高性能自增強聚乙烯復合材料的研究進展

成惠斌，錢慶榮，陳建福

1. 福建師范大學環境科學與工程學院，福州 350007；2. 福建納川管材科技股份有限公司，福建泉州 362801

聚乙烯是世界上用量最大的五大通用塑料之一，原材料造價低，資源豐富，且年均增長率高達3%～5%，被廣泛應用于軍事、汽車制造、船舶制造、醫療機械、體育運動器材等領域。近年來，航空工業、國防尖端工業等高新科技領域的發展對高強度、高模量、功能化、輕質聚合物材料提出了更高性能要求，特定性能的高模量高強度聚合物的研制越來越迫切。聚乙烯力學強度低、收縮率大、耐熱性及熱變形溫度低等缺點，極大地限制了其作為高性能化結構-功能復合材料的應用。為解決多組分雜化聚乙烯復合材料使用過后的性能劣化、回收利用價值低及分離過程復雜這一難題，可采用聚合物的自增強技術，利用各組分的化學相似性進行設計加工原料配方，各組分之間進行協同增強，同時原料組分的相似性給復合材料的回收再循環利用帶來便利，為聚合物資源綠色循環利用提供了新的思路。因此，高性能超高分子量聚乙烯纖維自增強技術可被認為是聚合物資源從加工原料到最終產品閉環生態化設計及高性能化設計的重要手段，采用聚合物纖維自增強技術改性聚合物復合材料，發揮材料自身的最大潛力，越來越受到了國內外高分子材料領域研究工作者的重視，更符合當前新時代全球環境友好型材料設計的可持續性發展潮流[1]。

1 聚合物自增強技術概述

1.1 聚合物自增強成型加工

聚合物的自增強又稱內增強，是通過物理方法來控制材料的結晶形態，常采用構造剛性結構或伸展鏈晶體結構作為材料的增強相，從而提高材料的力學性能。聚合物自增強技術是指在聚合物加工過程中，通過特殊的成型方法改變聚合物的凝聚態結構，在材料內部形成增強相，從而使聚合物材料得到內在的增強效應。自增強材料內部大分子沿應力方向有序排列，在化學鍵能一定的情況下，材料的宏觀強度得到大幅度提高，同時分子鏈的有序排列使結晶度提高，從而使材料的強度進一步提高。因此，獲得聚乙烯自增強復合材料的方法主要有超級拉伸、固相等靜壓擠出、控制熔相結晶等，概括起來，柔性鏈聚烯烴的自增強技術有固態形變與熔體形變兩類方法：1)固相形變法，即在很大的形變作用下，使材料內部的分子高度取向。該技術的核心關鍵是如何使高分子材料包括結晶材料和無定形材料產生很大程度的塑性變形。例如凝膠紡絲-超拉伸、口模牽伸、固相等靜壓擠出、輥壓、滾壓成型等，使高分子材料產生很大的塑性變形(晶區與非晶區)，實現材料內部的分子高度取向； 這種方法在纖維的加工過程中廣泛使用。2)熔體加工法(熔體形變法)，主要是通過對高分子熔體或溶液施加物理場(拉伸或剪切力場)產生一種內部形成沿外力場方向有序排列的較為規整的結構—伸展鏈結構，再通過設法將這種伸展鏈結構固定，固定過程通常與結晶行為密切相關，生成的晶體形狀對增強效果影響較大，一般生成伸直鏈晶體或串晶[1-4]。

為了在滿足使用壓力條件下使聚乙烯管材具有更小壁厚及更大輸送截面，從分子設計及聚合技術角度開發具有更高耐壓等級聚乙烯管材產品，極具挑戰性。通過對聚合物凝聚態結構控制，可以提升制品的結晶性能，進而提升制品的耐壓性能以及長期使用性能。因此，利用形態控制理論、發展聚合物加工新方法以調控材料分子聚集態結構，將成為實現聚乙烯原料性能最大化及提升管材性能的更為簡便、有效的手段。取向自增強是應用特殊的成型方法改變聚合物的聚集態結構，使聚合物材料內部大分子沿一定方向有序排列，充分發揮分子鏈本身共價鍵所決定的高強度; 同時分子鏈的有序排列使結晶度增大，其強度進一步提高，獲得材料內在增強效應，且不存在共混、填充改性等外增強方法產生的界面問題[1,5]。

1.2 聚合物自增強的機理

1.3 聚合物自增強的優勢

聚合物自增強技術是近年發展起來的一種新的材料制備技術，能充分利用高分子材料自身潛力，調控其高分子內部的凝聚態結構，形成內在的增強相結構，是提高聚合物材料力學性能的新途徑。聚合物自增強的增強相是在外加應力場剪切或拉伸的作用下通過物理方法而產生的，只是改變了聚合物分子鏈的取向結構或凝聚態結構，而材料本身化學組分相似性并沒有發生改變，增強相與基體相具有完全相同的分子結構，所以增強相與基體相之間并不存在陌生介質增強材料中普遍存在的界面問題。基體和增強材料完全相容，具有較好的界面相互作用力。與外增強傳統復合材料相比。從增強效果上來看，自增強高分子材料比外增強高分子材料表現出更優異的比強度、比剛度 、更高的沖擊韌性和耐化學藥物性、熱脹系數小和尺寸穩定性高[1-6]。與無機、有機納米纖維及增強型納米填料進行外增強的聚合物復合材料相比，自增強聚合物復合材料的密度低，在重量比應用上有很大優勢。此外，自增強聚合物復合材料成型加工時僅使用一種聚合物或者化學相似性的全聚合物類型復合定制成自增強材料，可獲得良好相界面的浸潤和粘結，提高材料的力學性能和使用性能，延長產品的服役壽命。同時，由于組分的化學相似性也便于復合材料的回收再利用，具有較高的可回收性，通過加熱熔解或再次成型加工的手段實現了自增強聚乙烯復合材料熱回收，不需要分離纖維和基體相就可以很好回收利用[6-7]。

1.4 聚合物自增強的應用

近年來，柔性鏈高聚物的高強度高模量纖維和薄膜研究取得了突破性的進展。自增強材料應用得最多的領域是在纖維的生產方面，由于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的超高強度纖維具有許多優越性能，已視為向碳纖、Kevlar纖維挑戰的新一代纖維。超高分子量聚乙烯通過凝膠紡絲和熱拉伸法或固體擠出和超拉伸法能得到接近理論值的拉伸模量和很高的抗張強度，出現了一批具有高強高模的纖維制品，從而引起高分子材料科學工作者極大關注和興趣。自增強對于結晶型、半結晶型或者是無定型的聚合物均有效，可廣泛應用于各種熱塑性聚合物，加工適用范圍廣，如常見可用于自增強的聚合物有: 聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE) 、聚丙烯(PP) 、聚苯乙烯(PS) 、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。上述聚合物中聚乙烯是生活中最廣泛應用的材料之一，有研究表明，聚乙烯自增強材料已在纖維、薄膜等的生產中得到廣泛的應用，也有用于各種板材、棒材、片材、管材和各種異型材的生產。自增強材料應用領域在塑料管道的生產方面，實現管材自增強的方法主要有：口模拉伸成型法、錐形管拉伸擴張成型法、旋轉擠出成型法、真空成型法、壓縮空氣成型法、高壓水成型等。塑料管材自增強的方法主要是拉伸擴張法。拉伸體現在管材的軸向，在牽引力和一定的速度差的作用下，管材在軸向實現拉伸。擴張是指管材在外應力作用下直徑變大實現周向擴張，通過自增強加工的管材軸向和周向性能都有所提高。拉伸擴張可分為擠出機外拉伸擴張(機外自增強)和擠出機內拉伸擴張(機內自增強)[8-10]。

2 自增強加工工藝-串晶結構-力學性能三者的相關性

開發性價比高、高性能、循環再利用的聚乙烯自增強復合材料，可減少聚合物資源浪費，延長其使用壽命，解決大量混雜廢棄塑料制品造成的環境污染，保護大自然，構建綠色生活、綠色產品和綠色社會，符合環境友好型高分子新材料可持續發展的理念[11]。聚乙烯自增強材料的制備、性能及應用代表新興的復合材料家族，研究學者對其shish-kebab晶體自增強結構進行了大量的研究。根據其組成成分分為單組分相、多組分相；根據增強相在基體的空間排列維度分為一維、二維和三維；根據制備方法分為原位一步成型和非原位兩步成型。

而對于半結晶型聚乙烯的自增強而言，半結晶聚合物在靜態結晶生成球晶，在較弱的流動場下生成取向結構，而在強烈的剪切或拉伸場中往往形成shish-kebab結構，由各向同性的球晶變為高度取向的shish-kebab結晶，可以大幅度提高聚合物的強度和剛度，減小滲透性。取向結構分為2種，分別是分子取向和晶粒取向。聚乙烯為半結晶型聚合物，其組成為無定型部分、過渡區和結晶部分(球晶)，拉伸開始階段首先是無定型區發生形變，區域內的分子發生滑移、伸展，沿應力方向有序性逐漸增加，形成取向結構，隨著拉伸地進行無定型區形變程度逐漸增大，分子的取向程度也逐漸增大，到一定程度時結晶區域的球晶開始變形，最終球晶破裂形成片晶，片晶在應力場中也會發生取向形成晶片取向結構，隨著拉伸程度進一步增大，片晶也會被拉開形成伸直鏈晶體，結晶結構由球晶逐漸轉化為伸直鏈結晶。理想情況下聚合物分子在完全剛直取向時，其力學性能才會達到理論值，但是實際情況難以得到完全取向剛直結構，所以材料的性能很難達到理論值。通常情況下，聚乙烯自增強材料的性能遠遠優于二元或三元熔融共混UHMWPE/HDPE共混物和大多數無機填料/聚乙烯納米復合材料。優異的聚乙烯自增強復合材料的性能是在注射成型過程中，由流動誘導結晶形成的超強伸直鏈UHMWPE的耗能連接分子鏈和shish-kebab纖維狀超級結構的共存作用形成的。因此，聚乙烯自增強復合材料又具備大多數熱塑性塑料所不能比擬的耐熱性和力學性能，此外對聚乙烯自增強材料的制備及性能廣泛在學術界和工業界進行了大量的shish-kebab結構及取向片晶結構的研究。目前大多數半結晶聚乙烯自增強效果的獲得，是通過特殊的加工設備進行熔融體加工，使熔融體在伸展流動中， 受到正應力和切應力的綜合作用， 正應力可使伸直鏈高分子沿正應力方向取向，并產生應力誘導結晶形成伸直鏈晶， 起自增強作用， 而切應力使長鏈高分子沿切應力方向折疊形成折疊鏈晶，微晶聚集體結合形成串晶并分散在聚合物纏結網本體中，制備得自增強聚乙烯復合材料。剪切誘導shish-kebab的形成機理以及shish-kebab的精細微觀結構、分子組成已被廣泛研究多年。大量的研究證明，利用注射成型工藝中通過“熔融操作”策略得到的自增強聚烯烴shish-kebab結構，普遍被認為是從基礎到應用提高制品使用性能的便捷途徑[12]。

WANG等[13]從理論認識、制備工藝、結構/形態控制和宏觀力學性能等方面綜合考慮，也對注塑成型試樣中shish-kebab超級結構的調控方法進行了系統的綜述。主要討論在注射成型過程中采用“熔融操作”策略促進形成的精細聚烯烴shish-kebab超級結構。綜述了一系列的基礎研究、熔體操作的注射成型、對shish-kebab的調控、宏觀力學性能。闡明了對shish-kebab結晶早期狀態、從隨機纏結鏈網絡到穩定的圓柱體shish-kebab轉變過程的基本認識，以及長鏈聚合物在shish-kebab形成過程中的作用，這些研究都有助于在現實加工中深入理解剪切誘導的shish-kebab結構。在聚烯烴熔體的注塑成型棒材中，展現了具有各種高度取向形態的精細shish-kebab超級結構。包括單組分聚烯烴熔體、共混雙相熔體和非均相熔體的聚烯烴/無機填料復合材料均可通過“熔融操作”策略來實現。

HOFMANN等[14]采用原位形成的伸直鏈UHMWPE纖維結構增強全聚乙烯復合材料，同時提高韌性/剛度/強度的平衡關系。研究通過HDPE與具有超寬范圍的雙峰分子量分布的納米聚乙烯反應共混共混物(RB)進行熔融共混很容易定制。與傳統的自增強聚乙烯復合材料(PE-SRC)相比，不需要特殊的加工方法、不經濟的加工條件、較長的循環時間或三位點聚合催化，展現出更特有的工業化應用優勢。研究通過改變HDPE和RB的混合比例，PE-SRC的性能也可以很容易得到調控，而類似的最先進的PE-SRC則需要設計多位點官能團催化劑體系，其中不同催化位點的比例決定了催化劑的形態和力學性能。因此，HDPE 與 RB助劑熔融復合代替普通HDPE轉化為高性能全聚乙烯復合材料是極具吸引力的途徑。此外，基于RB的全聚合復合技術遠遠超出了目前聚烯烴發展的局限，為定制下一代可持續輕質工程塑料提供了誘人的新前景，展現了成本、能源、生態、資源效率與低碳足跡和便利回收的誘人融合優勢。

UHMWPE是目前應用最廣泛的高性能熱塑性聚合物之一， UHMWPE因其良好的韌性、抗疲勞性和生物相容性，一直被用作全膝關節和髖關節置換術的承載面。盡管有這些優點，由UHMWPE磨損碎片引起的骨溶解是導致全關節置換術長期失敗的主要原因。為了改善UHMWPE的力學性能和摩擦學性能，可采用交聯、表面改性，及開發納米無機填料/聚合物復合材料等多種方法。近年來，自增強已被證明是提高聚合物力學性能的有效途徑，因此幾十年來國內外許多研究者開展了大量的研究，通過成型工藝調控形成不同的結構制備自增強復合材料，期望應用于人工關節置換領域[15-16]。

1978年12月，黨的十一屆三中全會拉開了我國改革開放的序幕，同年十一月份，當時的國家物資總局組織有關部門和地方領導赴日本考察，首次將物流的概念引入國內。

下面將對采用不同特殊成型工藝制備的聚乙烯自增強材料進行逐一討論工藝調控與結構性能的相關性，為將來設計高性能可回收再利用的聚合物成型技術提供理論支撐。

2.1 熱壓成型UHMWPE纖維-聚乙烯自增強復合材料

LIU等[17]將高強度、高模量超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)加入到超高分子量聚乙烯粉末中，通過熱壓工藝制備了一系列纖維-UHMWPE自增強復合材料。研究了纖維的長度和含量對纖維-UHMWPE自增強復合材料的摩擦磨損行為，結果發現，纖維-UHMWPE復合材料的摩擦系數低于純UHMWPE，長纖維含量為50%的自增強復合材料的摩擦系數最小為0.25，磨損率也最低；純UHMWPE的摩擦磨損機制主要是粘著磨損，有小尺寸的磨屑碎片，而纖維-UHMWPE復合材料磨損行為是疲勞磨損，短纖維增強復合材料比長纖維增強復合材料表面產生了更多的疲勞裂紋，在滑動過程中形成了較大的磨屑碎片。純UHMWPE的磨屑尺寸小于纖維/UHMWPE復合材料的磨屑尺寸，有利于人工關節的使用壽命。

CHUKOV等[18]采用壓縮成型的方法制備UHMWPE自增強復合材料，對超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維和各向同性UHMWPE纖維的自增強復合材料進行了對比分析，制備方法見圖1。研究表明，模壓成型方法僅導致纖維表面部分熔融，并促進了良好的界面附著力，而纖維芯部保持了高度定向。同時與各向同性聚乙烯相比，這種纖維高度取向結構的形成顯著提高了自增強復合材料的力學性能。

圖1 自增強UHMWPE復合材料的制備示意圖

杜增鋒等[19]以 PE-UHMW 纖維為增強體，低密度聚乙烯(PE-LD) 薄膜為基體，以自增強的方式，利用相似相容的原理，通過熱壓制備PE-LD/PE-UHMW 復合材料， 以期提高基體與纖維之間的粘結性。另外，以PE-UHMW 纖維為增強體、PE-LD 薄膜為基體制備的復合材料回收時無需將兩種物質分離，可以直接加工利用，是一種復合環保要求的材料。

2.2 注塑成型UHMWPE自增強復合材料

XU[20]和HUANG等[21-22]進行了一系列關于人工關節用振蕩剪切注射成型(OSIM)自增強聚乙烯復合材料的研究得出，在不犧牲UHMWPE原有的良好磨損和疲勞性能條件下，一種實現高性能注塑自增強超高分子量聚乙烯(UHMWPE)/超低分子量聚乙烯(ULMWPE)或低分子量聚乙烯(LMWPE)共混物的簡單方法。該研究中將2%含量長鏈的UHMWPE與LMWPE或ULMWPE溶液共混得到流動性良好、分子水平上緊密混合的聚乙烯共混物，再將上述所得聚乙烯共混物用作母料，母料與UHMWPE粉末在雙螺桿擠出機中進行熔融混合，得到含40% UHMWPE的顆粒試樣，然后采用振蕩剪切注射成型(OSIM)自增強聚乙烯復合材料。微觀形貌觀察發現，振蕩剪切注射成型聚乙烯共混物含有互鎖的shish-kebab自增強結構。力學性能結果表明，OSIM聚乙烯共混物的優異力學性能源于形成了大量互鎖的shish-kebab自增強結構，同時保持了UHMWPE獨特的性能，該結構的出現有效地提高了人工關節植入體材料的力學性能，使該材料具備了作為人工關節植入體材料的潛能。

HUANG等通過交聯和結構調控同時提高超高分子量聚乙烯的耐磨性和力學性能。通過在UHMWPE熔體加工前進行UHMWPE的交聯，隨后進行結構調控制備力學性能和耐磨性同時提升的UHMWPE軸承。耐磨性的提升是因在剪切流動可控的情況下，形成了大量的自增強取向層；力學性能顯著提高，彌補了交聯導致的力學性能損失，特別是屈服強度和極限抗拉強度顯著提高。該研究為制造高性能UHMWPE軸承開辟了全新的思路，使其能夠在高壓力下應用。圖2為注塑成型交聯UHMWPE復合材料及未交聯UHMWPE復合材料的熔融狀態(a)和晶體結構(b)的示意圖，表明了熔體注塑成型交聯UHMWPE材料的自增強機制。

HUANG等[23]通過單活性位點Ziegler-Natta催化劑合成的高線性低纏結的UHMWPE材料，在線性解纏超高分子量聚乙烯中不添加任何流動改進劑的情況下，成功地進行了熔體注射成型和結構調控。在注塑保壓成型過程中，UHMWPE固有的低纏結性為熔體注射成型提供了足夠的黏度，通過利用強剪切流場進行微觀結構調控，發現在高線性低纏結UHMWPE基體中產生了大量的自增強結構，即shish-kebabs和取向片晶，如圖3所示。過密的串使得外延的串結構相互滲透結果是互鎖shish-kebabs結構的出現，自增強結構消除了熔合結構缺陷，明顯提高了結晶度，力學性能得到大幅提升，特別是屈服強度和抗拉強度。

圖2 注塑成型交聯UHMWPE復合材料及未交聯UHMWPE復合材料的熔融狀態(a)和晶體結構(b)的示意圖

圖3 利用強剪切流場進行微觀結構調控在高線性低纏結UHMWPE基體中產生了大量的自增強結構(shish-kebabs和取向片晶)

2.3 注塑成型高密度聚乙烯自增強復合材料

ZHANG等[24]通過采用振蕩保壓注射成型制備了一系列高密度聚乙烯(HDPE)與低密度聚乙烯(LDPE)自增強共混物的研究，結果表明，與自增強的純HDPE相比，聚乙烯共混物改善HDPE的韌性，同時振蕩保壓注射成型過程中又大大提高了HDPE的拉伸強度和模量，實現了注塑成型進行結構調控來制備高密度聚乙烯自增強復合材料。

CAO等[25]用自制動態保壓注射成型機在剪切應力場作用下，引入9%高分子量聚乙烯(HMWPE)、低分子量聚乙烯(LMWPE)與高密度聚乙烯(HDPE)進行共混，研究了自交聯HDPE的力學性能和晶體形貌。得出動態試樣的抗拉強度提高到112.1 MPa，是靜態保壓注射成型(SPIM)試樣(23.1 MPa)的4.85倍，實現了聚乙烯的自增強；同時也發現了動態試樣中shish-kebab結構的形成，說明了shish-kebab結構的形成機制和力學性能提高的原因。

LI等[26-28]在注射和保持壓力階段，對注射腔內的熔體施加脈沖壓力，該成型技術被稱為振動輔助注射(VAIM)技術，并采用低頻VAIM法進行了一系列自增強高密度聚乙烯制備與性能的研究。探討了加工條件中振動變量(頻率和振幅)對注射成型高密度聚乙烯力學性能和熱軟化溫度的影響。研究發現，對用VAIM加工的試樣，通過改變振動頻率和振動壓力幅值可以很好地改善其力學性能。與常規注塑成型的試樣相比，VAIM加工的試樣最大屈服強度和楊氏模量提高了2倍，熱軟化溫度提升了10 ℃；采用掃描電鏡(SEM)、差示掃描量熱法(DSC)、廣角X射線衍射(WAXD)等方法對常規注射成型(CIM)和低頻VAIM制備的自增強高密度聚乙烯(HDPE)的微觀結構進行了研究。結果表明，經高錳酸鹽蝕刻后的SEM顯微照片顯示，HDPE的自增強主要是由于VAIM加工的HDPE試樣的核心區域內存在Shish-kebab的形態，WAXD數據證實了分子的排列，DSC也證明結晶度提高了9%，優先的分子取向和增加的結晶度都歸因于特殊的VAIM-注塑成型工藝；利用振動輔助注射法制備了雙軸向自增強HDPE試樣，研究了振動加工條件對自增強HDPE的力學性能影響。通過改變振動頻率和振動壓力幅值，發現可以同時改善縱向方向(MD)和橫向方向(TD)的拉伸性能。在恒定的低振動壓力幅值下加工， 隨著振動頻率增大，斷裂伸長率逐漸增加；在恒定的低振動頻率下，隨著振動壓力幅值的增大，屈服強度逐漸增大。與傳統注射成型(CIM)試樣相比，VAIM試樣的軟化點溫度增加了8 ℃。

WANG等[29]在注射成型過程中施加強剪切流來進行調控HA/HDPE生物復合材料的微觀結構，成功制備了具有剪切誘導形成互鎖的shish-kebab 自增強超級結構的羥基磷灰石/聚乙烯骨模擬生物復合材料，獲得與天然骨相似度極高的仿生結構和各向異性優異的力學性能，證明了該結構的HA/HDPE生物復合材料在高負荷骨科應用中有很大的應用前景。

LU等[30]采用共注射成型工藝成功地獲得了共注射成型自增強單一聚合物復合材料(CI-SRCs)零件，研究了不同注射成型參數制備的自增強復合材料的結構與性能。研究發現，熔體溫度是決定零件微觀形貌的決定性因素，CI-SRCs零件的結晶度與熔體溫度梯度呈正相關；其拉伸性能與結晶度的變化呈負相關，使分子鏈取向并能快速保存是提高零件力學性能的關鍵因素；低溫和低速可以改善CI-SRCs零件的分子取向，分子取向的改變與CI-SRCs材料的拉伸性能呈正相關。同時通過響應面法，總結出分子取向是影響CI-SRCs零件性能的決定性因素，建立了成型參數、微觀結構和力學性能之間的無量綱化方程，實現了基于微觀形貌對CI-SRCs零件力學性能的預測，為CI-SRCs零件性能的“可調控性”提供了理論支持。

2.4 連續擠出聚乙烯自增強材料

HUANG等[31]對自增強高密度聚乙烯(HDPE)在口模壓力30～60 MPa下連續擠出片材的流動誘導結晶進行了研究。結果表明，當熔體接近收斂流道出口時，拉伸應變速率突然增加，導致了更高的結晶速率。因此，在控制流道出口正前方實現分子鏈的結晶可能有利于在較低壓力下擠出高性能的本體高分子材料，在40 MPa壓力下，自增強HDPE板材的抗拉強度提高了8倍。

黃漢雄等[32-35]針對熔體形變自增強要求在很窄的溫度范圍內進行，研究難度極高等問題。率先對熔體連續擠出自增強進行研究，同時應用 SEM、 DSC與拉伸測試等表征手段，研究了機頭壓力與機頭出口溫度對HDPE熔體連續擠出自增強試樣(片材)結構與性能的影響。研究結果表明，熔體溫度是影響熔體連續擠出自增強效果的重要參數，在較低擠出壓力 (40 MPa或更低)下也可取得相當好的增強效果，可以制備具有高性能的聚乙烯材料，該方法被認為是工業化的技術關鍵之一。該研究在國內外首次把聚合物的熔體連續擠出自增強及熔體在收斂流道內的速度與延伸應變速率的分布規律聯系起來進行研究。另采用可視化實驗觀測與理論分析相結合的方法，揭示了楔形收斂流道內與聚合物熔體擠出自增強緊密相關的流場參數(速度與延伸應變速率)的變化規律。接近收斂流道出口端的很窄范圍內，熔體所受的延伸應變速率隨流向而迅速增大,因而取向分子鏈最易于結晶。在流場研究的基礎上，采用普通擠出設備并通過控制擠出壓力與熔體溫度，成功地實現了熔體的連續擠出自增強。

陳軍等[36]采用楔形收斂流道擠出口模，通過控制擠出成型工藝在近熔點狀態下在收斂流道模具連續擠出自增強聚乙烯，獲得了聚乙烯自增強片材。研究加工工藝條件與聚合物自增強試樣強度、形態結構之間的關系， 以及自增強試樣成型的最佳工藝參數及工藝窗口，并對單向拉伸流動場中聚合物自增強機理進行了初步分析，為聚合物自增強的工業化提供基礎數據。研究結果表明，聚乙烯自增強片材連續擠出成型存在成型溫度窗口，在此成型溫度窗口內，聚乙烯自增強連續擠出片材在平行于拉伸方向可以形成大量排列有序、取向程度很高的微纖結構，這些微纖結構構成為片材的增強相， 賦予片材以極高的縱向強度。

3 結語與展望

1)自增強單一聚合物復合材料(SRCs)是通過將具有不同性能的同一類型聚合物復合成一體化的增強材料，具有高比強度、無界面非均質性、易于回收利用等優點。其制備需要更好地理解SRCs微觀結構和宏觀力學性能之間的關系。目前制備自增強聚乙烯復合材料存在問題：a)UHMWPE纖維表面呈非極性且浸潤性差，表面改性處理都會對纖維造成損傷、造成自增強聚乙烯復合材料性能劣化，需要采用綠色環境友好型表面改性技術對纖維進行表面修飾改性。b)UHMWPE纖維增強聚乙烯復合材料，纖維與基體存在表界面問題，采用單一的模壓成型、傳統的螺桿擠出機工藝無法制備高性能自增強聚乙烯復合材料，需要通過采用高分子結構設計的形貌學和特殊成型工藝相結合的手段來制備高強度高模量自增強聚乙烯材料。c)目前在高性能聚乙烯合成方面，主要采用雙反應器合成具有雙峰結構的聚乙烯。而與以不同分子量聚乙烯摻混改性的方法制備雙峰高性能自增強聚乙烯具有異曲同工之妙，是一種經濟、實用和增強效果較好的方法。d)針對商用UHMWPE的熔體加工因其眾多的長鏈纏結而產生極高的熔體黏度，仍然是一個難以克服的瓶頸，需要采用新型的專用UHMWPE成型加工設備或研發新型的解纏結助劑來制備高性能聚乙烯復合材料。

2)在未來，通用型聚乙烯材料的改性仍將是拓寬通用塑料使用范圍的主要手段，主要方向為：a)輕量化：隨著新能源汽車的快速發展，汽車輕量化的要求更加迫切。汽車輕量化為改性塑料行業帶來了新的機遇，改性塑料不僅可以減輕汽車的自身重量，降低汽車生產企業成本，而且能夠提高汽車的整體性能。b)通用塑料工程化及多功能化：工程化、多功能化的產生是為了拓寬改性塑料的應用范圍，通用塑料采用低熱能的塑料進行填充、超臨界發泡，提高了塑料的力學性能、阻燃性能、導電性能及導熱性能等。聚乙烯材料進行工程化，可大大提高熱塑工程塑料的使用性能，降低熱塑材料的生產成本，提高經濟效益、社會效益和環境效益。c)塑料合金化：新型塑料加工技術的發展使塑料性能得到大幅提高，特別是阻燃性和耐溫性能。d)納米化：隨著納米技術的出現，借助納米技術可以改良改性塑料的使用性能，拓展改性塑料的應用范圍。研制高性能自增強聚乙烯，建立綠色的循壞利用產業鏈仍然存在很大的升值空間，中國作為全球最大的合成樹脂生產和消費國，可在高性能聚乙烯材料的閉環生產、高質化、高值化循環利用技術及環境友好型研發方向深入進行基礎研究，進一步推動高分子材料全產業鏈可持續聯動發展。