碳酸钙对超高分子质量聚乙烯改性的研究

秦建华 董明青 彭涛

摘要：超高分子质量聚乙烯（UHMWPE）是指相对分子质量大于150万线性的聚乙烯，具有耐冲击、耐磨损、耐化学腐蚀、自润滑性、无毒性以及良好的耐低温性。但是UHMWPE的耐热性差，文章通过碳酸钙对UHMWPE填料改性，改善了UHMWPE型材维卡软化温度和力学性能。

关键词：超高分子质量；聚乙烯；改性

超高分子质量聚乙烯（UHMWPE）是指相对分子质量大于150万的线性聚乙烯。最早于1958年由德国的赫斯特公司于开发研制成功和实现工业化生产。目前日本、德国生产UHMWPE相对分子质量已达到1000万以上，目前国内也可达到600万以上。UHMWPE综合了所有塑料的优越性能，具有耐冲击、耐磨损、耐化学腐蚀、自润滑性、无毒性、耐低温性。该材料广泛应用于化工、纺织、医学、建筑、冶金、矿业、水利、煤炭、电力等领域，但是UHMWPE耐热性能差，应用范围受限，因此需要对UHMWPE进行耐高温改改研究。

1 改性的UHWMPE型材试样的制备

本次填料与UHMWPE原料的混合比例分别是0%，10%，20%，30%，40%，对5组不同比例材料加工。

先干燥所需材料，按照混合比例称重、混合、研磨，使得材料混合均匀，加入适量的无水乙醇。将准备好的材料放入模具型腔中填充紧实，清理型腔外沿余量材料。将整理好的模板放入压力成型机的上下模具之间，闭合模具，在20 MPa加压下保持10分钟后，在模压机上以250℃的温度保持30分钟，成型固化，然后冷却，制成所需型材。

对制得的5组不同混合比例为填料的UHMWPE改性型材，按照维卡软化温度试验标准、拉伸试验标准以及缺口冲击试验标准制作试验所需的试样，进行维卡软化温度测量和力学性能试验。因为混合比例在40%时，填料比例较高，制成的试样，在经过模压成型加工后，材料质地疏松，也未被充分塑化，由于UHMWPE耐高温改性研究的目的是提高耐热性能，扩大UHMWPE应用范围，故在采集数据与分析中，不考虑填充比例为40%组的数据。

2 改性的UHMWPE型材维卡软化温度测量

维卡软化温度是将热塑性塑料放于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升温条件下，试样被1的压针头压入1 mm时的温度，对应的国标是GB/T 1633—2000。维卡软化温度测定仪采用XWY—3004。按照GB/T 1633—2000为标准，试验负载4 kg，升温速率120℃/60 min。试样要求厚度是3～6 mm，长度要求10 mm以上。

测量操作步骤：（1）把试样放在支架上，用压头固定。（2）压头距离试验试样边大于3 mm，温度计和试样垂直间距在3 mm左右，温度计不能触及试样。（3）操控设备使支架和试样缓漫浸入介质，保证测量表面低于介质液面40 mm左右。（4）加上4 kg试验负载，开启试验设备，在5分钟之后调零，接着等速加热升温。（5）在压针压入量达到1 mm时，记下温度计的值，该值就是维卡软化温度。

通过测量得到填料改性的UHMWPE材料的维卡软化温度数值如表1所示。

从表1可以得出，加入不同比例的，对UHMWPE维卡软化温度有较大的影响。实验测得纯UHMWPE的维卡软化温度79℃。

在混合比例为10%时，改性的UHMWPE材料的维卡软化温度提高非常明显，大约为30℃，随着混合比例的增加，维卡软化温度保持上升趋势，但上升的速率变小，如图1所示。

3改性的UHWMPE型材力学性能测量

3.1拉伸性能测量

根据GB/T 1040.1—2006对改性后的型材进行拉伸强度测试，制备试样采用热冲裁方法成型，试验速度为100 mm/min。对不同混合比例填料改性的UHMWPE试样进行拉伸试验，记录下数据，计算得到拉伸强度和断裂伸长率如表2所示。

由表2可以得到其变化趋势如图2～3所示。

从图2可以看出，和UHMWPE的混合比例对UHMWPE型材的拉伸性能有不同程度的影响。在3种不同混合比例填料改性的UHMWPE拉伸试验中，纯UHMWPE的拉伸强度为13.466MPa，随和UHMWPE混合比例的提高，UHMWPE改性后型材拉伸强度先升高后降低，在混合比例为0到10%范围时，UHMWPE的拉伸强度增加，在混合比例为10%时，拉伸强度达到最大值；当混合比例在10%～20%范围时，拉伸强度有明显的下降，当混合比例在20%～30%范围时，材料拉伸强度下降趋势变缓。

从图3可以看出，纯UHMWPE型材的断裂伸长率为102.344%，在UHMWPE添加改性后的型材断裂伸长率出现下降。在填料混合比例小于10%时，UHMWPE经过改性后的型材拉伸强度提高，可能原因是和UHMWPE界面结合较好，在材料中产生物理交联点的效果。在受到外力作用时，复合材料承受外力作用的面积比较大，进而提高了改性后型材的拉伸强度。在和UHMWPE的混合比例大于10%后，粒子开始团聚，粒径反而增大，使分散不均匀，所以拉伸强度出现降低。

改性后，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率随填料混合比例增加，都有下降的趋势。有可能是因为在复合材料中，UHMWPE为大分子链线性結构，填充材料是刚性状态，两种材料之间不能很好相容，材料粒子之间不能结合紧密，所以在对UHMWPE进行填料改性时，添加填料比例不能过大。

3.2冲击强度的测量

冲击强度是表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力、是衡量材料韧性的一项指标。通过冲击试验，探究和UHMWPE的不同混合比例对型材的韧性的影响。通常定义为试样在冲击载荷的作用下折断或折裂时，单位截面积所吸收的能量，单位为kJ。

公式（1）中：aK—试样冲击强度，单位kJ，A—试样冲击所消耗的功，单位J；h—试样厚度，单位mm；b—试样剩余宽度，单位mm。

按照GB/T 1843—2006进行冲击强度测试，试样采用带缺口（451）类型，经试验测量和计算，UHMWPE纯料以及添加不同比例填料改性UHMWPE试样的缺口冲击强度数值如表3所示。

由表3得到其变化趋势如图4所示。

从图4可以看出，在UHMWPE中添加填料改性，缺口冲击强度出现降低。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中加入无机材料时，分子之间没有紧密结合，所以改性后的型材没有与纯UHWPE一样具有理想的韧性。也可能是因为在添加填料后和UHMWPE形成的复合材料存在的纠缠点过多，分子链的刚性得到了提高，在受外力冲击时，不能通过充分的变形来吸收冲击能量。

4结语

研究了填料改性的UHMWPE型材的耐高温性能和力学性能，设计和完成了不同混合比例改性的UHMWPE维卡软化温度测量试验、拉伸强度和缺口冲击强度试验，与纯UHMWPE型材的比较，可以得到：填料使UHMWPE型材的维卡软化温度从79℃提高到114℃，表明在UHMWPE中添加填料改性后UHMWPE，型材在受热时尺寸稳定性增强，热变形小，提高了耐热性能，达到了改性的目的。在填料对UHMWPE改性后型材的力学性能也有很大的影响。和UHMWPE的混合比例的不同，影响程度也不同。当和UHMWPE的混合比例为10%时，拉伸强度还稍微提升了一点。随着混合比例的增大，拉伸强度急剧下降。在UHMWPE中添加填料改性后型材缺口冲击强度明显降低。所以通过对UHMWPE的改性总体上增加了型材的耐热性能、降低了力学性能。因此，在通过填料对UHMWPE改性的时，要根据HMWPE型材的工况来严格控制填料的混合比例，一般在填料比较低的时既能提升耐热性能，又能保证材料的力学性能。