UHMW—PE對HDPE材料的復合增強應用研究

摘 要：超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）已經(jīng)作為一門新興的學科而備受關(guān)注，其遠遠高于普通PE的力學性能備受建筑材料行業(yè)期待，但是由于受制于較為苛刻的加工條件，較為復雜的加工工藝而限制了其生產(chǎn)領(lǐng)域的擴展。文章主要把UHMW-PE作為一種增強復合材料，在常規(guī)加工條件及加工設備的前提下，以提高常規(guī)HDPE管道各項關(guān)鍵指標為目的，進行各項測試與研究，證明UHMW-PE對PE材料有較為顯著地增強效果。

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）；HDPE；復合

前言

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）是對分子量超過150萬的聚乙烯的統(tǒng)稱，普通HDPE聚乙烯分子約在2～30萬之間。超高分子量聚乙烯以其耐沖擊性、耐腐蝕、耐磨損、自潤滑性、無毒性及極優(yōu)良的耐低溫性等優(yōu)點廣泛應用于通用機械、化工機械、食品和造紙等領(lǐng)域。但是UHMW-PE的熔融粘度極高，流動性極差，臨界剪切速率極低，易產(chǎn)生熔體破裂等缺點，使其無法用普通的擠出機或注塑機加工成型，因而，較長時間限制了UHMWPE的應用。近年來隨著加工技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，其應用領(lǐng)域也隨之不斷擴大。目前UHMW-PE制品的加工仍以壓制燒結(jié)和柱塞法為主。七十年代中期以來，日本先后開發(fā)了單螺桿擠出和往復螺桿注射成型工藝，美國和西德也相繼采用單螺桿擠出和注射成型法加工UHMW-PE制品。

HDPE水管是一種新型耐酸、耐腐蝕、抗壓、無毒的綠色環(huán)保管材，屬于環(huán)保節(jié)能型高新技術(shù)產(chǎn)品，使用年限達50年以上。管材較輕，便于運輸、安裝、施工，連接可靠，工程綜合造價低。HDPE管是傳統(tǒng)的鋼鐵管材、聚氯乙烯飲用水管的換代產(chǎn)品是目前世界上主要的消費管道。HDPE管道又可分為很多品種，有PE實壁管、PE雙壁波紋管、PE鋼塑復合管、PE纏繞管、PE鋼帶增強管、PE-玻璃纖維增強管等。

1 實驗設計

本實驗主要采用了UHMW-PE與中低密度聚乙烯共混改性的思路，采用常規(guī)的單螺桿擠出設備，用少量UHMW-PE粒子混入HDPE粒子中，擠出成型。在實驗開始前，我們對實驗中的幾個難點進行了預估。

1.1 熔體粘度高

超高分子量聚乙烯熔體為橡膠態(tài)的高粘彈體，熔體流動速率幾乎為零。其常規(guī)加工溫度為240℃，而普通HDPE常規(guī)加工溫度在190℃左右，過高的加工溫度容易導致PE分子鏈的斷裂氧化，影響最終產(chǎn)品的性能。

1.2 料塞

普通聚乙烯在擠出機中進行加工時，由料斗加入的固態(tài)粒料或粉料在機筒的熱和螺桿剪切作用下，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎承粤黧w，即使螺桿設計和溫度條件不很理想，也不會產(chǎn)生物料堵塞在機筒中不動或完全擠不出來的現(xiàn)象。但對于擠出UHMW-PE的情況則會完全不同，物料在螺桿全程上的運動近似為固體輸送過程，即“粉末一半固體一高粘彈體”的變化過程，是典型的“塞流”輸送機理，沒有自由流動的粘流態(tài)。物料容易堵塞在壓縮段包附螺桿一起旋轉(zhuǎn)而無法擠出，這種現(xiàn)象也叫“料塞”。

1.3 強度衰減

UHMW-PE與HDPE雖然化學結(jié)構(gòu)相似，但是由于空間構(gòu)型及粘度上的差異，兩者很難均勻混合，在加工中容易造成兩種材料各自形成球晶，而球晶之間有明顯的界面，起不到很好的增強效果，而且由于這些界面的存在，當有沖擊外力存在時，容易造成應力集中點，造成材料界面的破壞。而如果能形成共晶結(jié)構(gòu)，情況就會好轉(zhuǎn)。

綜合以上情況，我們根據(jù)相關(guān)研究的文獻資料對實驗進行了設置：UHMW-PE含量極限設置在10%；加入流動改性劑改性，使UHMW-PE分子解纏，增加流動性；加入成核劑，使兩種材料結(jié)晶時盡量形成共晶狀態(tài)。

2 實驗部分

材料基質(zhì)采用PE100，同規(guī)格同批次混配料，流動改性劑及成核劑按UHMW-PE添加量的固定比率添加。粒料經(jīng)過攪拌混合干燥設備混合干燥4小時后，經(jīng)真空上料系統(tǒng)投料，加工溫度設置在200℃～205℃，生產(chǎn)口徑為φ160，壁厚等級為SDR17。

2.1 實驗結(jié)果的表征與測試

（1）屈服強度：依據(jù)GB/T 8804.3-2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測定》第三部分：聚烯烴管材。（2）斷裂伸長率：依據(jù)GB/T 8804.3-2003 《熱塑性塑料管材拉伸性能測定》第三部分：聚烯烴管材。（3）彈性模量：依據(jù)GB/T 8804.3-2003 《熱塑性塑料管材拉伸性能測定》第三部分：聚烯烴管材。（4）環(huán)剛度：依據(jù)GB/T9647-2003《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測定》。

2.2 實驗結(jié)果與分析

從表1可以看出，PE的上述指標基本都隨著UHMWPE含量的增加而明顯增加，說明UHMWPE對PE材料的增強是有效。UHMWPE與PE復合能較大程度的對PE基材若干項目有增強效果。

同樣的，在實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著UHMWPE含量的增加，電機的轉(zhuǎn)矩和電流都有較大幅度的增加。在管材壁厚控制方面，隨著UHMWPE含量的增加，壁厚不均勻的程度也漸趨嚴重化，分析認為主要原因是UHMWPE粘度與HDPE基材差距太大，而二者混合又不是很均勻造成的。觀察管材橫截面，UHMWPE含量到8%時能看到少量分界面。

3 結(jié)束語

通過UHMWPE與HDPE基材共混復合，能較大程度地改良材料的屈服強度，彈性模量，環(huán)剛度。雖然對加工難度提出了更高的要求，但是相信隨著人們對改性技術(shù)的更加深入研究，此種新材料必將顯示出越來越旺盛的生命力。

參考文獻

[1]張道權(quán)，等.超高分子量聚乙烯填料改性研究[J].材料科學與工程，1997.

[2]劉廣建.填料對超高分子量聚乙烯的改性及其在礦山的應用[J].現(xiàn)代塑料加工應用，1998.

[3]雷華，胡平，等.超高分子量聚乙烯流動改性劑研究進展[J].現(xiàn)代塑料加工應用，1999.

[4]趙宜明.超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的性能加工及應用（I）[J].塑料，1978.

[5]ParimalVadhar，TheinKyu.Polym[J].Eng.Sei，1987，27（3）：202.

[6]尹德薈，李炳海，等.潤滑劑改進UHMW-PE加工性能的研究[J].塑料，2000.

[7]蔣啟柏，薛平，等.超高分子量聚乙烯復合材料的發(fā)展[J].工程塑料應用，2000.

作者簡介：章炎鋒（1983，1-），男，漢族，浙江省上虞市（籍貫），助理工程師，本科，研究方向：高分子聚合物建筑材料。