超高分子量聚乙烯高溫環境抗沖擊能力研究

李 藝，周 慶，賀思敏，王 窈，張 龍

超高分子量聚乙烯高溫環境抗沖擊能力研究

李 藝，周 慶，賀思敏，王 窈，張 龍

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

為研究超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）在高溫環境下的熱性能和力學特性，對不同高溫處理1h后的UHMWPE進行了SEM、DSC以及XRD分析。結果表明：150℃處理后纖維表面和斷面已失去原有結構，XRD衍射峰峰值明顯降低；DSC結果顯示，與高溫試驗前及其它高溫處理后有2個較大的吸熱峰不同，150℃處理的樣品僅有1個吸熱峰，且峰值較低。對纖維包覆成的CDF進行爆轟性能試驗，結果表明150℃處理后的樣品抗沖擊強度嚴重下降，已不能滿足CDF的要求。

超高分子量聚乙烯纖維；高溫；CDF；DSC；XRD

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維具有耐磨、疲勞強度高、結構強度高、抗拉強度高（3.0GPa）、彈性模量高（953.0GPa）、重量輕、耐腐蝕等優異的性能[1-2]，這些優異的性能使UHMWPE能夠廣泛應用于軍事和民用領域[3-5]。有些應用環境條件非常惡劣，如在CDF（CDF）應用中時常需要面對120℃左右的高溫，然而對UHMWPE纖維在高溫環境下的熱性能和力學性能的研究較少。Medel F. 等[6]針對GUR 1050的抗壓模量下制備的UHMWPE樣品，進行120℃熱退火處理不同時間，研究了其表面結構強度的優化性能； Liron Shavit-hadar 等[7]研究了不同壓力下熔化和結晶過程對UHMWPE表面結構、結晶性能、取向排列等的影響規律。本研究對UHMWPE分別進行100 ℃、120℃、140℃和150℃的1h高溫處理，對熱處理前后的樣品分別進行掃描電鏡、DSC分析、X射線衍射分析以及爆轟性能測試，系統地研究不同高溫環境對UHMWPE熱性能和力學性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

UHMWPE從北京同益中特種纖維技術開發有限公司采購，品級：FT-113，規格：400D/180F。為研究高溫環境對纖維性能的影響，分別對纖維進行100℃、120℃、140℃和150℃高溫處理1h，1h后自然降溫至室溫。

1.2 測試與分析

采用德國Zeiss公司的掃描電鏡對樣品表面和斷面微觀結構進行了測試。采用netzsch公司的 sta 449C進行試樣的DSC分析，試驗樣本量2mg，升溫速率5℃/min，通N2保護。用英國Oxford公司的EDX進行試樣的XRD分析。

1.3 CDF制備

CDF由炸藥（HNS-II）、金屬殼（Ag）、擠塑層（聚乙烯）和纖維包覆層（聚四氟乙烯）組成，如圖1所示。

圖1 CDF結構示意圖

CDF線裝藥密度為0.36g/m，藥芯直徑為φ0.55mm，銀殼外徑為φ1mm，包覆層外徑為φ5.5mm。

2 結果與討論

2.1 SEM測試

不同溫度處理后樣品表面微觀結構見圖2，不同溫度處理后樣品斷面微觀結構見圖3。

由圖2~3可見，處理前纖維表面光滑，斷面呈層狀結構，100℃和120℃處理后纖維表面出現不同程度的溝槽和麻點，但是100℃處理后纖維的斷面仍然是較為致密的結構，而120℃處理后纖維的斷面卻呈現顆粒狀分布，140℃和150℃處理后纖維大部分已經熔化，將140℃處理后的纖維剝離，斷面仍能清晰地看到條紋狀結構，表面溝槽加深，而150℃處理后的纖維表面和斷面均已失去了原有的結構。

圖2 不同溫度處理后樣品表面微觀結構

2.2 DSC分析

圖4為不同溫度處理后樣品的DSC曲線。通過DSC分析，發現100℃、120℃和140℃處理1h后，DSC曲線仍有2個較大的吸熱峰，且2個峰值較處理前的145.5℃（折疊鏈結晶的熔融）和152.8℃（伸直鏈結晶的熔融）基本未發生變化，樣品的吸熱量隨著處理溫度的升高略有降低。而150℃處理1h后，DSC曲線僅有1個吸熱峰，且峰值較低（133.5℃），吸熱量是處理前的50%，這表明150℃處理時纖維基本已經全部熔化，失去了原有的晶體結構。

圖4 不同溫度處理后樣品的DSC曲線

2.3 XRD分析

圖5為不同溫度處理后樣品的XRD曲線。由文獻[8]可知，UHMWPE纖維在2為21.6℃、24.0℃出現（110）和（200）晶面的特征衍射峰。

圖5 不同溫度處理后樣品的XRD曲線

由圖5可知，高溫處理后衍射峰的位置基本沒有發生變化，100℃和120℃處理后樣品衍射峰的大小也基本未發生變化，而140℃和150℃處理后樣品衍射峰值明顯降低。這是由于高溫使UHMWPE纖維晶區熔化，晶面相對強度降低所致。

2.4 CDF抗沖擊性能

為了研究高溫環境對CDF UHMWPE包覆層抗沖擊強度的影響，對CDF（裝藥HNS-II）進行120℃、140℃、150℃高溫處理1h，1h后自然降溫至室溫。對處理前后的CDF進行爆轟性能試驗，每種試樣為10發，采用8#軍用雷管起爆。試驗后120℃和140℃處理后的產品包覆層結構完整，而150℃處理后的產品包覆層被炸穿，如圖6所示。

圖6 不同溫度處理樣品爆轟后狀態

分析認為，雖然140℃處理后纖維部分熔化，晶體結構已經發生改變，但是斷面形貌結構仍基本能夠維持，纖維包覆層的抗沖擊強度仍高于CDF爆轟波的沖擊能力，因此纖維包覆層仍能夠保持完整性。而150℃處理后纖維基本已完全熔化，表面和斷面形貌均已不復存在，晶面強度明顯降低，抗沖擊性能嚴重降低，以致于不能抵抗沖擊波的沖擊作用。

3 結論

本文對不同溫度環境下UHMWPE的SEM、DSC和XRD進行了分析。100℃和120℃處理后纖維的表面和斷面仍能保持原有的致密結構，而140℃處理后纖維表面已呈熔融狀態，斷面仍呈現清晰的層狀結構，150℃處理后纖維表面和斷面均已呈熔融狀態，XRD衍射峰明顯降低，DSC曲線也僅有1個峰值較低的吸熱峰。這是由于高溫環境使纖維晶區熔化，纖維晶區的熔化直接導致了150℃高溫處理后的CDF纖維包覆層不能抵抗沖擊波的沖擊作用，爆轟試驗中出現穿孔。

[1] Sui G, Zhong WH, Ren X, Wang XQ, Yang XP. Structure, me-chanical properties and friction behavior of UHMWPE/HDPE/ carbon nanofibers[J].Mater Chem Phys,2009(115):404 -12.

[2] Marissen R. Design with ultra strong polyethylene fibers[J]. Materials Sciences and Applications, 2011, 02(5):319-330.

[3] Jacobs O, Kazanci M, Cohn D, Marom G. Creep and wear behaviour of ethylene–butene copolymers reinforced by ultra-high molecular weight polyethylene fibres[J].Wear, 2002, 253 (5-6):618-625.

[4] Ratner S, Pegoretti A, Migliaresi C, Weinberg A, Marom G. Relaxation processes and fatigue behavior of crosslinked UHMWPE fiber compacts[J]. Composite Science Technology, 2005,65(1):87-94.

[5] Huang W,Wang Y,Yuanming X. Statistical dynamic tensile streng- th of UHMWPE-fibers[J].Polymer,2004,45(11):3 729-3 734.

[6] Medel F, Gomez-Barrena E, Garcia-Alvarez F, etl. Fracto- graphy evolution in accelerated aging of UHMWPE after gamma irradiation in air[J]. Biomaterials,2004(25):9-21.

[7] Liron S, Dmitry M.R, Rafail K, etl. Compacted UHMWPE fiber composites: morphology and X-ray microdiffraction experiments[J]. Journal of Polymer Science: Part B: Ploymer Physics,2007(45):1 535-1 541.

[8] Jacobs O, Mentz N, Poeppel A, Schulte K. Sliding wear werformance of HD-PE reinforced by continuous UHMWPE fibres wear[J].Wear, 2000(244):20-28.

Study on the Impact-resistance Strength of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber under High Temperature

LI Yi, ZHOU Qing, HE Si-min, WANG Yao, ZHANG Long

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900)

In order to investigate the effect of high temperature annealing process on the thermal property and impact-resistance strength of ultrahigh molecular weight polyethylene(UHMWPE) fibers, various characterizations were performed for the UHMWPE annealed under different high temperatures for 1h. The scanning electron microscope results indicated that the UHMWPE was fully melt and the surface and cross section structure was destroyed by heating at temperature of 150°C, the differential scanning calorimetry and X-ray diffraction characterization indicated that both the thermal stability and strength of the crystal plane of UHMWPE fibers were reduced after the high temperature treatment of 150°C. Moreover, the detonation properties of confused detonating fuse coated by UHMWPE were tested, the test result showed that the impact-resistance strength of samples heated at 150°C decreased obviously, which is very important for the practical application of confused detonating fuse.

Ultrahigh molecular weight polyethylene；High temperature；Confused detonating fuse；DSC；XRD

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.014

1003-1480（2020）01-0055-03

2019-11-20

李藝（1977 -），女，碩士研究生，主要從事沖擊片雷管設計與試驗研究。