影響人造運動草坪耐磨性的因素分析
1影響磨料磨損的因素[3]
1.1磨料特性
    磨料粒子的形狀是影響耐磨性能的重要一方面，粒子形狀的影響表現為：鋒利粒子比圓鈍粒子使材料產生更大的磨損[3,4]。磨料粒子尺寸對磨損影響因材料不同而異，PMMA、尼龍66、PEI、PA、PEI-15％(wt)PTFE及 PEI-20％(wt)GF等材料的磨損存在著臨界粒子尺寸[5]。當小于臨界尺寸時，磨損速率隨磨料粒子尺寸增加而較快增大，超過臨界尺寸之后，磨損速率變化很小，而 PI、PTFE及其復合材料等的磨損不明顯或沒有臨界粒子尺寸。若用磨料表面粗糙度表征磨料粒子形狀、尺寸及粒子分布密度的綜合效應，其結果是粗糙度增加則磨損速率明顯增大。
1.2聚合物的性能
        聚合物及其復合材料的磨損速率與自身的硬度沒有明顯的關系，硬度相同的材料也可有一定差別的磨損速率[6]。
        聚合物的強度特別是韌性對磨料磨損有重要影響。韌性越好則耐磨性越好。圖 1給出多種聚合物的磨料磨損速率與1/σyξy之間的關系，σy和 ξy分別為拉伸斷裂應力和總應變力。
  圖 1 磨損速率與1/σyξy 的關系
1-PS，2-PMMA，3-Acetal，4-PP，5-PTFE，6-PE,7-Nylon66
1.3復合材料中的填料
        復合材料中顆粒填料的硬度，特別是顆粒與聚合物基體的界面結合強度顯得十分重要。填充石墨、MoSi使磨損速率增大，青銅粉稍降低磨損速率，因硅烷 處理增強了石英砂顆粒與 PMMA界面結合，故提高了材料的耐磨性能（見圖 2）。短纖維填充復合材料的磨料磨損性能的研究表明[7]，纖維含量對磨損影響不大， 含量很高時甚至使磨損速率增大；纖維取向(見圖 3)有較大影響，N 型取向磨損量最小，AP或P型取向的磨損量明顯高于N型取向；碳纖維和玻璃纖維對所增強的復合材料耐磨性差別不大，對一些聚合物，玻璃纖維好些，對另外一些聚合物則碳纖維好些[5]。
圖2石英砂漿（1:1）對PMMA復合材料的磨損
（填料：1-硅烷處理，石英砂，2-未處理石英砂，3-未處理玻璃球）
 圖3纖維取向示意圖
2提高高分子材料耐磨性能的方法
        人造草坪與天然草坪相比有很多優點，主要是因人造草絲的成分高分子材料有很多優點，但高分子存在負載能力差、導熱性差、熱變形溫度低、尺寸不穩定等缺點，因此對研究高分子材料進行改性，以擴大其在減摩耐磨材料中的應用范圍及擴展應用條件，即提高運動草坪的耐磨性對提高草坪的使用壽命及其維護是十分必要的。在已有的研究中主要的改性方法有：高分子的結構改性、填充纖維增強材料、微米級無機顆粒增強材料及納米粒子改性復合材料。下面將對這三個方面分別進行展述。
2.1高分子材料的結構改性
        高分子材料的耐磨性能受其分子鏈結構的影響，因此，通過對高分子材料的取向度和交聯度的改變可以增強其耐磨損性能。Hosein等[8]通過滾軸冷拉(cold-roll drawn)使高密度聚乙烯(HDPE)的分子鏈取向，并研究了在垂直和平行取向方向上的磨損及取向度對磨損性能的影響。其結果顯示，平行于取向方向的磨損率比垂直于取向方向的磨損率高，當摩擦運動的方向垂直于取向平面時，磨損率達到最小值，在0.32MPa的載荷下，此最小值比同等條件下UHMWPE的磨損率還低40%。因為在沿著分子鏈取向方向材料具有最高的強度值，而在垂直于取向面的磨損要破壞材料產生磨損就最為困難。而在其它方向磨損時，可以實現垂直于取向方向的裂紋，因此磨損率也較高。另外，當取向度從2變為4時，磨損率進一步降低，說明通過提高取向度來提高耐磨性是可行的。
        Saikko等[9]比較了HMWPE交聯改性前后的磨損性能。通過電子束輻射和熱處理而產生交聯的UHMWPE的磨損率比改性前有明顯降低，在對偶面為0.014微米時，磨損率從改性前的2×10-6 mm3/Nm降低到改性后的2×10-9 mm3/Nm，而在0.2微米粗糙度對偶面的情況下，則從1×10mm3/Nm降低到1×10-6mm3/Nm。對磨屑的觀察發現，交聯后材料的磨屑尺寸也大大減小，說明材料抵抗熱機械形變的能力增強從而使其磨損率下降。
        Bremner[10]報導了用聚二甲基硅烷(PDMS)改性聚氨酷的研究，改性后摩擦系數降低了60%，磨損率下降了25%。
2.2纖維增強高分子材料摩擦磨損性能
        早期的研究表明，纖維填充高分子材料具有優良的力學性能。隨著高分子材料應用領域的擴展，利用纖維填充來增強高分子材料摩擦磨損性能的研究也越來越引起重視并取得了很多成果。一般來說，纖維作為硬質支點，在摩擦過程中承載了主要的壓力，從而降低了材料的摩擦系數和磨損率。另一方面，纖維的斷裂和脫落既會造成磨損的質量損失也會形成硬質磨屑，從而對材料的摩擦磨損性能帶來負面影響。纖維填充高分子復合材料的磨損主要有四種方式[11]：材料基體的磨損；纖維的滑動磨損；纖維的斷裂；纖維的拔出。因此，在纖維填充高分子復合材料的摩擦磨損性能研究中，影響復合材料性能的主要有纖維的體積含量，作為填料的纖維的種類，纖維排列與摩擦方向的關系及纖維與基體之間的界面強度。
2.2.1纖維含量對復合材料摩擦磨損性能的影響
        纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)填充高分子復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)磨(mo)損性(xing)能(neng)對含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)的(de)(de)影響(xiang)，是隨著纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)抗耐(nai)磨(mo)性(xing)能(neng)逐漸(jian)提(ti)高，當含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)達到一定程度后抗耐(nai)磨(mo)性(xing)能(neng)會(hui)隨著含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)逐漸(jian)減小，即纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)素的(de)(de)含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)對提(ti)高高分子復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)耐(nai)磨(mo)性(xing)存在一個最(zui)佳的(de)(de)含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)。Arkles等(deng)[12]研究(jiu)表(biao)明(ming)，當體積含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到15%以上時，磨(mo)損率(lv)不再隨含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)的(de)(de)提(ti)高而(er)下降。ahadur等(deng)也(ye)發現10％纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)增(zeng)(zeng)(zeng)強聚酯的(de)(de)磨(mo)損率(lv)最(zui)低，且材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)磨(mo)損率(lv)也(ye)相應地(di)降低。分析認為：當纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)過低時，纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)因拉伸或剪切而(er)斷裂(lie)，增(zeng)(zeng)(zeng)強效果并不明(ming)顯；而(er)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)含(han)(han)(han)(han)(han)量(liang)(liang)過高，纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)磨(mo)損斷裂(lie)的(de)(de)碎(sui)片以及(ji)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)從基(ji)體中脫離增(zeng)(zeng)(zeng)多、破(po)壞了(le)復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)和偶(ou)件之間形成(cheng)的(de)(de)轉移膜，從而(er)導(dao)致磨(mo)損增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。