UHMWPE/HDPE共混體系的流動性和力學(xué)性能研究

王 禹， 李統(tǒng)一， 遵 倩

(1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510006； 2.廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司，廣東 順德 528318)

高密度聚乙烯(HDPE)制品具有韌性好、質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，在容器、薄膜、管道等方面有廣泛的用途，然而，HDPE模量較低、強度和剛度不足的缺點也限制了其應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域[1-2]。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種由乙烯、丁二烯單體在催化劑作用下，聚合而成的平均分子量在100萬以上的熱塑性塑料。UHMWPE極高的相對分子質(zhì)量賦予了它許多優(yōu)異的性能，如，卓越的耐磨損性能和抗沖擊性能等，其沖擊強度是聚甲醛的14倍，ABS的4倍，常溫下是普通聚乙烯的10倍以上，-30 ℃時能達到16倍以上，從-265 ℃～80 ℃，UHMWPE都能保持很好的韌性和強度[3-5]。本文通過共混改性的方法，將UHMWPE與HDPE共混復(fù)合，研究不同質(zhì)量分數(shù)和不同相對分子質(zhì)量的UHMWPE對復(fù)合材料熔體流動性能和力學(xué)性能的影響，制備一種加工性能好，同時又具有優(yōu)異力學(xué)性能的HDPE復(fù)合增強材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

UHMWPE選用國內(nèi)某廠家相對分子質(zhì)量分別為150萬、200萬、300萬級別的三種牌號的樹脂。

高密度聚乙烯(HDPE)選用國內(nèi)某廠家相對分子質(zhì)量為40萬～60萬的某牌號樹脂，其在190 ℃、21.6 kg條件下的MFR為8.2 g/10 min。

1.2 實驗儀器

XK-160雙輥開煉機；YD-50平板硫化機；XRN-400熔體流動速率儀；Zwick/Roell Z020萬能材料試驗機；XJJ50A簡支梁沖擊試驗機。

1.3 樣品的制備

將UHMWPE按質(zhì)量分數(shù)5%、10%、20%、30%、40%的比例與HDPE 混合，混合均勻后在雙輥開煉機中于200 ℃下混煉30 min，取部分混煉料剪碎后用于MFR測試，其余部分置于200 ℃平板硫化機中模壓成型，制成4 mm厚板材，之后，根據(jù)各力學(xué)性能測試要求制成相應(yīng)測試樣條。

1.4 性能測試

根據(jù)GB/T 3682-2000對共混體系的MFR進行測試，測試條件為190 ℃、21.6 kg。根據(jù)GB/T1040.2-2006對共混體系的拉伸屈服強度、彎曲性能進行測試，最終結(jié)果取5個平行試樣的平均值。根據(jù)GB/T1043.1-2008對共混體系的缺口沖擊強度進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHMWPE/HDPE共混體系的流動性

實驗選用相對分子質(zhì)量150萬、200萬和300萬級別的UHMWPE與同種牌號的HDPE共混，第19頁圖1是不同相對分子質(zhì)量和質(zhì)量分數(shù)的UHMWPE對UHMWPE/HDPE共混體系MFR的影響。從圖1可以看出，隨著UHMWPE的加入，共混體系的MFR呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，隨著加入的UHMWPE相對分子質(zhì)量增大、含量增加，UHMWPE/HDPE共混體系的MFR下降明顯。由不加入UHMWPE時的8.2 g/10 min變?yōu)閁HMWPE含量40%時的小于0.2 g/10 min。這是由于，UHMWPE熔體黏度很大，在190 ℃、21.6 kg條件下其MFR仍小于0.01。

2.2 UHMWPE/HDPE共混體系的力學(xué)性能

圖2是不同相對分子質(zhì)量和質(zhì)量分數(shù)的UHMWPE對UHMWPE/HDPE復(fù)合材料共混體系拉伸屈服強度的影響。從圖2可以看出，UHMWPE的加入使得UHMWPE/HDPE共混體系的拉伸屈服強度增大，且對共混體系拉伸屈服強度的增強作用隨相對分子質(zhì)量增加而增大。當UHMWPE的加入量由0增至10%，共混體系的拉伸屈服強度明顯提高，300萬分子量級別的UHMWPE加入10%時，共混體系的拉伸屈服強度即可提高12.2%，200萬分子量級別的HMWPE加入10%時，共混體系的拉伸屈服強度提高了8.6%。UHMWPE加入量由10%增至40%，UHMWPE對共混體系拉伸屈服強度的增強作用趨于平緩，甚至略有下降，這可能是因為，隨著UHMWPE含量增加，UHMWPE/HDPE共混體系在冷卻過程中形成較大的球晶，球晶之間存在明顯界面，而在這些界面上存在著由分子鏈排布不同引起的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致共混體系的拉伸屈服強度出現(xiàn)下降的趨勢。從圖3可以看出，當UHMWPE加入量介于5%～10%時，HDPE的拉伸屈服強度得到明顯提高。

圖1 UHMWPE含量對UHMWPE/HDPE復(fù)合材料的MFR的影響

圖2 UHMWPE含量對UHMWPE/HDPE復(fù)合材料拉伸屈服強度的影響

圖3和圖4是不同相對分子質(zhì)量和質(zhì)量分數(shù)的UHMWPE對UHMWPE/HDPE共混體系彎曲強度和彎曲模量的影響。從圖3、圖4可以看出，隨著UHMWPE含量的增加，共混體系的彎曲強度和彎曲模量均呈現(xiàn)增大的趨勢，可見，UHMWPE的加入能提高HDPE的硬度，其中，200萬和300萬分子量級別的對HDPE的硬度都能有較明顯的提升。當300萬分子量級別的UHMWPE加入量為10%時，共混體系的彎曲強度相比HDPE提高8.2%，彎曲模量提高6.8%。當200萬分子量級別的UHMWPE加入量為10%時，共混體系的彎曲強度相比HDPE提高3.0%，彎曲模量提高4.4%。

圖5是不同相對分子質(zhì)量和質(zhì)量分數(shù)的UHMWPE對UHMWPE/HDPE共混體系缺口沖擊強度的影響。從圖5可以看出，不同相對分子質(zhì)量的UHMWPE對共混體系的沖擊性能均表現(xiàn)出了十分顯著的增強作用。300萬分子量級別的加入量由0增至40%，共混體系的缺口沖擊強度由32.9 kJ/m2提高到134.5 kJ/m2；200萬分子量級別的加入量由0增至40%，共混體系的缺口沖擊強度由32.9 kJ/m2提高到121.3 kJ/m2；150萬分子量級別的加入量由0增至40%，共混體系的缺口沖擊強度由32.9 kJ/m2

圖3 UHMWPE含量對UHMWPE/HDPE彎曲強度的影響

圖4 UHMWPE含量對UHMWPE/HDPE彎曲模量的影響

圖5 UHMWPE含量對UHMWPE/HDPE沖擊強度的影響

提高到118.1 kJ/m2。當300萬、200萬和100萬分子量的UHMWPE加入量為10%時，缺口沖擊強度分別是HDPE的1.8倍、1.5倍和1.45倍；當加入量為40%時，缺口沖擊強度分別是HDPE的4.1倍、3.7倍和3.5倍?？梢姡瑢⑸倭縐HMWPE引入HDPE中構(gòu)成UHMWPE/HDPE共混體系，能夠有效利用UHMWPE極高分子量賦予的超高沖擊強度，大大改善HDPE的沖擊強度，獲得沖擊性能優(yōu)良的HDPE復(fù)合材料。

3 結(jié)論

UHMWPE與HDPE具有較好的相容性，其共混物的熔體流動性和力學(xué)性能受共混體系的組成、UHMWPE相對分子質(zhì)量等因素影響。當共混體系中加入少量UHMWPE時，雖然共混體系的熔體質(zhì)量流動速率會減小，流動性相比HDPE變差，但不足以影響HDPE的加工性。而少量UHMWPE的加入，對HDPE的力學(xué)性能有較好的改善，其拉伸屈服強度、彎曲強度和彎曲模量均得到一定程度的提高，特別是沖擊強度得到很大的提高。當選用200萬分子量級別的UHMWPE且加入量5%～10%時，有利于在保證一定加工性能的同時，獲得綜合性能優(yōu)良的HDPE復(fù)合材料。