碳酸鈣對(duì)超高分子質(zhì)量聚乙烯改性的研究

秦建華 董明青 彭濤

摘要：超高分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）是指相對(duì)分子質(zhì)量大于150萬(wàn)線性的聚乙烯，具有耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、自潤(rùn)滑性、無(wú)毒性以及良好的耐低溫性。但是UHMWPE的耐熱性差，文章通過(guò)碳酸鈣對(duì)UHMWPE填料改性，改善了UHMWPE型材維卡軟化溫度和力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：超高分子質(zhì)量；聚乙烯；改性

超高分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）是指相對(duì)分子質(zhì)量大于150萬(wàn)的線性聚乙烯。最早于1958年由德國(guó)的赫斯特公司于開(kāi)發(fā)研制成功和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前日本、德國(guó)生產(chǎn)UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量已達(dá)到1000萬(wàn)以上，目前國(guó)內(nèi)也可達(dá)到600萬(wàn)以上。UHMWPE綜合了所有塑料的優(yōu)越性能，具有耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、自潤(rùn)滑性、無(wú)毒性、耐低溫性。該材料廣泛應(yīng)用于化工、紡織、醫(yī)學(xué)、建筑、冶金、礦業(yè)、水利、煤炭、電力等領(lǐng)域，但是UHMWPE耐熱性能差，應(yīng)用范圍受限，因此需要對(duì)UHMWPE進(jìn)行耐高溫改改研究。

1 改性的UHWMPE型材試樣的制備

本次填料與UHMWPE原料的混合比例分別是0%，10%，20%，30%，40%，對(duì)5組不同比例材料加工。

先干燥所需材料，按照混合比例稱(chēng)重、混合、研磨，使得材料混合均勻，加入適量的無(wú)水乙醇。將準(zhǔn)備好的材料放入模具型腔中填充緊實(shí)，清理型腔外沿余量材料。將整理好的模板放入壓力成型機(jī)的上下模具之間，閉合模具，在20 MPa加壓下保持10分鐘后，在模壓機(jī)上以250℃的溫度保持30分鐘，成型固化，然后冷卻，制成所需型材。

對(duì)制得的5組不同混合比例為填料的UHMWPE改性型材，按照維卡軟化溫度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及缺口沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制作試驗(yàn)所需的試樣，進(jìn)行維卡軟化溫度測(cè)量和力學(xué)性能試驗(yàn)。因?yàn)榛旌媳壤?0%時(shí)，填料比例較高，制成的試樣，在經(jīng)過(guò)模壓成型加工后，材料質(zhì)地疏松，也未被充分塑化，由于UHMWPE耐高溫改性研究的目的是提高耐熱性能，擴(kuò)大UHMWPE應(yīng)用范圍，故在采集數(shù)據(jù)與分析中，不考慮填充比例為40%組的數(shù)據(jù)。

2 改性的UHMWPE型材維卡軟化溫度測(cè)量

維卡軟化溫度是將熱塑性塑料放于液體傳熱介質(zhì)中，在一定的負(fù)荷和一定的等速升溫條件下，試樣被1的壓針頭壓入1 mm時(shí)的溫度，對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)是GB/T 1633—2000。維卡軟化溫度測(cè)定儀采用XWY—3004。按照GB/T 1633—2000為標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)負(fù)載4 kg，升溫速率120℃/60 min。試樣要求厚度是3～6 mm，長(zhǎng)度要求10 mm以上。

測(cè)量操作步驟：（1）把試樣放在支架上，用壓頭固定。（2）壓頭距離試驗(yàn)試樣邊大于3 mm，溫度計(jì)和試樣垂直間距在3 mm左右，溫度計(jì)不能觸及試樣。（3）操控設(shè)備使支架和試樣緩漫浸入介質(zhì)，保證測(cè)量表面低于介質(zhì)液面40 mm左右。（4）加上4 kg試驗(yàn)負(fù)載，開(kāi)啟試驗(yàn)設(shè)備，在5分鐘之后調(diào)零，接著等速加熱升溫。（5）在壓針壓入量達(dá)到1 mm時(shí)，記下溫度計(jì)的值，該值就是維卡軟化溫度。

通過(guò)測(cè)量得到填料改性的UHMWPE材料的維卡軟化溫度數(shù)值如表1所示。

從表1可以得出，加入不同比例的，對(duì)UHMWPE維卡軟化溫度有較大的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得純UHMWPE的維卡軟化溫度79℃。

在混合比例為10%時(shí)，改性的UHMWPE材料的維卡軟化溫度提高非常明顯，大約為30℃，隨著混合比例的增加，維卡軟化溫度保持上升趨勢(shì)，但上升的速率變小，如圖1所示。

3改性的UHWMPE型材力學(xué)性能測(cè)量

3.1拉伸性能測(cè)量

根據(jù)GB/T 1040.1—2006對(duì)改性后的型材進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，制備試樣采用熱沖裁方法成型，試驗(yàn)速度為100 mm/min。對(duì)不同混合比例填料改性的UHMWPE試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄下數(shù)據(jù)，計(jì)算得到拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率如表2所示。

由表2可以得到其變化趨勢(shì)如圖2～3所示。

從圖2可以看出，和UHMWPE的混合比例對(duì)UHMWPE型材的拉伸性能有不同程度的影響。在3種不同混合比例填料改性的UHMWPE拉伸試驗(yàn)中，純UHMWPE的拉伸強(qiáng)度為13.466MPa，隨和UHMWPE混合比例的提高，UHMWPE改性后型材拉伸強(qiáng)度先升高后降低，在混合比例為0到10%范圍時(shí)，UHMWPE的拉伸強(qiáng)度增加，在混合比例為10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)混合比例在10%～20%范圍時(shí)，拉伸強(qiáng)度有明顯的下降，當(dāng)混合比例在20%～30%范圍時(shí)，材料拉伸強(qiáng)度下降趨勢(shì)變緩。

從圖3可以看出，純UHMWPE型材的斷裂伸長(zhǎng)率為102.344%，在UHMWPE添加改性后的型材斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)下降。在填料混合比例小于10%時(shí)，UHMWPE經(jīng)過(guò)改性后的型材拉伸強(qiáng)度提高，可能原因是和UHMWPE界面結(jié)合較好，在材料中產(chǎn)生物理交聯(lián)點(diǎn)的效果。在受到外力作用時(shí)，復(fù)合材料承受外力作用的面積比較大，進(jìn)而提高了改性后型材的拉伸強(qiáng)度。在和UHMWPE的混合比例大于10%后，粒子開(kāi)始團(tuán)聚，粒徑反而增大，使分散不均勻，所以拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)降低。

改性后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨填料混合比例增加，都有下降的趨勢(shì)。有可能是因?yàn)樵趶?fù)合材料中，UHMWPE為大分子鏈線性結(jié)構(gòu)，填充材料是剛性狀態(tài)，兩種材料之間不能很好相容，材料粒子之間不能結(jié)合緊密，所以在對(duì)UHMWPE進(jìn)行填料改性時(shí)，添加填料比例不能過(guò)大。

3.2沖擊強(qiáng)度的測(cè)量

沖擊強(qiáng)度是表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力、是衡量材料韌性的一項(xiàng)指標(biāo)。通過(guò)沖擊試驗(yàn)，探究和UHMWPE的不同混合比例對(duì)型材的韌性的影響。通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下折斷或折裂時(shí)，單位截面積所吸收的能量，單位為kJ。

公式（1）中：aK—試樣沖擊強(qiáng)度，單位kJ，A—試樣沖擊所消耗的功，單位J；h—試樣厚度，單位mm；b—試樣剩余寬度，單位mm。

按照GB/T 1843—2006進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測(cè)試，試樣采用帶缺口（451）類(lèi)型，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算，UHMWPE純料以及添加不同比例填料改性UHMWPE試樣的缺口沖擊強(qiáng)度數(shù)值如表3所示。

由表3得到其變化趨勢(shì)如圖4所示。

從圖4可以看出，在UHMWPE中添加填料改性，缺口沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)降低。和UHMWPE的混合比例在20%～30%的下降幅度大于在10%～20%的速度。其原因可能是在UHMWPE中加入無(wú)機(jī)材料時(shí)，分子之間沒(méi)有緊密結(jié)合，所以改性后的型材沒(méi)有與純UHWPE一樣具有理想的韌性。也可能是因?yàn)樵谔砑犹盍虾蠛蚒HMWPE形成的復(fù)合材料存在的糾纏點(diǎn)過(guò)多，分子鏈的剛性得到了提高，在受外力沖擊時(shí)，不能通過(guò)充分的變形來(lái)吸收沖擊能量。

4結(jié)語(yǔ)

研究了填料改性的UHMWPE型材的耐高溫性能和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)和完成了不同混合比例改性的UHMWPE維卡軟化溫度測(cè)量試驗(yàn)、拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，與純UHMWPE型材的比較，可以得到：填料使UHMWPE型材的維卡軟化溫度從79℃提高到114℃，表明在UHMWPE中添加填料改性后UHMWPE，型材在受熱時(shí)尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，熱變形小，提高了耐熱性能，達(dá)到了改性的目的。在填料對(duì)UHMWPE改性后型材的力學(xué)性能也有很大的影響。和UHMWPE的混合比例的不同，影響程度也不同。當(dāng)和UHMWPE的混合比例為10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度還稍微提升了一點(diǎn)。隨著混合比例的增大，拉伸強(qiáng)度急劇下降。在UHMWPE中添加填料改性后型材缺口沖擊強(qiáng)度明顯降低。所以通過(guò)對(duì)UHMWPE的改性總體上增加了型材的耐熱性能、降低了力學(xué)性能。因此，在通過(guò)填料對(duì)UHMWPE改性的時(shí)，要根據(jù)HMWPE型材的工況來(lái)嚴(yán)格控制填料的混合比例，一般在填料比較低的時(shí)既能提升耐熱性能，又能保證材料的力學(xué)性能。