不同接觸尺度下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為

崔曉彤，劉金龍，張德坤，陳　凱，亓健偉

(中國礦業大學 材料科學與工程學院，江蘇 徐州221116)

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不同接觸尺度下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為

崔曉彤，劉金龍，張德坤，陳凱，亓健偉

(中國礦業大學 材料科學與工程學院，江蘇 徐州221116)

采用UMT-II型多功能摩擦磨損試驗機研究了不同接觸尺度下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為，并利用有限元模擬方法對PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦機理進行了探討。結果表明：滑動過程中PVA/HA復合水凝膠的平均摩擦力、平均摩擦因數及變形深度隨接觸壓頭直徑的增加逐漸減小，而隨著接觸載荷呈逐漸增加的趨勢；隨著接觸壓頭直徑的增加，液相的承載能力增大，從而平均摩擦力、變形深度減小；隨著接觸載荷的增加，液相流失增加，液相的承載力降低，從而平均摩擦力、變形深度增大。

PVA/HA復合水凝膠；滑動摩擦；有限元；液相承載

隨著社會的發展、老年人口的增多，因關節軟骨磨損而導致的骨關節病、關節炎已逐漸成為影響人們健康的主要原因之一[1]，目前臨床上一般采用人工關節置換來治療骨關節疾病[2]，以重建關節功能。然而，目前所采用的人工關節置換材料多為金屬、陶瓷和超高分子聚乙烯等硬質材料，而傳統的人工關節置換材料由于缺乏潤滑易導致較大的磨損，從而造成無菌性松動[3,4]；因此，近年來，人們開始仿照人體關節的軟骨結構，將目前使用的人工硬質關節改進為帶有軟墊支撐的新型人工關節以實現有效潤滑，即在人工關節表面引入一層薄薄的軟骨，這一領域研究最多的材料是水凝膠。

聚乙烯醇(PVA)水凝膠具有與天然關節軟骨類似的物理特性和良好的生物相容性，因此PVA水凝膠被認為是一種較理想的人工軟骨植入材料[5-7]。Gonzalez等[8]采用冷凍/解凍法制得聚乙烯醇(PVA)/羥基磷灰石(HA)復合水凝膠，研究發現HA的添加改進了水凝膠的物理化學特性，并提高了水凝膠的力學性能。Maiolo等[9]利用冷凍/解凍法制備了PVA/HA復合水凝膠，研究了HA含量(0%，3%，7.5%，質量分數，下同)對水凝膠摩擦性能的影響，結果表明HA含量為3%時PVA/HA復合水凝膠具有最低的摩擦因數。張德坤等[10]研究發現PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦因數隨著冷凍解凍次數和HA含量的增加而逐漸降低。Chan等[11]研究了關節軟骨不同接觸區域(包括承載和非承載區域)的納米摩擦和黏著性能，發現承載軟骨的黏著性能明顯低于非承載軟骨，結果表明在接觸條件下，關節缺乏液體潤滑，承載軟骨位置的邊界潤滑劑含量更高，從而通過將粗糙接觸下的黏著和磨損最小化來保護關節功能。雖然很多學者[12-15]對于PVA水凝膠的制備及力學性能研究方面開展了大量工作，但是人體的關節多種多樣，如肩關節、膝關節、髖關節等，不同關節之間的接觸狀況各不相同，并且針對PVA水凝膠液體承載特性的研究也較少。本工作基于人體中各關節之間接觸尺度的差異，探討了在不同接觸尺度(接觸壓頭直徑、接觸載荷)下，PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為及接觸狀況，并結合有限元模擬方法分析了PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦機理。

1　實驗材料與方法

1.1原材料和試劑

聚乙烯醇(PVA)，型號為20-99，聚合度2050±70，醇解度99.9%，納米羥基磷灰石的平均粒徑小于20nm。

1.2試樣制備

按一定比例將稱重好的PVA溶于去離子水中，在恒溫水浴箱中于90℃以上加熱4～6h，配制成一定濃度的PVA水溶液，加入一定含量的納米羥基磷灰石粉末強力攪拌，待混合均勻后放置在空氣中靜置脫泡；然后將復合溶液倒入模具中，在低溫冷凍儲存箱中

于-20℃左右冷凍6～12h成型，之后取出試樣于室溫下解凍2～4h，重復9次制得PVA/HA復合水凝膠。實驗選用PVA的含量為15%，HA的含量為3.0%。圖1所示為制備的PVA/HA復合水凝膠試樣。

圖1　PVA/HA復合水凝膠試樣Fig.1　The sample of PVA/HA composite hydrogel

1.3水凝膠滑動摩擦實驗

在UMT-II型多功能摩擦磨損試驗機上進行PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦實驗，試樣的厚度為2mm。為研究不同接觸壓頭直徑尺度下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為，實驗選用球頭直徑分別為1,2,4,8mm和28mm的金屬接觸壓頭，接觸載荷為6N，滑動速率為1mm/s；為研究不同接觸載荷對PVA/HA復合水凝膠滑動摩擦行為的影響，實驗選用載荷為5,6,7N，采用直徑為4,28mm的接觸壓頭，滑動速率為1mm/s，圖2所示為不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦測試示意圖。

圖2　不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為　(a)平均摩擦力；(b)平均摩擦因數；(c)最大變形深度Fig.2　Sliding friction behavior of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters(a)average friction force；(b)average friction coefficient；(c)maximum deformation depth

1.4水凝膠滑動摩擦有限元模型

根據水凝膠與接觸壓頭的尺寸，建立壓頭與水凝膠的有限元滑動摩擦模型，水凝膠的厚度為2mm，超高分子量聚乙烯的厚度為3mm，壓頭尺寸如1.3節所示。將壓頭設為分析鋼體，采用均勻網格劃分方法對水凝膠劃分網格，水凝膠劃分為800(8×100)個4節點雙線性位移、雙線性孔隙壓力縮減積分軸對稱實體單元(CAX4RP)，水凝膠基體劃分為400(4×100)個4節點雙線性位移縮減積分軸對稱實體單元(CAX4R)，得到壓頭與水凝膠的有限元滑行模型。水凝膠滑動摩擦模型的邊界條件：水凝膠底面的水平位移、豎直位移、轉動位移為0，壓頭轉動位移為0，水凝膠層周邊區域的孔隙壓力被設為0[16,17]，選用的載荷、滑動摩擦距離、滑動速率均與實驗條件相同，材料屬性如表1所示。

表1　PVA/HA復合水凝膠的材料屬性[18,19]

2　結果與分析

2.1不同接觸壓頭尺度對水凝膠滑動摩擦行為的影響

圖2(a)，(b)分別示出了法向載荷為6N，滑動速率為1mm/s時，不同接觸壓頭直徑對PVA/HA復合水凝膠平均摩擦力以及平均摩擦因數的影響，結果表明平均摩擦力和平均摩擦因數均隨著接觸壓頭直徑的增加呈現下降的趨勢，其中，當接觸壓頭直徑從1mm增加到28mm時，平均摩擦力從0.381N降至0.031N，減小了91.86%，平均摩擦因數從0.049降至0.011，減小了77.55%。這是由于隨著接觸壓頭直徑的增加，壓頭與水凝膠接觸面積增大，接觸應力減小，從而降低了滑動過程中壓頭與水凝膠之間的摩擦力，導致摩擦因數減小；圖2(c)為不同接觸壓頭尺度對最大變形深度的影響，結果表明最大變形深度隨著接觸壓頭直徑的增加而降低，其中，當接觸壓頭直徑從1mm增加到28mm時，最大變形深度從0.241mm降至0.045mm，減小了81.33%。這是由于在相同載荷下，接觸壓頭直徑愈大，壓頭與水凝膠接觸面積愈大，接觸應力減小，從而使水凝膠發生變形能力愈弱，使得變形深度愈小。

2.2不同接觸載荷尺度對水凝膠滑動摩擦行為的影響

圖3(a)，(b)所示分別為接觸壓頭直徑4mm和28mm時相同滑動速率下不同接觸載荷對PVA/HA復合水凝膠平均摩擦力以及平均摩擦因數的影響，結果表明平均摩擦力和平均摩擦因數均隨著接觸載荷的增加呈增大的趨勢，其中，當載荷從5N增加到7N時，對于接觸壓頭直徑為4mm，平均摩擦力從0.077N增加到0.202N，上升了162.33%，平均摩擦因數從0.015增加到0.043，上升了186.67%；對于壓頭直徑為28mm，平均摩擦力從0.013N增加到0.079N，上升了507.69%，平均摩擦因數從0.011增加到0.027，上升了145.45%。這是由于隨著接觸載荷的增加，水凝膠表面單位面積承受的載荷增大，接觸應力增加，因此摩擦力、摩擦因數增大；圖3(c)所示為接觸壓頭直徑4mm和28mm時不同接觸載荷對最大變形深度的影響，可以發現最大變形深度隨接觸載荷的增加而增加，其中，當載荷從5N增加到7N時，對于接觸壓頭直徑為4mm，最大變形深度由0.135mm增加到0.151mm，上升了11.85%；對于壓頭直徑為28mm，最大變形深度由0.033mm增加到0.061mm，上升了84.85%。這是由于接觸載荷愈大，接觸界面的接觸應力增大，從而變形深度愈大。

圖3　不同接觸載荷下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦行為　(a)平均摩擦力；(b)平均摩擦因數；(c)最大變形深度Fig.3　Sliding friction behavior of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads　(a)average friction force；(b)average friction coefficient；(c)maximum deformation depth

2.3滑動摩擦機理分析

表2示出了在相同載荷、相同滑動速率及不同接觸壓頭直徑作用下，有限元模擬得到的HA含量為3%的PVA/HA復合水凝膠滑動摩擦性能參數。結果表明，隨著接觸壓頭直徑的增加，變形深度逐漸減小，其中，當接觸壓頭直徑從1mm增加到4mm時，剪切應力從0.079000MPa減小到0.008900MPa，減小了88.73%；當接觸壓頭直徑從4mm增加到28mm時，剪切應力從0.008900MPa減小到0.000198MPa，減小了97.78%。圖4示出了模擬得到的不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復合水凝膠的液相流速圖，結果表明隨著接觸壓頭直徑的增加，PVA/HA復合水凝膠的液相流速呈減小的趨勢。

表2　不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦性能參數

圖4　不同接觸直徑尺度下PVA/HA復合水凝膠的液相流速圖　(a)2mm；(b)4mm；(c)8mm；(d)28mmFig.4　Fluid flow speed of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters　(a)2mm；(b)4mm；(c)8mm；(d)28mm

圖5　不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力Fig.5　The fluid load support ratio and average friction force of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters

圖5示出了不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力。結果表明，液體承載比隨著接觸壓頭直徑的增加而增大，而平均摩擦力則相反，其中，當接觸壓頭直徑從1mm增加到28mm時，液體承載比從21%增至68%，上升了223.81%，而平均摩擦力從0.381N降到0.031N，減小了91.86%。PVA/HA復合水凝膠在相同載荷、相同滑動速率及不同接觸壓頭直徑作用下，隨著接觸壓頭直徑的增大，壓頭與水凝膠接觸面積增大，液相流速減小，液體流失少，從而導致液相的承載力增加，因此平均摩擦力減小。

表3示出了在相同壓頭直徑、相同滑動速率及不同接觸載荷作用下，有限元模擬得到的HA含量為3%的PVA/HA復合水凝膠滑動摩擦性能參數。結果表明，隨著接觸載荷的增加，變形深度逐漸增加，實驗變形深度和模擬變形深度的最大相對誤差為26.95%，其中，當載荷從5N增加到7N時，剪切應力從0. 004377MPa增加到0.009272MPa，上升了111.83%。圖6示出了模擬得到的不同接觸載荷下PVA/HA復合水凝膠的液相流速圖，結果表明隨著接觸載荷的增加，PVA/HA復合水凝膠的液相流速呈增加的趨勢。

表3　不同接觸載荷下PVA/HA復合水凝膠的滑動摩擦性能參數

圖6　不同接觸載荷下PVA/HA復合水凝膠的液相流速圖　(a)5N；(b)6N；(c)7NFig.6　Fluid flow speed of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads　(a)5N；(b)6N；(c)7N

圖7示出了不同接觸載荷下PVA/HA復合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力。結果表明，液體承載比隨著載荷的增加而減小，而平均摩擦力則相反，其中，當載荷從5N增加到7N時，液體承載比從58%降到38%，減小了223.81%，而平均摩擦力從0.077N增加到0.202N，上升了162.33%。PVA/HA復合水凝膠在相同接觸壓頭直徑、相同滑動速率及不同接觸載荷作用下，隨著接觸載荷的增加，水凝膠單位面積所承受的載荷增大，液相流速增加，從而導致液相流失增加，液相的承載能力下降，因此平均摩擦力增大。

圖7　不同接觸載荷下PVA/HA復合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力Fig.7　The fluid load support ratio and average friction force of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads

3　結論

(1)隨著接觸壓頭直徑的增加，滑動過程中PVA/HA復合水凝膠的平均摩擦力、平均摩擦因數及變形深度均呈逐漸減小的變化趨勢。

(2)隨著接觸載荷的增加，滑動過程中PVA/HA復合水凝膠的平均摩擦力、平均摩擦因數逐漸增加，變形深度也呈逐漸增加的趨勢。

(3)隨著接觸壓頭直徑的增加，液相流失減少，液相的承載能力增大，從而平均摩擦力、變形深度減小；隨著接觸載荷的增加，液相流失增加，液相的承載能力降低，從而平均摩擦力、變形深度增加。

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Sliding Friction Behavior of PVA/HA Composite Hydrogels Under Different Contacting Scales

CUI Xiao-tong,LIU Jin-long,ZHANG De-kun,CHEN Kai,QI Jian-wei

(School of Materials Science and Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)

UMT-II multi-functional friction and wear tester was used to investigate the sliding friction behavior of polyvinyl alcohol/hydroxyapatite(PVA/HA)composite hydrogel under different contacting scales, and the sliding friction mechanism of PVA/HA composite hydrogel was studied by finite element method (FEM). The results show that in the process of the sliding friction, the average friction, the average friction coefficient and the deformation depth of PVA/HA composite hydrogel decrease gradually with the contacting diameter increasing, and exhibit an increase trend with the contacting load; as the contact diameter increases, the fluid load support increases, then the average friction and deformation depth decrease; as the contact load increases, the loss of the liquid phase increases, then the fluid load support decreases, which causes that the average friction and deformation depth increase.

PVA/HA composite hydrogel;sliding friction;FEM;fluid load support

劉金龍(1962-)，男，教授，博士，主要從事生物摩擦學的研究，聯系地址：江蘇省徐州市中國礦業大學南湖校區材料科學與工程學院(221116)，E-mail:liujlong@cumt.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.010

R318.01

A

1001-4381(2016)05-0059-06

中國博士后科學基金(2015M580487)；清華大學摩擦學國家重點實驗室開放基金(SKLTKF12A06)；江蘇省自然科學基金青年基金項目(BK20130200)

2015-08-14；

2016-03-15