利用碳纖維改性UHMW—PE的制備

陽成港

摘 要：UHMW-PE的全稱是超高分子量聚乙烯，綜合性能很好，但由于在熱變形溫度較低，抗壓強度較小等方面的缺點，大大限制了UHMW-PE的應用，使用碳纖維改性UHMW-PE后，其熱變形、抗拉伸等性能有了很明顯的提高，這也在很大程度上提升了UHMW-PE的綜合性能。

關鍵詞：UHMW-PE；改性；碳纖維

1.原材料背景研究：

UHMW-PE的全稱為超高分子量聚乙烯，是近年發展起來的一種新型材料[1]，由于其具有耐磨性能良好、摩擦系數較低，良好的自潤滑性能，抗化學腐蝕性能良好等等優異的性能。但是UHMW-PE也不是在每一個方面性能都很優異，其某些方面的性能也是較差的，比如說在熱變形溫度上，其在受熱溫度為80℃～85℃時就會發生形變[2]，其抗壓模數也相對較低，這些缺陷也在很大程度上限制了UHMW-PE的應用。而反觀高分子材料中，碳纖維的優異性能剛好可以彌補這些缺陷，具有高模量的碳纖維，有著很好的耐腐蝕和耐磨性，且強度很高，是一種性能良好的人工合成纖維，近年來也是作為填充劑在實驗中得到大量的應用[3]。而由于UHMW-PE內部孔隙率較高[4]，所以本實驗采用填充改性法，將碳纖維填充到UHMW-PE中，以提高UHMW-PE的熱變形性能等一些其他性能[5～7]，為碳纖維改性UHMW-PE大規模制備提高新思路。本文主要研究將碳纖維填充至UHMW-PE后復合材料的內部結構與其拉伸性能、維卡軟化點溫度的關系。

2.實驗部分：

2.1原材料選取：

UHMW-PE--取自南寧助劑一廠

碳纖維--取自貴州化學工業有限公司

EAA--取自南寧助劑一廠

2.2改性UHMW-PE生產工藝流程圖：

2.3確定最佳制備工藝條件：

采用正交設計法，測定復合材料的維卡軟化溫度。最終確定拉伸試驗中選取碳纖維填充量為0%～～5%，維卡軟化點溫度測定試驗選取碳纖維填充量為10%～～30%，以測定碳纖維的摻入對復合材料UHMW-PE性能的影響。

3.結果與討論：

3.1碳纖維對UHMW-PE材料拉伸性能的影響。

碳纖維對復合材料UHMW-PE拉伸性能影響如上圖所示，由圖中a可以看到，復合材料UHMW-PE的拉伸強度隨著碳纖維質量分數的增加呈現出先增大后減少的曲線關系，當碳纖維填充質量分數為0%～2%時，復合材料UHMW-PE拉伸強度雖與碳纖維填充量呈現出正比例關系，這是由于碳纖維的強度相對較大，在復合材料中可以很好地分散開來，當承受外力時，復合材料UHMW-PE界面能很好地使外力傳遞到碳纖維上，使得外力在碳纖維之間可以得到很好的緩沖效果，從而提高UHMW-PE的拉伸強度。

而當繼續增加碳纖維填充質量分數達到2%后，UHMW-PE的拉伸強度隨著碳纖維填充質量百分數增加而開始下降，這是由于當填充的碳纖維達到一定的量值之后，再繼續填充碳纖維，會導致復合材料UHMW-PE的基體與碳纖維無法很好地均勻結合，導致某些界面較強，某些界面則相對較弱的情況發生，當材料受力時，很容易發生界面脫附的情況，而導致壓力傳遞效果減小，造成復合材料的拉伸強度隨著碳纖維填充質量分數增加而減小的情況發生。

由圖a可以看到，當碳纖維填充質量白分數為2時，復合材料拉伸強度提高了27.4%。

由圖中b可以看到，在實驗摻入碳纖維百分含量范圍內，復合材料UHMW-PE的拉伸彈性模量隨著碳纖維填充百分含量的增加而增加，當加碳纖維百分含量為5%時，復合材料的彈性模量提高了10.1%。

3.2維卡軟化溫度測試：

碳纖維填充百分百含量對復合材料UHMW-PE維卡軟化點溫度的影響成正比例關系，在試驗選取碳纖維填充量范圍內，復合材料UHMW-PE維卡軟化點溫度最高為當碳纖維填充百分百含量值為20%時，維卡軟化點溫度達到了104℃，比未填充碳纖維提高了25℃。以上實驗填充了3%的偶聯劑EAA。而未填充偶聯劑EAA時，當碳纖維填充含量大于20%，繼續試驗增加碳纖維填充量，我們發現對復合材料UHMW-PE的維卡軟化點溫度不再繼續增高，反而有所下降，這是由于包裹在碳纖維外層的帶有極性基團的膠劑與非極性的UHMW-PE結合性較差[8]，故本實驗選擇EAA偶聯劑對碳纖維和復合材料UHMW-PE進行表面處理，EAA的全稱為乙烯--丙烯酸共聚物，其分子結構帶有非極性段，且帶有極性基團[9]。故而，EAA中的極性基團可以很好地與碳纖維結合，EAA中的非極性段也可以很好地與UHMW-PE結合，從而，可以使碳纖維與復合材料UHMW-PE很好地結合在一起，但由于EAA屬于一種柔性較大的共聚物，所以其加入也會使復合材料變軟，從而降低復合材料的維卡軟化點溫度，所以在填充碳纖維百分含量較小時，不考慮使用EAA作為偶聯劑結合碳纖維與復合材料UHMW-PE。

4.結束語：

復合材料UHMW-PE因為其優異的性能近年來成為國內外的研究對象，特別是對其進行改性的研究也在不斷進行當中，并且也取得了一定的成就。用碳纖維填充復合材料UHMW-PE以提升其抗拉伸性能、維卡軟化點溫度是可行的。

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（作者單位：四川輕化工大學（原四川理工學院）