )影響薄膜之間的摩擦系數，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(guò)不同種類(lèi)的添加劑與薄膜結構的兼容性不一樣，遷移到材料的表面并對材料的表面起到一定的潤滑作用的添加劑存在時(shí)間及保存環(huán)境的依賴(lài)性，而且添加劑對材料表面的作用均勻性也往往并不是*一致的，所以材料表面的摩擦系數會(huì )表現出不一致的特點(diǎn)。在進(jìn)行材料摩擦系數的比較試驗時(shí)應注意試驗要同時(shí)進(jìn)行，除非是進(jìn)行材料老化效果的研究。

摩擦系數的檢測

摩擦系數的檢測方法相對來(lái)講比較統一：使用一個(gè)試驗板（安置在水平操作臺上的），將一個(gè)試樣用兩面膠或其他方式固定在試驗板上，另一試樣裁切合適后固定在滑塊上，然后將滑塊按照具體操作說(shuō)明放置在試驗板上一個(gè)試樣的中央，并使兩試樣的試驗方向與滑動(dòng)方向平行且測力系統恰好不受力。通常采用如下形式的檢測結構。

圖1.檢測方法示意圖

注：A.滑塊；B.試驗板；C.支持底座；E.測力系統；F.恒速驅動(dòng)系統；I.尼龍絲

摩擦系數試驗有以下幾點(diǎn)需要說(shuō)明：

首先，對于薄膜摩擦系數的檢測方法標準以ASTMD1894和ISO8295（GB10006等效采用ISO8295）為主，其中，對試驗板（又稱(chēng)試驗臺）的制作工藝要求很高，不但要保證臺面的水平及光滑，并且要求用非磁性材料制作。標準不同，對于試驗條件的要求也不相同。例如對于試驗速度的選擇，ASTMD1894中要求是150±30mm/min，但是ISO8295（GB10006等效采用ISO8295）中要求是100mm/min，試驗速度不同會(huì )明顯影響試驗結果。

第二，加溫試驗可以實(shí)現，需要注意的是在進(jìn)行加溫試驗時(shí)要保證滑塊的溫度是室溫，僅對試驗板進(jìn)行升溫，這點(diǎn)在A(yíng)STMD1894標準中有明確說(shuō)明。

第三，同樣的測試結構也可以用來(lái)檢測金屬以及紙張等材料的摩擦系數，但是對于不同的試驗對象，滑塊的重量、行程、速度等參數都是不同的。

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

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

摩擦系數試驗的注意事項：

1.溫度

隨著(zhù)溫度的升高，部分薄膜的摩擦系數會(huì )表現出上升的趨勢，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)所采用的潤滑劑有關(guān)（潤滑劑很有可能已經(jīng)接近其熔點(diǎn)而變得粘結），溫度升高后，測力曲線(xiàn)波動(dòng)幅度增大，直至出現“粘滑”現象。

對于試樣BOPP、復合膜1＃、復合膜2＃以及PE黑白膜來(lái)講（這4種試樣都是高分子聚合物材料），隨著(zhù)溫度的上升，材料的動(dòng)靜摩擦系數都有一定增長(cháng)，但是增長(cháng)的幅度并不一樣。由表1中的部分數據繪制圖2，其中有AL（鋁箔）、復合膜2＃、PE黑白膜的摩擦系數隨溫度的變化曲線(xiàn)。溫度變化對高分子材料的摩擦系數有一定的影響，然而并非所有材料的摩擦系數受溫度的影響都很顯著(zhù)，復合膜2＃的摩擦系數隨溫度的變化就比較小。溫度對摩擦系數的影響是高分子聚合物的一個(gè)特點(diǎn)，而溫度對金屬等材料的影響就非常小，如圖2中AL（鋁箔）的摩擦系數隨溫度的上升基本保持穩定。

圖2.摩擦系數隨溫度的變化曲線(xiàn)

在自動(dòng)包裝過(guò)程中，設備的實(shí)際溫度由于元件運轉散熱會(huì )比室溫高出一些，因此有必要在實(shí)際的包裝環(huán)境溫度下檢測薄膜的摩擦系數。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、導軌等金屬部件上滑動(dòng)運行，應該將薄膜外面對金屬的摩擦系數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轉，所以控制高溫條件下的薄膜對金屬的摩擦系數更加重要，這樣才能確保薄膜在熱金屬部件上滑動(dòng)運行順暢。因此需要在高溫條件下檢測薄膜外面對金屬的摩擦系數，僅憑借常溫下的摩擦系數數據來(lái)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，應分別進(jìn)行試驗。

對于試樣取向的選擇應特別注意，標準中對于試樣的測試取向要求非常嚴格，尤其是在進(jìn)行數據比對時(shí)，否則可能會(huì )對試驗結果產(chǎn)生明顯的影響。通常情況下，試樣的長(cháng)度方向（即試驗方向）應平行于樣品的縱向（機械加工方向），當然滑塊放置在試驗板上后，滑塊上試樣的方向應該和之前固定在操作臺上的試樣取向一致。

這種檢測方法并不適用于黏性材料的摩擦系數檢測，而且對于出現“粘滑現象”的試樣，在檢測動(dòng)摩擦系數時(shí)需要使用金屬絲代替尼龍絲，并將材料的動(dòng)靜摩擦系數分開(kāi)檢測。

對于試樣尺寸的要求各個(gè)標準之間存在一定的差異，操作人員需要按照所執行的標準或者要求進(jìn)行采樣及試樣的預處理。

3.摩擦系數和接觸時(shí)間的關(guān)系

有文獻指出，在兩物體剛剛接觸后的一段時(shí)間內，摩擦系數和摩擦力隨接觸時(shí)間的延長(cháng)而變化。一方面是由于隨著(zhù)接觸時(shí)間的延長(cháng)，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越劇烈，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，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(cháng)，在分離的時(shí)候也會(huì )存在難度，當然這主要還是材料本身的特性以及在生產(chǎn)過(guò)程中使用的添加劑所起的作用。然而摩擦系數對接觸時(shí)間的依賴(lài)關(guān)系具有飽和性。當接觸時(shí)間延長(cháng)到使接觸面的彈性形變和塑性形變都達到大限度后，大靜摩擦力乃至靜摩擦系數也相應達到飽和值，之后就不再隨接觸時(shí)間的延長(cháng)而增大了。飽和接觸時(shí)間的長(cháng)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(cháng)短會(huì )對材料的摩擦系數產(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)行摩擦系數檢測時(shí)需要統一將滑塊放置到試驗板上到開(kāi)始試驗的時(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)摩擦系數與靜摩擦系數

通常我們所檢測的試樣都是動(dòng)摩擦系數小于靜摩擦系數，但是在進(jìn)行塑料的摩擦系數試驗時(shí)會(huì )發(fā)現對于部分塑料（如聚四氟乙烯），其動(dòng)摩擦系數會(huì )與靜摩擦系數近似相等，甚至大于靜摩擦系數。標準ASTMD1894中就在TABLE1中給出了一個(gè)試樣M3（PE）的摩擦試驗結果，其動(dòng)摩擦系數大于靜摩擦系數，不過(guò)僅相差0.01，數據非常接近。

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