碳酸鈣對超高分子質量聚乙烯改性的研究

秦建華 董明青 彭濤

摘要：超高分子質量聚乙烯（UHMWPE）是指相對分子質量大于150萬線性的聚乙烯，具有耐沖擊、耐磨損、耐化學腐蝕、自潤滑性、無毒性以及良好的耐低溫性。但是UHMWPE的耐熱性差，文章通過碳酸鈣對UHMWPE填料改性，改善了UHMWPE型材維卡軟化溫度和力學性能。

關鍵詞：超高分子質量；聚乙烯；改性

超高分子質量聚乙烯（UHMWPE）是指相對分子質量大于150萬的線性聚乙烯。最早于1958年由德國的赫斯特公司于開發研制成功和實現工業化生產。目前日本、德國生產UHMWPE相對分子質量已達到1000萬以上，目前國內也可達到600萬以上。UHMWPE綜合了所有塑料的優越性能，具有耐沖擊、耐磨損、耐化學腐蝕、自潤滑性、無毒性、耐低溫性。該材料廣泛應用于化工、紡織、醫學、建筑、冶金、礦業、水利、煤炭、電力等領域，但是UHMWPE耐熱性能差，應用范圍受限，因此需要對UHMWPE進行耐高溫改改研究。

1 改性的UHWMPE型材試樣的制備

本次填料與UHMWPE原料的混合比例分別是0%，10%，20%，30%，40%，對5組不同比例材料加工。

先干燥所需材料，按照混合比例稱重、混合、研磨，使得材料混合均勻，加入適量的無水乙醇。將準備好的材料放入模具型腔中填充緊實，清理型腔外沿余量材料。將整理好的模板放入壓力成型機的上下模具之間，閉合模具，在20 MPa加壓下保持10分鐘后，在模壓機上以250℃的溫度保持30分鐘，成型固化，然后冷卻，制成所需型材。

對制得的5組不同混合比例為填料的UHMWPE改性型材，按照維卡軟化溫度試驗標準、拉伸試驗標準以及缺口沖擊試驗標準制作試驗所需的試樣，進行維卡軟化溫度測量和力學性能試驗。因為混合比例在40%時，填料比例較高，制成的試樣，在經過模壓成型加工后，材料質地疏松，也未被充分塑化，由于UHMWPE耐高溫改性研究的目的是提高耐熱性能，擴大UHMWPE應用范圍，故在采集數據與分析中，不考慮填充比例為40%組的數據。

2 改性的UHMWPE型材維卡軟化溫度測量

維卡軟化溫度是將熱塑性塑料放于液體傳熱介質中，在一定的負荷和一定的等速升溫條件下，試樣被1的壓針頭壓入1 mm時的溫度，對應的國標是GB/T 1633—2000。維卡軟化溫度測定儀采用XWY—3004。按照GB/T 1633—2000為標準，試驗負載4 kg，升溫速率120℃/60 min。試樣要求厚度是3～6 mm，長度要求10 mm以上。

測量操作步驟：（1）把試樣放在支架上，用壓頭固定。（2）壓頭距離試驗試樣邊大于3 mm，溫度計和試樣垂直間距在3 mm左右，溫度計不能觸及試樣。（3）操控設備使支架和試樣緩漫浸入介質，保證測量表面低于介質液面40 mm左右。（4）加上4 kg試驗負載，開啟試驗設備，在5分鐘之后調零，接著等速加熱升溫。（5）在壓針壓入量達到1 mm時，記下溫度計的值，該值就是維卡軟化溫度。

通過測量得到填料改性的UHMWPE材料的維卡軟化溫度數值如表1所示。

從表1可以得出，加入不同比例的，對UHMWPE維卡軟化溫度有較大的影響。實驗測得純UHMWPE的維卡軟化溫度79℃。

在混合比例為10%時，改性的UHMWPE材料的維卡軟化溫度提高非常明顯，大約為30℃，隨著混合比例的增加，維卡軟化溫度保持上升趨勢，但上升的速率變小，如圖1所示。

3改性的UHWMPE型材力學性能測量

3.1拉伸性能測量

根據GB/T 1040.1—2006對改性后的型材進行拉伸強度測試，制備試樣采用熱沖裁方法成型，試驗速度為100 mm/min。對不同混合比例填料改性的UHMWPE試樣進行拉伸試驗，記錄下數據，計算得到拉伸強度和斷裂伸長率如表2所示。

由表2可以得到其變化趨勢如圖2～3所示。

從圖2可以看出，和UHMWPE的混合比例對UHMWPE型材的拉伸性能有不同程度的影響。在3種不同混合比例填料改性的UHMWPE拉伸試驗中，純UHMWPE的拉伸強度為13.466MPa，隨和UHMWPE混合比例的提高，UHMWPE改性后型材拉伸強度先升高后降低，在混合比例為0到10%范圍時，UHMWPE的拉伸強度增加，在混合比例為10%時，拉伸強度達到最大值；當混合比例在10%～20%范圍時，拉伸強度有明顯的下降，當混合比例在20%～30%范圍時，材料拉伸強度下降趨勢變緩。

從圖3可以看出，純UHMWPE型材的斷裂伸長率為102.344%，在UHMWPE添加改性后的型材斷裂伸長率出現下降。在填料混合比例小于10%時，UHMWPE經過改性后的型材拉伸強度提高，可能原因是和UHMWPE界面結合較好，在材料中產生物理交聯點的效果。在受到外力作用時，復合材料承受外力作用的面積比較大，進而提高了改性后型材的拉伸強度。在和UHMWPE的混合比例大于10%后，粒子開始團聚，粒徑反而增大，使分散不均勻，所以拉伸強度出現降低。

改性后，復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率隨填料混合比例增加，都有下降的趨勢。有可能是因為在復合材料中，UHMWPE為大分子鏈線性結構，填充材料是剛性狀態，兩種材料之間不能很好相容，材料粒子之間不能結合緊密，所以在對UHMWPE進行填料改性時，添加填料比例不能過大。

3.2沖擊強度的測量

沖擊強度是表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力、是衡量材料韌性的一項指標。通過沖擊試驗，探究和UHMWPE的不同混合比例對型材的韌性的影響。通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下折斷或折裂時，單位截面積所吸收的能量，單位為kJ。

公式（1）中：aK—試樣沖擊強度，單位kJ，A—試樣沖擊所消耗的功，單位J；h—試樣厚度，單位mm；b—試樣剩余寬度，單位mm。

按照GB/T 1843—2006進行沖擊強度測試，試樣采用帶缺口（451）類型，經試驗測量和計算，UHMWPE純料以及添加不同比例填料改性UHMWPE試樣的缺口沖擊強度數值如表3所示。

由表3得到其變化趨勢如圖4所示。

從圖4可以看出，在UHMWPE中添加填料改性，缺口沖擊強度出現降低。和UHMWPE的混合比例在20%～30%的下降幅度大于在10%～20%的速度。其原因可能是在UHMWPE中加入無機材料時，分子之間沒有緊密結合，所以改性后的型材沒有與純UHWPE一樣具有理想的韌性。也可能是因為在添加填料后和UHMWPE形成的復合材料存在的糾纏點過多，分子鏈的剛性得到了提高，在受外力沖擊時，不能通過充分的變形來吸收沖擊能量。

4結語

研究了填料改性的UHMWPE型材的耐高溫性能和力學性能，設計和完成了不同混合比例改性的UHMWPE維卡軟化溫度測量試驗、拉伸強度和缺口沖擊強度試驗，與純UHMWPE型材的比較，可以得到：填料使UHMWPE型材的維卡軟化溫度從79℃提高到114℃，表明在UHMWPE中添加填料改性后UHMWPE，型材在受熱時尺寸穩定性增強，熱變形小，提高了耐熱性能，達到了改性的目的。在填料對UHMWPE改性后型材的力學性能也有很大的影響。和UHMWPE的混合比例的不同，影響程度也不同。當和UHMWPE的混合比例為10%時，拉伸強度還稍微提升了一點。隨著混合比例的增大，拉伸強度急劇下降。在UHMWPE中添加填料改性后型材缺口沖擊強度明顯降低。所以通過對UHMWPE的改性總體上增加了型材的耐熱性能、降低了力學性能。因此，在通過填料對UHMWPE改性的時，要根據HMWPE型材的工況來嚴格控制填料的混合比例，一般在填料比較低的時既能提升耐熱性能，又能保證材料的力學性能。