超高分子量聚乙烯耐熱性能的改善

秦建華， 郝繪坤， 王興隆，李文華

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

超高分子量聚乙烯 (簡(jiǎn)稱UHMWPE)是分子量100萬(wàn)以上的聚乙烯，它是一種線性結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，具有優(yōu)良的耐磨性、耐沖擊性、耐低溫性、耐應(yīng)力開裂性、耐腐蝕性、耐光性、抗粘附性，以及電絕緣性、自潤(rùn)滑性等，可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料廣泛地應(yīng)用于紡織、采礦、化工、包裝、機(jī)械、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域[1-2].雖然超高分子量聚乙烯具有非常優(yōu)異的特性，但是其熱變形溫度偏低(85 ℃)，這限制了它在高溫環(huán)境的應(yīng)用.如果能夠提高超高分子量聚乙烯材料的熱變形溫度，那么這種材料就能得到更加廣泛的應(yīng)用.

目前,常見的改性主要是工藝改性和性能改性.工藝改性是針對(duì)超高分子量聚乙烯分子量巨大，成型過(guò)程中幾乎沒有流動(dòng)性，為增加其成型過(guò)程中的流動(dòng)性而進(jìn)行的改性.性能改性是為了改善超高分子量聚乙烯某一方面或幾個(gè)方面的性能而進(jìn)行的改性.其中主要的改性方法有物理改性、化學(xué)改性、聚合物填充改性、自增強(qiáng)改性等[3].本文介紹一種通過(guò)添加無(wú)機(jī)填料進(jìn)行改性的方法，由于高嶺土和碳酸鈣等無(wú)機(jī)材料不僅具有很高的耐熱性能，而且具有較好的成型能力，所以本文選擇高嶺土和碳酸鈣兩種無(wú)機(jī)填料進(jìn)行研究，研究的目的是在對(duì)超高分子量聚乙烯主要性能影響不大的基礎(chǔ)上提高其耐熱性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

超高分子量聚乙烯,平均分子量約為350萬(wàn),北京東方石油化工有限公司; 高嶺土，熔點(diǎn)1 785 ℃,甘肅蘭港石化公司;碳酸鈣(CaCO3)，熔點(diǎn)1 339 ℃,市場(chǎng)隨機(jī)購(gòu)買;無(wú)水乙醇，天津市天力化學(xué)試劑有限公司.

1.2 設(shè)備及儀器

壓力成型機(jī)：型號(hào)XLB-350-350,中國(guó)浙江湖州東方機(jī)械有限公司制造;熱變形、維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀：型號(hào)XWY-3004,濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司;懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)XJU-22,承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；拉力試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)TCS-2000，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；熱壓機(jī)：型號(hào)R3202,武漢啟恩科技發(fā)展有限責(zé)任公司.

1.3 試樣制備

將超高分子量聚乙烯干燥后分別與高嶺土、碳酸鈣混合,高嶺土、碳酸鈣所占質(zhì)量比例分別為10%、20%、30%,研磨均勻，適量加入無(wú)水乙醇，120 MPa下預(yù)壓10 min后，在模壓機(jī)上以250 ℃溫度保持一段時(shí)間后，隨模冷卻，制成厚度分別為2 mm和4 mm的片狀試樣,分別測(cè)量其維卡軟化溫度(℃)、拉伸強(qiáng)度(MPa)、缺口沖擊強(qiáng)度 (kJ/m2)和斷裂伸長(zhǎng)率(%)，每個(gè)參數(shù)均選3～5個(gè)試樣分別測(cè)量，取平均值.

1.4 性能測(cè)試

維卡熱變形溫度按GB/T1633-2000測(cè)試,負(fù)載為4 kg,升溫速率120 ℃/60 min;

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1040-2006測(cè)試,拉伸速率為100 mm/min,試驗(yàn)溫度室溫;

缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843-2008測(cè)試,試驗(yàn)溫度室溫.

2 結(jié)果與討論

2.1 耐熱性能

填料高嶺土和碳酸鈣在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)UHMWPE的維卡軟化溫度的影響如圖1所示.當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，維卡軟化溫度平均提高到105 ℃左右；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，維卡軟化溫度平均提高到115 ℃左右.隨著填料含量的增加，材料的維卡軟化溫度逐漸增加，且上升趨勢(shì)逐漸趨緩.

圖1 UHMWPE及其共混物的維卡軟化溫度Fig.1 Vicat softening temperature of UHMWPE and its mixtures

因?yàn)樘盍显诰酆衔锘w中起到了物理交聯(lián)的作用，限制了高分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，故提高了材料的維卡軟化溫度.由于填料對(duì)聚合物分子間作用力的影響不同，故改變程度也不同.在一定范圍內(nèi)，大量填料的加入則會(huì)過(guò)多的削弱分子鏈之間的作用力[4]，因此隨著填料含量的增加，材料的維卡軟化溫度趨于緩和.

2.2 力學(xué)性能

圖2為UHMWPE及其共混物的拉伸強(qiáng)度.從圖2中可以看出，隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，拉伸強(qiáng)度先升高然后又降低.在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右時(shí)是比較高的，隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增多，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是由于大量的填料容易聚集，從而破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)，并帶來(lái)更多的應(yīng)力集中點(diǎn)而造成的[5].

UHMWPE及其共混物的斷裂伸長(zhǎng)率關(guān)系見圖3.如圖3所示，斷裂伸長(zhǎng)率也呈現(xiàn)出與拉伸強(qiáng)度相似的變化趨勢(shì)，即略有增加然后減小.斷裂伸長(zhǎng)率與拉伸強(qiáng)度的變化在機(jī)理上是一樣的.

圖2 UHMWPE及其共混物的拉伸強(qiáng)度Fig.2 The tensile strength of UHMWPE and its mixtures

圖3 UHMWPE及其共混物的斷裂伸長(zhǎng)率Fig.3 The breaking elongation of UHMWPE and its mixtures

對(duì)材料的缺口沖擊強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，如圖4所示.純超高分子量聚乙烯材料具有很高的沖擊強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)中幾乎不會(huì)被沖斷.改性后的材料，隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，缺口沖擊強(qiáng)度呈降低趨勢(shì).因?yàn)樵诔叻肿恿烤垡蚁┲刑砑恿藷o(wú)機(jī)材料，無(wú)機(jī)材料的性質(zhì)就決定了在加熱的情況下其共混物的分子之間不一定能結(jié)合的非常緊密，所以不能像純料一樣具有很好的韌性.

圖4 UHMWPE及其共混物的缺口沖擊強(qiáng)度Fig.4 The notched impact strength of UHMWPE and its mixtures

3 結(jié) 語(yǔ)

填充高嶺土和碳酸鈣對(duì)超高分子量聚乙烯的性能產(chǎn)生了明顯的影響，使其耐熱性能得到大大提高，但是其力學(xué)性能和加工性能有不同程度的降低，基本上能在力學(xué)性能和加工性能改變不大的基礎(chǔ)上滿足耐熱性能的需要.

a.高嶺土和碳酸鈣的填充都明顯改善了UHMWPE的耐熱性能.當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，高嶺土和UHMWPE的共混物的維卡軟化溫度為105 ℃，碳酸鈣和UHMWPE的共混物的維卡軟化溫度為107 ℃，提高20 ℃左右；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，高嶺土和UHMWPE的共混物的維卡軟化溫度為113 ℃，碳酸鈣和UHMWPE的共混物的維卡軟化溫度為111 ℃，提高30 ℃左右.

b.兩種材料的填充均對(duì)UHMWPE的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響.當(dāng)高嶺土或碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，UHMWPE及其共混物的力學(xué)性能最好,隨著添加比例的增大，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能減小的速度也增加，其中缺口沖擊強(qiáng)度降低的程度最大.

c.選用的兩種無(wú)機(jī)填料對(duì)UHMWPE的加工性產(chǎn)生了不同程度的影響.添加比例越大，成型越困難.綜合考慮，選用無(wú)機(jī)填料改性時(shí)，在提高UHMWPE的耐熱性能的同時(shí)，為了保證聚合物具有較好的力學(xué)性能，在配比時(shí)應(yīng)該選用較小比例，最好在20%以內(nèi)；如果用于受力不大的工作場(chǎng)合時(shí)，可以增加填料比例到30%左右.

致 謝

本課題的研究工作獲得了武漢東湖高新區(qū)“3551光谷人才計(jì)劃”、武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目(201010621223)的資金資助，同時(shí)也得到武漢曉宏超高分子新材料科技有限公司的大力支持，在此表示衷心的感謝！

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