工程塑料POM高分子材料老化试验中湿热老化对摩擦系数影响

POM（聚甲醛）作为高刚性、耐磨耗的工程塑料，广泛应用于齿轮、轴承等摩擦工况件，摩擦系数是其核心性能指标。而湿热环境（高温+高湿度）是POM实际应用中常见的老化诱因，直接影响摩擦系数稳定性。本文聚焦湿热老化试验，系统分析POM摩擦系数的变化规律、表面/内部结构关联及影响机制，为材料寿命预测与应用优化提供支撑。

POM高分子材料的摩擦特性与应用依赖性

POM是线性结晶型高分子，分子链由-O-CH₂-重复构成，兼具优异刚性与耐磨性能，干摩擦系数仅0.15-0.25，远低于PA、PBT等工程塑料。正因如此，POM常用于汽车雨刮齿轮、家电轴承、工业传动件等需长期承受滑动摩擦的场景——这些零件的使用寿命与运行噪音，完全取决于摩擦系数的稳定性。

但POM的摩擦优势并非“终身有效”。例如户外使用的POM齿轮，经历夏季40℃以上高温与雨季80%RH以上高湿度后，常出现摩擦阻力增大、运转卡滞的问题。这是因为湿热环境会改变POM的表面状态与内部结构，进而引发摩擦系数波动。

对应用端而言，摩擦系数的微小变化都可能导致严重后果：比如齿轮摩擦系数从0.18升至0.25，会使传动效率下降15%以上，甚至因过热引发零件变形。因此，研究湿热老化对POM摩擦系数的影响，是确保其应用可靠性的关键。

湿热老化试验的环境模拟逻辑与标准依据

湿热老化试验的核心是模拟“高温+高湿度”协同环境，参数设定需贴合实际场景。目前常用ASTM D570（吸水率）、ISO 4611（湿热老化）等标准，典型条件为温度50-80℃、相对湿度85%-95%、周期100-1000小时。

选择湿热环境的原因有二：一是高湿度会加速POM吸湿——尽管POM吸水率仅0.2%（远低于PA的2.5%），但长期90%RH环境仍会导致表面膨胀；二是高温会加速分子链热运动，使材料内部缺陷（如残留应力、分子链末端）更易与水反应，引发降解。

试验中需严格控制环境稳定性：温度波动±2℃、湿度波动±5%RH，避免数据偏差。试样摆放也有讲究——需保持间隙，确保湿热均匀接触，否则易出现“局部老化”现象，导致试验结果不准确。

摩擦系数测试的方法选择与参数控制

摩擦系数测试需模拟实际工况，常用销盘试验机（GB/T 3960）或球盘试验机（ASTM G99）。以销盘试验为例，参数通常设定为：负载5-20N（模拟零件接触压力）、滑动速度0.1-0.5m/s（对应齿轮线速度）、测试温度25℃（排除温度干扰）。

参数控制的重要性体现在：若负载过大（如超过30N），POM表面会因塑性变形产生严重磨损，导致摩擦系数虚高；若滑动速度过快（如超过1m/s），摩擦生热会使POM表面软化，测试结果偏离实际。

测试前需对试样预处理：用1000目砂纸打磨表面（确保Ra=0.2-0.4μm），用乙醇擦拭去除油污——表面粗糙度或油污都会影响摩擦系数的准确性，比如Ra从0.2μm升至0.6μm，摩擦系数会上升20%以上。

湿热老化对POM表面状态的改变

湿热老化的第一步是POM吸湿。尽管POM疏水性强，但长期高湿度环境下，水分子仍会扩散至表面无定形区，导致表面膨胀（膨胀率约0.1%-0.3%）。这种膨胀会使原本光滑的表面出现微小凸起，微观粗糙度增加。

随着老化时间延长，高温与水的协同作用会引发POM降解。聚甲醛的分子链为-O-CH₂-结构，温度超过60℃时，分子链末端的羟基（-OH）会与水反应生成甲醛与甲酸——甲酸作为酸性物质，会催化分子链断裂，导致分子量下降。

表面降解的直观表现是颜色变化：未老化POM为乳白色，老化1000小时后变为淡黄色，表面出现细微裂纹。这些结构变化直接改变了POM与配对材料（如钢、尼龙）的接触状态——从“光滑接触”变为“粗糙接触”，摩擦时的黏着阻力与接触面积均会增加。

湿热老化后POM摩擦系数的变化规律

通过试验数据可发现，湿热老化对POM摩擦系数的影响呈“先稳后升”趋势（以60℃、90%RH为例）：

——0-200小时：摩擦系数从0.18降至0.16。原因是初期吸湿使表面软化，黏着阻力减小；同时表面轻微膨胀增加了接触面积，但未引发磨损加剧。

——200-500小时：摩擦系数升至0.22。此时表面降解显现，分子链断裂导致粗糙度（Ra）从0.2μm升至0.6μm，滑动时磨屑生成量增多——磨屑在界面形成“磨粒磨损”，推动摩擦系数上升。

——500-1000小时：摩擦系数快速升至0.30以上。此时内部降解严重，分子量从5×10⁴降至2×10⁴，表面出现裂纹与凹坑，滑动时不仅有磨粒磨损，还因表面剥落产生“粘着磨损”，摩擦系数急剧上升。

需注意的是，配对材料会影响变化趋势：POM与钢配对时，摩擦系数上升更快（钢硬度高，加剧POM磨损）；与尼龙配对时，上升较慢（尼龙柔软性缓冲了磨损）。

湿度与温度的耦合效应对摩擦行为的强化

湿热老化的影响是温度与湿度的协同强化，而非简单叠加。对比单因素与湿热试验结果：

——仅高温（60℃、50%RH）：1000小时后摩擦系数升至0.25，Ra=0.4μm；

——仅高湿度（25℃、90%RH）：1000小时后摩擦系数升至0.20，Ra=0.3μm；

——湿热（60℃、90%RH）：1000小时后摩擦系数升至0.32，Ra=0.8μm。

这种差异的原因在于：高温加速分子链降解，高湿度通过吸湿扩大表面缺陷，两者协同使降解速率远快于单因素。水作为介质，让高温下的分子链运动更易引发断裂，同时吸湿导致的表面膨胀，使断裂的分子链更易暴露，进一步加速降解。

POM内部结构变化与摩擦系数的关联机制

摩擦系数的变化本质是内部结构变化的外在表现，POM在湿热老化中的结构变化主要有三方面：

其一，分子链降解：分子链断裂后，分子量下降，弹性模量从3.5GPa降至1.8GPa。刚性降低使POM在摩擦时更易塑性变形，接触面积增大，摩擦系数上升。

其二，结晶度降低：POM初始结晶度约70%，老化后降至55%。结晶度降低会使材料硬度（洛氏M90）降至M65，表面更易被配对材料磨损，产生更多磨屑。

其三，表面能增加：未老化POM的表面能约30mJ/m²（疏水性），老化后因表面产生羟基（-OH）与羧基（-COOH），表面能升至45mJ/m²（亲水性）。表面能增加意味着与配对材料的黏着作用增强，摩擦阻力增大。

这三方面变化共同导致摩擦系数上升：刚性降低增加接触面积，硬度降低加剧磨损，表面能增加增强黏着——三者叠加，使POM的摩擦性能急剧恶化。