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

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074

0 引 言

超高分子量聚乙烯 (簡稱UHMWPE)是分子量100萬以上的聚乙烯，它是一種線性結構的具有優異綜合性能的熱塑性工程塑料，具有優良的耐磨性、耐沖擊性、耐低溫性、耐應力開裂性、耐腐蝕性、耐光性、抗粘附性，以及電絕緣性、自潤滑性等，可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料廣泛地應用于紡織、采礦、化工、包裝、機械、醫療、體育等領域[1-2].雖然超高分子量聚乙烯具有非常優異的特性，但是其熱變形溫度偏低(85 ℃)，這限制了它在高溫環境的應用.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.工藝改性是針對超高分子量聚乙烯分子量巨大，成型過程中幾乎沒有流動性，為增加其成型過程中的流動性而進行的改性.性能改性是為了改善超高分子量聚乙烯某一方面或幾個方面的性能而進行的改性.其中主要的改性方法有物理改性、化學改性、聚合物填充改性、自增強改性等[3].本文介紹一種通過添加無機填料進行改性的方法，由于高嶺土和碳酸鈣等無機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機填料進行研究，研究的目的是在對超高分子量聚乙烯主要性能影響不大的基礎上提高其耐熱性能.

1 實驗部分

1.1 主要原材料

超高分子量聚乙烯,平均分子量約為350萬,北京東方石油化工有限公司; 高嶺土，熔點1 785 ℃,甘肅蘭港石化公司;碳酸鈣(CaCO3)，熔點1 339 ℃,市場隨機購買;無水乙醇，天津市天力化學試劑有限公司.

1.2 設備及儀器

壓力成型機：型號XLB-350-350,中國浙江湖州東方機械有限公司制造;熱變形、維卡軟化點溫度測定儀：型號XWY-3004,濟南天辰試驗機制造有限公司;懸臂梁沖擊試驗機：型號XJU-22,承德試驗機有限責任公司；拉力試驗機：型號TCS-2000，高鐵檢測儀器有限公司；熱壓機：型號R3202,武漢啟恩科技發展有限責任公司.

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、碳酸鈣所占質量比例分別為10%、20%、30%,研磨均勻，適量加入無水乙醇，120 MPa下預壓10 min后，在模壓機上以250 ℃溫度保持一段時間后，隨模冷卻，制成厚度分別為2 mm和4 mm的片狀試樣,分別測量其維卡軟化溫度(℃)、拉伸強度(MPa)、缺口沖擊強度 (kJ/m2)和斷裂伸長率(%)，每個參數均選3～5個試樣分別測量，取平均值.

1.4 性能測試

維卡熱變形溫度按GB/T1633-2000測試,負載為4 kg,升溫速率120 ℃/60 min;

拉伸強度按GB/T 1040-2006測試,拉伸速率為100 mm/min,試驗溫度室溫;

缺口沖擊強度按GB/T 1843-2008測試,試驗溫度室溫.

2 結果與討論

2.1 耐熱性能

填料高嶺土和碳酸鈣在不同質量分數時對UHMWPE的維卡軟化溫度的影響如圖1所示.當質量分數為10%時，維卡軟化溫度平均提高到105 ℃左右；當質量分數為30%時，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

因為填料在聚合物基體中起到了物理交聯的作用，限制了高分子鏈的熱運動，故提高了材料的維卡軟化溫度.由于填料對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，大量填料的加入則會過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 力學性能

圖2為UHMWPE及其共混物的拉伸強度.從圖2中可以看出，隨著填料質量分數的提高，拉伸強度先升高然后又降低.在質量分數為10%左右時是比較高的，隨著填料質量分數的繼續增多，拉伸強度出現下降的趨勢，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構，并帶來更多的應力集中點而造成的[5].

UHMWPE及其共混物的斷裂伸長率關系見圖3.如圖3所示，斷裂伸長率也呈現出與拉伸強度相似的變化趨勢，即略有增加然后減小.斷裂伸長率與拉伸強度的變化在機理上是一樣的.

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

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

對材料的缺口沖擊強度的測試結果，如圖4所示.純超高分子量聚乙烯材料具有很高的沖擊強度，在實驗中幾乎不會被沖斷.改性后的材料，隨著填料質量分數的提高，缺口沖擊強度呈降低趨勢.因為在超高分子量聚乙烯中添加了無機材料，無機材料的性質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度Fig.4 The notched impact strength of UHMWPE and its mixtures

3 結 語

填充高嶺土和碳酸鈣對超高分子量聚乙烯的性能產生了明顯的影響，使其耐熱性能得到大大提高，但是其力學性能和加工性能有不同程度的降低，基本上能在力學性能和加工性能改變不大的基礎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.當質量分數為10%時，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；當質量分數為30%時，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UHMWPE的力學性能產生了一定的影響.當高嶺土或碳酸鈣質量分數為10%時，UHMWPE及其共混物的力學性能最好,隨著添加比例的增大，其拉伸強度、斷裂伸長率等力學性能減小的速度也增加，其中缺口沖擊強度降低的程度最大.

c.選用的兩種無機填料對UHMWPE的加工性產生了不同程度的影響.添加比例越大，成型越困難.綜合考慮，選用無機填料改性時，在提高UHMWPE的耐熱性能的同時，為了保證聚合物具有較好的力學性能，在配比時應該選用較小比例，最好在20%以內；如果用于受力不大的工作場合時，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“3551光谷人才計劃”、武漢市科技攻關項目(201010621223)的資金資助，同時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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