聚电解质改性聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.01.002

摘要/Abstract

摘要：

为了提高聚醚醚酮（PEEK）的摩擦学性能，提出了“先改性，后成形”方法。通过紫外光引发将亲水性3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐（SPMK）接枝到PEEK粉体表面，再热压制备PEEK-SPMK复合材料，分析了PEEK改性后在不同工况下的摩擦磨损行为，揭示聚电解质SPMK粉体改性对PEEK复合材料摩擦学行为的影响机制和润滑机理。结果表明：SPMK粉体改性显著提高了PEEK表面的润湿性；PEEK-SPMK在生理盐水中的摩擦因数0.028和磨损率5.6×10^-7 mm³/（N·m）较纯PEEK显著减小。

关键词: 人工关节, 粉体表面修饰, 聚醚醚酮, 聚电解质, 水合润滑

Abstract:

To enhance the tribological properties of PEEK， a “modify-then-form” approach was proposed. Hydrophilic SPMK was grafted onto the PEEK powder surface via UV-induced polymerization， then the PEEK-SPMK composites were prepared by hot-pressing. The friction and wear behaviors of modified PEEK under various operating conditions were analyzed， revealing the influence mechanism and lubrication mechanism of polyelectrolyte SPMK powder modification on the tribological behavior of PEEK composites.Results indicate that SPMK powder modification significantly enhances PEEK surface wettability. The friction coefficient（0.028） and wear rate（5.6×10 $- 7$ mm³/（N·m）） of PEEK-SPMK in physiological saline are markedly reduced compared to pure PEEK.

Key words: artificial joint, powder surface modification, polyetheretherketone （PEEK）, polyelectrolyte, hydration lubrication

中图分类号:

R318.0

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图/表 12

图1 SPMK改性PEEK粉末的原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of SPMK-modified PEEK powder

表1 PEEK-SPMK成形参数

Tab.1 Parameters for PEEK-SPMK molding

样品编号	预压工艺	成形时间/min	成形温度/℃
p-1	不保压	60	370
p-2	保压不卸压	60	370
p-3	保压且卸压	60	370
p-4	保压且卸压	30	370
p-5	保压且卸压	5	370
p-6	保压且卸压	30	360
p-7	保压且卸压	30	350

表2 PEEK-SPMK滑动摩擦测试参数

Tab.2 Sliding friction test parameters for PEEK-SPMK

实验组别	润滑介质	法向载荷/N	滑动速度/（mm·s $- 1$ ）
1	生理盐水	30	10
2	去离子水	30	10
3	模拟体液	30	10
4	小牛血清	30	10
5	生理盐水	10	10
6	生理盐水	20	10
7	生理盐水	40	10
8	生理盐水	40	5
9	生理盐水	40	15
10	生理盐水	40	20

表2 PEEK-SPMK滑动摩擦测试参数

Tab.2 Sliding friction test parameters for PEEK-SPMK

实验组别	润滑介质	法向载荷/N	滑动速度/（mm·s $- 1$ ）
1	生理盐水	30	10
2	去离子水	30	10
3	模拟体液	30	10
4	小牛血清	30	10
5	生理盐水	10	10
6	生理盐水	20	10
7	生理盐水	40	10
8	生理盐水	40	5
9	生理盐水	40	15
10	生理盐水	40	20

图2 不同改性参数下PEEK-SPMK粉末的XPS S 2p谱图

Fig.2 XPS S 2p spectra of PEEK-SPMK powders with different modification parameters

表3 不同试样的接触角

Tab.3 Water contact angle of PEEK-SPMK samples

样品编号	接触角/（°）	样品照片
PEEK	83.5±1.25
p-1	76.75±1.25
p-2	70±1.5
p-3	67.5±0.75
p-4	60±1.25
p-5	65.75±1.5
p-6	58.5±1.25
p-7	40.5±0.75

表4 不同试样的力学性能与磨损率

Tab.4 Mechanical properties and wear rate of samples

样品编号	压缩强度/MPa	硬度/HD	磨损率/ （10 $- 6$ mm³·N $- 1$ ·m $- 1$ ）
PEEK	210.42±0.72	90.46±0.94	1.18±0.72
p-1	213.52±1.05	91.26±0.87	1.95±0.22
p-2	213.42±0.95	91.54±0.74	1.81±0.58
p-3	215.26±0.95	92.44±0.93	1.59±0.44
p-4	217.32±0.95	92.78±0.81	1.26±0.32
p-5	214.62±1.11	92.52±1.79	1.72±0.46
p-6	216.48±0.8	92.28±0.81	1.12±0.26
p-7	219.36±1.3	92.84±0.90	0.85±0.18

表4 不同试样的力学性能与磨损率

Tab.4 Mechanical properties and wear rate of samples

样品编号	压缩强度/MPa	硬度/HD	磨损率/ （10 $- 6$ mm³·N $- 1$ ·m $- 1$ ）
PEEK	210.42±0.72	90.46±0.94	1.18±0.72
p-1	213.52±1.05	91.26±0.87	1.95±0.22
p-2	213.42±0.95	91.54±0.74	1.81±0.58
p-3	215.26±0.95	92.44±0.93	1.59±0.44
p-4	217.32±0.95	92.78±0.81	1.26±0.32
p-5	214.62±1.11	92.52±1.79	1.72±0.46
p-6	216.48±0.8	92.28±0.81	1.12±0.26
p-7	219.36±1.3	92.84±0.90	0.85±0.18

图3 不同成形参数下PEEK-SPMK的摩擦因数时变曲线

Fig.3 Time-dependent friction coefficient curves of PEEK-SPMK under different moulding parameters

图4 PEEK-SPMK在不同润滑介质中的摩擦学性能

Fig.4 Tribological performance of PEEK-SPMK in different lubrication media

图5 PEEK-SPMK在不同润滑介质中的磨损形貌SEM图

Fig.5 SEM images of wear morphology for PEEK-SPMK in different lubrication media

图6 PEEK-SPMK在不同法向载荷下的摩擦学性能

Fig.6 Tribological properties of PEEK-SPMK under different normal loads

图7 PEEK-SPMK在不同滑动速度下的摩擦学性能

Fig.7 Tribological performance of PEEK-SPMK at different sliding speeds

图8 聚电解质刷（SPMK）接枝PEEK的水合润滑示意图

Fig.8 Polyelectrolyte brush（SPMK） grafted onto PEEK： schematic diagram of hydration lubrication

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