共混改善超高分子量聚乙烯耐高溫性能

郝繪坤　張彥波

摘 要 采用共混改性的方法改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能，選用四種耐高溫性能優(yōu)于超高分子量聚乙烯的高分子材料聚丙烯（簡(jiǎn)稱PP）、聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）、聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC）和高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE），分別以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超高分子量聚乙烯混合，模壓成型制得實(shí)驗(yàn)試樣，分別測(cè)試其維卡軟化溫度。將四種材料在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)論表明：這四種材料中有兩種材料聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）和聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC） 改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能的效果比較顯著，在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，能將維卡軟化溫度提高到140℃左右。

關(guān)鍵詞 超高分子量聚乙烯 模壓成型 維卡軟化點(diǎn) 耐熱性能

中圖分類號(hào)：TQ326.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

超高分子量聚乙烯 （Ultra High Molecular Weight Polyethylene，簡(jiǎn)稱UHMWPE）是一種具有耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、耐應(yīng)力開裂性、耐低溫性、無毒衛(wèi)生等優(yōu)良特性的熱塑性工程塑料，它幾乎綜合了所有塑料的優(yōu)越性能。目前在醫(yī)療、化工、機(jī)械、軍事、采礦、體育等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

超高分子量聚乙烯的平均分子量150萬以上，分子式為—（—CH2-CH2—）—n— ，它的相對(duì)分子質(zhì)量很大，但是原子之間都是以簡(jiǎn)單重復(fù)的方式連接的線型結(jié)構(gòu)。它的這種分子結(jié)構(gòu)決定了它的耐高溫性能較低，其熱變形溫度大約為85℃。其耐高溫性能的不足，限制了它的應(yīng)用環(huán)境的范圍。為了拓展其使用范圍，我們積極的采用各種方法改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能，本次實(shí)驗(yàn)采用共混改性的方法，選用耐高溫性能優(yōu)于超高分子量聚乙烯的高分子材料聚丙烯（簡(jiǎn)稱PP）、聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）、聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC）和高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE），分別以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超高分子量聚乙烯混合，模壓成型制得實(shí)驗(yàn)試樣，分別測(cè)試共混改性后試樣的維卡軟化溫度，觀察改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能的效果。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)方案

在制備實(shí)驗(yàn)測(cè)試試樣的過程中，超高分子量聚乙烯（簡(jiǎn)稱UHMWPE）純料是母料，聚丙烯（簡(jiǎn)稱PP）、聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）和聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC）、高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE）這四種材料是填加材料。

把所有實(shí)驗(yàn)材料干燥處理，將聚丙烯（簡(jiǎn)稱PP）、聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）、聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC）和高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE）四種材料分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%、40%與超高分子量聚乙烯純料混合，得到16種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的粉末原材料，將這些粉末原材料混合均勻，通過模壓成型實(shí)驗(yàn)，制成16種實(shí)驗(yàn)試樣，每種實(shí)驗(yàn)試樣至少取3-5個(gè)，分別測(cè)量每個(gè)試樣的測(cè)卡軟化溫度，取平均值。

2.2實(shí)驗(yàn)原料

超高分子量聚乙烯（簡(jiǎn)稱UHMWPE），平均分子量約為150萬以上，熱變形溫度是85℃，熔點(diǎn)為130℃，密度大于0.940克/立方厘米，中江聚合物有限公司；

聚丙烯，英文名稱Polypropylene（簡(jiǎn)稱PP），熱變形溫度為100℃、維卡軟化溫度為150℃，燕山石化有限公司生產(chǎn)。聚丙烯包括丙烯與少量乙烯的共聚物在內(nèi)，通常為半透明無色固體，無臭無毒。由于結(jié)構(gòu)規(guī)整而高度結(jié)晶化，熔點(diǎn)可高達(dá)167℃，耐熱、耐腐蝕，聚丙烯密度小，是最輕的通用塑料。由于結(jié)晶度較高，這種材料的表面剛度和抗劃痕特性很好，不存在環(huán)境應(yīng)力開裂問題。

聚酰胺66，俗稱尼龍66，英文名稱Polyamide66（簡(jiǎn)稱PA66），密度是1.15g/cm3，熔點(diǎn)是252℃。聚酰胺是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)—[NHCO]—的熱塑性樹脂總稱，聚酰胺66在聚酰胺材料中具有較高的熔點(diǎn)，在較高溫度的條件下也能保持較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。具有較好的耐磨性和回彈性，抗疲勞性及熱穩(wěn)定性好，彈性回復(fù)率可達(dá)100%，能經(jīng)受上萬次折撓而不斷裂。具有無毒、質(zhì)輕、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性及較好的耐腐蝕性，經(jīng)常代替銅應(yīng)用在機(jī)械和化工等領(lǐng)域。

聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC），密度是1200Kg/m3，線膨脹率為3.8？0-5 cm/℃，熱變形溫度大約為135℃，奇美實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)。聚碳酸酯是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是非結(jié)晶性熱塑性塑料，具有優(yōu)質(zhì)的耐熱性能、良好的透明度和極高的耐沖擊強(qiáng)度。同時(shí)，聚碳酸酯具有很高的韌性，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度為600～900J/m，彎曲模量可達(dá)2400MPa以上。它具有較高的強(qiáng)度及彈性系數(shù)，并且使用溫度范圍廣，成形收縮率低，耐疲勞性也比較好。

高密度聚乙烯，英文名稱High Density Polyethylene（簡(jiǎn)稱HDPE），是白色粉末狀產(chǎn)品.無毒，無味， 密度是0.941～0.960，分子量范圍40 000～300 000，使用溫度100℃以上，維卡軟化點(diǎn)為135℃，HDPE熔點(diǎn)為142℃，具有較高的硬度、拉伸強(qiáng)度，耐磨性、電絕緣性、韌性及耐寒性比較好；化學(xué)穩(wěn)定性好，在室溫條件下，不溶于任何有機(jī)溶劑，耐酸、堿和各種鹽類的腐蝕。

2.3試樣制備

采用模壓成型的方法制備實(shí)驗(yàn)試樣，模壓成型（又稱壓制成型）是先將粉狀、粒狀或纖維狀的塑料放入成型溫度下的模具型腔中，然后閉模加壓使其成型并固化的一種成型方法。選用的設(shè)備是平板硫化成型機(jī)，型號(hào)：QLB-D400x400，上海第一橡膠機(jī)械廠。

首先把按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)配好的粉末狀材料研磨分散均勻，裝填到模具中，把平板硫化機(jī)升溫致200℃，把裝好料的模具放到平板硫化機(jī)上預(yù)熱20min；接著控制壓力1MPa，在此下條件下預(yù)壓，之后保溫保壓20min；保溫保壓結(jié)束后開模，在模壓機(jī)上隨模冷卻到100℃左右，然后用水急速冷卻，最終制成厚度為4mm厚的片狀試樣，再依據(jù)相應(yīng)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)裁成樣片。由于各種材料的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，模壓成型制得的試樣可能存在成型缺陷，所以在模壓成型的過程中必須將不合格的試樣排除，保證合格的試樣個(gè)數(shù)不少于三個(gè)，不足三個(gè)時(shí)需重新制備。

2.4耐熱性能測(cè)試

按GB/T1633-2000標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試維卡軟化溫度，選用的設(shè)備是熱變形維卡軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)，型號(hào)：ZWK1302-B，承德市考思科學(xué)檢測(cè)有限公司。試樣厚度4mm，邊長(zhǎng)為大于10mm的正方形，試樣表面平整、平行、無飛邊。實(shí)驗(yàn)開始前，使設(shè)備預(yù)熱10min，試樣水平放置在壓針下，壓頭離試樣邊緣大于3mm，與儀器底座接觸的試樣表面應(yīng)平整。實(shí)驗(yàn)施加負(fù)載為1kg，等速升溫速率120℃/60 min，記錄試樣被1mm2壓針頭壓人1mm深時(shí)的溫度。讀出維卡軟化溫度值之后，使設(shè)備先自然冷卻到100℃左右，然后水冷。

3結(jié)果與討論

聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA66）、聚碳酸酯（PC）和高密度聚乙烯（HDPE）這四種材料與超高分子量聚乙烯的共混材料在不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）維卡軟化溫度的影響如表1所示。

表1：UHMWPE及其共混物的維卡軟化溫度℃

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得超高分子量聚乙烯純料的維卡軟化溫度是117℃。在四種材料中，共混改善超高分子量聚乙烯耐熱性能效果最好的是聚碳酸酯（PC），在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，測(cè)得其維卡軟化溫度是138℃；在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，其維卡軟化溫度達(dá)到143℃以上；其中，在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，其維卡軟化溫度已經(jīng)接近140℃。

其次，聚酰胺（PA66）共混改善超高分子量聚乙烯耐熱性能效果也很顯著，在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，測(cè)得其維卡軟化溫度是134℃；在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，其維卡軟化溫度達(dá)到141℃以上。

與此同時(shí)，聚丙烯（PP）在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，測(cè)得其維卡軟化溫度是120.8℃；在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，其維卡軟化溫度達(dá)到125℃；高密度聚乙烯（HDPE）在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，測(cè)得其維卡軟化溫度是121.2℃；在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，其維卡軟化溫度達(dá)是126.4℃。聚丙烯和高密度聚乙烯與超高分子量聚乙烯共混改善其耐熱性能效果并不明顯。

從表1中的數(shù)據(jù)來看，共混改善超高分子量聚乙烯耐熱性能時(shí)，四種共混材料存在一個(gè)共同的特點(diǎn)，在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%、20%、30%、40%的四種不同質(zhì)量配比的區(qū)間內(nèi)，測(cè)得的維卡軟化溫度是呈逐漸升高的趨勢(shì)，但是沒有拉開很大的差距。改善效果好的兩種材料聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA66）在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，都取得較好較顯著的效果。改善效果不明顯的兩種材料聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，測(cè)得的維卡軟化溫度仍然在125℃左右，并沒有因填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而取得更加顯著的效果。

綜合整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，我們可以看到，共混材料的維卡軟化溫度主要由母料決定，同時(shí)填加材料的耐熱性質(zhì)也起到很重要的影響作用。受填加材料耐熱性能的影響，填加熔點(diǎn)或熱變形溫度較高的材料后，混合材料的維卡軟化溫度可以得到明顯的提高；反之亦成立。

4結(jié)論

本次采用四種材料聚丙烯（簡(jiǎn)稱PP）、聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）、聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC）和高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE）共混改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能，四種材料中有兩種材料聚酰胺（簡(jiǎn)稱PA66）和聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱PC） 改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能的效果比較顯著，在填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，均能將維卡軟化溫度提高到140℃左右。本次的共混改善超高分子量聚乙烯的耐高溫性能為接下來的研究探索了新的方法和思路，以后將進(jìn)一步探索此種方法對(duì)超高分子量聚乙烯的耐高溫性能影響的研究。存在的問題有：基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和工藝，以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇不盡嚴(yán)格，所以測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。接下來的研究應(yīng)該結(jié)合使用要求，對(duì)超高分子量聚乙烯的耐高溫性能改善采取更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并且與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，切實(shí)有效的提高超高分子量聚乙烯的耐高溫性能。

基金項(xiàng)目：2016年山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目“超高分子量聚乙烯耐高溫改性研究”（項(xiàng)目編號(hào)：J16LA60）。

作者簡(jiǎn)介：郝繪坤（1982.5-），女，山東協(xié)和學(xué)院，講師，碩士。研究方向：高分子材料成型理論和改性研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 許睿等.超高分子量聚乙烯耐熱性改性研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（04）：135-139.

[2] 秦建華等.超高分子量聚乙烯耐熱性能的改善[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（06）25-27.

[3] 明艷等.超高分子量聚乙烯的改性[J].塑料科技，2002，9（02）：33-35.

[4] 蘇榮錦，黃安民.超高分子量聚乙烯改性研究進(jìn)展[J].塑料科技，2010，38（06）：93-97.

[5] 馬赟喆等.改性超高分子量聚乙烯的耐熱性能[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，2（37）.