基板及介质对聚乙烯醇水凝胶摩擦行为的影响

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采用冷冻解冻法制备了物理交联的PVA水凝胶,并通过其与各种基板在水中和高分子溶液中的摩擦,考察了基板表面能、正压力、滑动速率、高分子(PEO)水溶液浓度以及高分子的分子量对PVA水凝胶摩擦行为的影响。利用凝胶摩擦的吸附—排斥模型以及标度理论对实验结果进行了分析。研究表明对于具有吸附行为的摩擦体系,其粘弹—流体润滑转变区域均在10-3~10-2m/s之间,且随正压P的增加,摩擦机理发生改变时的滑动速率—vf向高速区域移动。以转变区域为分界线,当滑动速率v低于该区域时,不同v下,摩擦应力f对P的敏感性变化不大,且凝胶与基板间相互作用的差异并未影响f对P的敏感性。而当v高于该区域时,f对P的敏感性增大。在低v下,f随基板表面能γ的变化并不明显。随着v的增大,f随γ的增大而逐渐增大。在摩擦机理未发生改变时,f对γ的敏感度随着v的增大而增大。vf随γ的增大而向高速区移动。当PVA凝胶浸入到PEO水溶液中,因渗透压而发生体积收缩。相同浓度下,PVA凝胶在分子量低的PEO-5水溶液中压缩模量增大,而在分子量高的PEO-400水溶液中,压缩模量变化不明显。在稀溶液中,PVA凝胶的压缩模量变化很小;而当浓度达到c*以上时,在低分子量PEO水溶液中,PVA凝胶的压缩模量显著增大。PVA凝胶在PEO的c*溶液中进行摩擦时,由于PEO线团会阻止PVA凝胶的blob与摩擦基板表面的吸附,使其在低v时的f比在水中摩擦时低,且未出现明显f峰值点;高v时,f主要来源于溶剂润滑层流体的粘性流动,其f与在水中的f基本相同。摩擦行为的不同与在PVA凝胶和摩擦基板间形成的受限空间中的PEO线团的粘弹响应有关。在低滑动速率区域,PVA凝胶的f随浓度的增加而降低,亚浓溶液中(c>c*)的f明显小于稀溶液中(c<c*)的f。高速滑动区域,浓度影响较小。在亚浓溶液中,由于PEO分子链间的相互交叠甚至缠结,使得在较低的滑动速率下即可形成流体润滑层,f的变化与PEO亚浓溶液的剪切应力随剪切速率的变化相近。
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