超高分子量聚乙烯/白炭黑复合材料的性能

董 源，张 先，薛 俊，曹 宏

(1.中国中材进出口有限公司，北京 100048；2.武汉工程大学材料学院，湖北 武汉 430074)

超高分子量聚乙烯/白炭黑复合材料的性能

董 源1，张 先2，薛 俊2，曹 宏2

(1.中国中材进出口有限公司，北京 100048；2.武汉工程大学材料学院，湖北 武汉 430074)

将白炭黑添加到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中，通过球磨混合、热压成型制备了UHMWPE/白炭黑复合材料。对不同白炭黑添加量复合材料样品的摩擦、磨损、拉伸、压缩和弯曲等性能的研究表明，与纯UHMWPE相比添加10%白炭黑的复合材料，其摩擦系数略有增大，但磨损量降低了10.2%，拉伸强度提高了12.7%，压缩强度提高了56.0%，60℃时的弯曲强度提高了12.8%，充分反映了复合的优势。XRD、SEM分析表明此时的复合材料成分、结构都很均匀。

超高分子量聚乙烯；白炭黑；复合材料；摩擦磨损；力学性能

超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE)是一种线性结构的工程塑料，以其杰出的耐磨性、优异的抗冲击性和很低的摩擦系数而备受人们亲睐[1]，已被广泛应用于生物医学、采矿、化工、包装、机械等领域[2-4]。但超高分子量聚乙烯也存在强度低，温度稍高时容易变形，热导率低，使用温度范围窄等缺点。为了改善这些性能，研究人员以超高分子量聚乙烯为基体，通过添加石英粉、陶瓷粉、铜粉、有机粘土、石墨粉、碳纳米管等制备复合材料，进行了大量改性研究[5-7]。本文作者以气相白炭黑(White Carbon Black，简称WCB)为填料，通过球磨混料、热压成型制备了不同白炭黑掺量的超高分子量聚乙烯/白炭黑复合材料，用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对样品成分、结构进行了表征，用销盘摩擦试验机对样品的摩擦磨损性能进行了测试，并依照相关标准对样品的拉伸、压缩以及不同温度下的弯曲性能进行了研究。

1 试验

1.1 样品制备与表征

球磨共混：将白炭黑(广州某公司生产)与UHMWPE(北京助剂二厂生产)按质量百分数0、0.6、1.2、5.0、10.0、20.0和40.0进行配比，并充分混合。将称量好的物料放入玛瑙球磨罐，加入医用酒精至物料淹没，按料球质量比1∶4放入玛瑙研磨球，以500r/min转速在行星球磨机上球磨30min；然后将料取出用红外灯烘干，过30目筛得到UHMWPE/白炭黑混合料。

摩擦磨损试样成型：称取上述混合料15g装入内径Φ50mm的热压模具中，以4℃/min的速率升温同时加压，100℃前保持压力为110MPa，然后压力会出现驰豫，需不断加压以保证至185℃时压力≥55MPa；在185℃保温30min，保温期间压力保持在20MPa；然后自然冷却就得到UHMWPE/白炭黑复合材料的圆片试样，试样尺寸为Φ50mm×8mm。用于其他测试项目的样品，采用不同模具成型，形状、尺寸和质量有所不同，但热压成型工艺与此一致。

成分、结构表征：用Shimadzu XD-5A型X-射线衍射仪(XRD) 分析所制备样品的物相；用JSM-5510LV扫描电镜(SEM)观察试样断面形貌和微观结构。

1.2 摩擦学试验

用XP销—盘摩擦磨损试验机(武汉理工大学摩擦研究所制造)对UHMWPE/白炭黑复合材料的摩擦磨损性能进行评价。摩擦副接触方式为球—块接触，偶件采用武汉钢球厂生产GCr15钢Ⅱ级标准球(Φ10mm)，下摩擦副为测试样块，样块上下表面用铣床机械铣平。试验条件：线速度0.5m/s，荷载50N，时间30min，常温干磨擦，试验前用丙酮清洗样块和偶件，试验后用游标卡尺测量圆环形磨痕的外圆直径D2和内圆直径D1，用公式(1)计算磨损量W，利用公式(2)计算磨损量变化率Δw。

式中：W为磨损量，g；ρ为试样密度，g/cm3；为磨斑体积，cm3；D1，D2为磨斑圆环的内径和外径，cm；R为上摩擦副钢球直径，为1cm；Δw为磨损量变化率，%；WC为白炭黑添加量为C%试样的磨损量，g；W0为纯UHMWPE试样的磨损量，g。

对于每一配比都进行了2次测试，最后结果取2次结果的平均值。

1.3 力学性能测试

按照GB/T 1040-2006测试不同白炭黑添加量试样的拉伸性能[8]；按照GB/T 1041-2008测试不同白炭黑添加量试样的压缩性能[9]；按照GB/T 1449-2005测试试样在8℃和60℃的弯曲性能[10]。对于每一白炭黑添加量，所有力学性能测试都至少测试了5个样品，最后数值取全部测试结果的平均值，并计算了测试结果的标准偏差。

2 结果与讨论

2.1 成分与结构

图1为白炭黑添加量为10%样品的X-射线衍射图谱。图1表明，样品由结晶程度较高的聚乙烯和SiO2组成，样品为复合材料，填料与基体间未发生化学反应。

SEM观察表明，当白炭黑添加量≤10%时，复合材料结构均匀，在10×1 000放大倍率下无法分辨填料WCB与基体UHMWPE的界面(图2a)；当白炭黑添加量为40%时，填料出现团聚，呈网格状分布于基体中，UHMWPE与WCB之间的界限清晰(图2b)。但WCB分布仍然均匀，说明球磨混料实现了填充物与基体的均匀混合。

2.2 摩擦磨损性能

图3给出了摩擦系数μ、磨损量变化率Δw与白炭黑添加量C之间的关系。

试验结果显示：未添加WCB的纯UHMWPE样品，μ0=0.139 5；随着WCB添加量增加，摩擦系数普遍增大。仅当C=0.6%时，μ低于纯UHMWPE，但该配比的两次测试值相差很大，即试验数据的误差较大。由此可见，向UHMWPE中添加WCB会使样品摩擦系数增大，但增大的幅度不大。换而言之，添加WCB不会显著损害UHMWPE的低摩擦系数的优点。图3中磨损量变化率试验数据表明，WCB添加量≤10%时，磨损量随着添加量增大而减小，但不是线性关系。当C=10%时，磨损量最低，比纯UHMWPE降低10.2%。当WCB添加量>10%时，磨损量迅速增大，均比纯UHMWPE大。由此说明，添加适量WCB可以更好发挥UHMWPE的耐磨优势。对于C≤10%样品更加耐磨的可能原因有二：①白炭黑本身的耐磨性就极好；②复合材料的结构非常均匀，WCB与UHMWPE结合非常紧密，在很高放大倍数下都难以观察到界面存在，从而明显抑制了“犁沟效应”的出现，增大了材料的耐磨性。

2.3 力学性能

(1) 拉伸性能。

随着WCB添加量增大，样品拉伸强度呈现先增大，后减小的变化趋势(图4)。当C=10%时，样品拉伸强度σM达到最大，比纯UHMWPE的拉伸强度增大了12.7%。试验数据显示，拉伸强度的标准偏差介于1.0～2.9MPa之间，相对偏差均在10%以内，说明试验数据离散性较低，具有较高的可信度。屈服拉伸应变εy随着WCB含量增大而持续减小，二者几乎呈线性递减的关系(图4)。这说明刚性白炭黑粒子的加入，降低了UHMWPE的塑性变形能力，对于UHMWPE易于变形的缺点有所改善。

(2) 压缩性能。

图5显示了压缩强度、屈服压缩应力与WCB添加量的关系。图5表明，随着WCB添加量增大，复合材料的压缩强度σ和屈服压缩应力σy增大，前者增大更为显著。当C=10%时，σ=85.53MPa，与纯UHMWPE相比增大了56.0%；σy=24.0MPa，与纯UHMWPE相比增大了16.0%。从试验数据的标准偏差看，压缩强度σ的标准偏差介于1.7～5.3MPa之间，相对偏差为6.6%～14.4%；屈服压缩应力σy的标准偏差在3.7～38.9MPa之间，相对偏差为4.9%～46.8%。这说明试验数据离散程度高，其原因可能与样品成型时上下底面很难相互平行及可能还存在剪切破坏有关。

(3) 弯曲性能。

弯曲强度σf反映了材料抵抗剪应力破坏的能力。不同WCB掺量的弯曲强度测试结果见图6。在环境温度为8℃时，随着WCB添加量增大，弯曲强度先降低，在C≥5%以后，基本保持不变；当C=10%时，σf=18.4MPa，比纯UHMWPE降低了9.3%。在环境温度为60℃时，随着WCB添加量增加，弯曲强度先增大，当C>20%以后减小；但无论哪个配比的样品，其弯曲强度均显著低于8℃时的；对于纯UHMWPE样品，σf=6.64MPa，比8℃时降低了67.3%。这充分反映了UHMWPE随着温度升高极其容易变形破坏的特点；而对于C=10%的样品，σf=7.49，高于纯UHMWPE，提高了12.8%；与8℃同配比的样品相比，弯曲强度降低了59.3%，这说明添加10%的WCB后，材料在较高温度下抵抗破坏的能力有所提高。

3 结论

(1) 用球磨混合、热压成型工艺成功制备了超高分子量聚乙烯/白炭黑复合材料。当白炭黑添加量≤10%时，复合材料的成分、结构均匀，填充物和基体之间结合紧密。

(2) 白炭黑添加量为10%的复合材料，尽管其摩擦系数略有增大，但磨损量降低了10.2%，所有力学性能，特别是60℃的弯曲强度，均有较大幅度提高。因此，通过向超高分子量聚乙烯中添加白炭黑可以有效克服其本征强度低、温度稍高就易于变形的缺点。

[1]周健松,阎逢元,单小东.超高分子量聚乙烯摩擦学性能研究进展[J].材料科学与工程学报,2005,23(1):142-145．

[2]向东.超高分子量聚乙烯的应用及改性研究进展[J].化工科技市场,2006,29(5):41-46．

[3]ZHANG M, PHILIPPE P, RICHARD K, et al. A novel ultra high molecular weight polyethylene-hyaluronan microcomposite for use in total joint replacements. II. Mechanical and tribological property evaluation[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2007, 82(1):18-26.

[4]WANG Y Q, LI J. Sliding wear behavior and mechanism of ultra-high molecular weight polyethylene[J]. Materials science and engineering, 1999,A266:155-160.

[5]XIE X L. Wear performance of ultra high molecular weight polyethylene/quartz composites[J]. Biomaterial, 2003,24:1889-l896.

[6]周健松,阎逢元.铜及其氧化物填充UHMWPE力学、摩擦学性能研究[J].工程塑料应用,2004,32(8):15-18．

[7]EON M L, YOUNG S O, HA S H, et al. Ultra high molecular weight polyethylene/organoclay hybrid nanocomposites[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009,(3):1529-1534.

[8]GB/T 1040-2006,塑料拉伸性能的测定[S].

[9]GB/T 1041-2008,塑料压缩性能的测定[S].

[10]GB/T 1449-2005,纤维增强塑料弯曲性能试验方法[S].

The Properties of UHMWPE/White Carbon Black Composite

DONG Yuan1, ZHANG Xian2, XUE Jun2, CAO Hong2
(1.China National Materials Industry Import & Export Corporation, Beijing 100048, China;2. School of Materials Science and Technology, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)

The composite of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and white carbon black is made by adding white carbon black to the UHMWPE, mixing through ball milling and hot-forming. Through analyzing the frictional, wearing, tensile,compressive and flexural properties of the composite samples with different percentage of white carbon black, we find out that the composite with 10% of white carbon black has a relative higher friction coefficient, improves the tensile strength by 12.7%, the compressive strength by 56.0%, the flexural strength at 60℃ by 12.8% compared with pure UHMWPE, which reveals the absolute advantage of a composite completely. The XRD and SEM analyses indicate that the composite has a uniform composition structure under this circumstance.

UHMWPE; white carbon black; composite; frictional wear properties; mechanical properties

TQ325.12

A

1007-9386(2010)05-0020-03

2010-08-17