UHMWPE/HDPE共混体系的流动性和力学性能研究

王 禹， 李统一， 遵 倩

(1.华南理工大学，广东 广州 510006； 2.广东联塑科技实业有限公司，广东 顺德 528318)

高密度聚乙烯(HDPE)制品具有韧性好、质量轻、耐化学腐蚀等优良性能，在容器、薄膜、管道等方面有广泛的用途，然而，HDPE模量较低、强度和刚度不足的缺点也限制了其应用于更广泛的领域[1-2]。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种由乙烯、丁二烯单体在催化剂作用下，聚合而成的平均分子量在100万以上的热塑性塑料。UHMWPE极高的相对分子质量赋予了它许多优异的性能，如，卓越的耐磨损性能和抗冲击性能等，其冲击强度是聚甲醛的14倍，ABS的4倍，常温下是普通聚乙烯的10倍以上，-30 ℃时能达到16倍以上，从-265 ℃～80 ℃，UHMWPE都能保持很好的韧性和强度[3-5]。本文通过共混改性的方法，将UHMWPE与HDPE共混复合，研究不同质量分数和不同相对分子质量的UHMWPE对复合材料熔体流动性能和力学性能的影响，制备一种加工性能好，同时又具有优异力学性能的HDPE复合增强材料。

1 实验部分

1.1 实验原料

UHMWPE选用国内某厂家相对分子质量分别为150万、200万、300万级别的三种牌号的树脂。

高密度聚乙烯(HDPE)选用国内某厂家相对分子质量为40万～60万的某牌号树脂，其在190 ℃、21.6 kg条件下的MFR为8.2 g/10 min。

1.2 实验仪器

XK-160双辊开炼机；YD-50平板硫化机；XRN-400熔体流动速率仪；Zwick/Roell Z020万能材料试验机；XJJ50A简支梁冲击试验机。

1.3 样品的制备

将UHMWPE按质量分数5%、10%、20%、30%、40%的比例与HDPE 混合，混合均匀后在双辊开炼机中于200 ℃下混炼30 min，取部分混炼料剪碎后用于MFR测试，其余部分置于200 ℃平板硫化机中模压成型，制成4 mm厚板材，之后，根据各力学性能测试要求制成相应测试样条。

1.4 性能测试

根据GB/T 3682-2000对共混体系的MFR进行测试，测试条件为190 ℃、21.6 kg。根据GB/T1040.2-2006对共混体系的拉伸屈服强度、弯曲性能进行测试，最终结果取5个平行试样的平均值。根据GB/T1043.1-2008对共混体系的缺口冲击强度进行测试。

2 结果与讨论

2.1 UHMWPE/HDPE共混体系的流动性

实验选用相对分子质量150万、200万和300万级别的UHMWPE与同种牌号的HDPE共混，第19页图1是不同相对分子质量和质量分数的UHMWPE对UHMWPE/HDPE共混体系MFR的影响。从图1可以看出，随着UHMWPE的加入，共混体系的MFR呈现急剧下降的趋势，随着加入的UHMWPE相对分子质量增大、含量增加，UHMWPE/HDPE共混体系的MFR下降明显。由不加入UHMWPE时的8.2 g/10 min变为UHMWPE含量40%时的小于0.2 g/10 min。这是由于，UHMWPE熔体黏度很大，在190 ℃、21.6 kg条件下其MFR仍小于0.01。

2.2 UHMWPE/HDPE共混体系的力学性能

图2是不同相对分子质量和质量分数的UHMWPE对UHMWPE/HDPE复合材料共混体系拉伸屈服强度的影响。从图2可以看出，UHMWPE的加入使得UHMWPE/HDPE共混体系的拉伸屈服强度增大，且对共混体系拉伸屈服强度的增强作用随相对分子质量增加而增大。当UHMWPE的加入量由0增至10%，共混体系的拉伸屈服强度明显提高，300万分子量级别的UHMWPE加入10%时，共混体系的拉伸屈服强度即可提高12.2%，200万分子量级别的HMWPE加入10%时，共混体系的拉伸屈服强度提高了8.6%。UHMWPE加入量由10%增至40%，UHMWPE对共混体系拉伸屈服强度的增强作用趋于平缓，甚至略有下降，这可能是因为，随着UHMWPE含量增加，UHMWPE/HDPE共混体系在冷却过程中形成较大的球晶，球晶之间存在明显界面，而在这些界面上存在着由分子链排布不同引起的内应力，导致共混体系的拉伸屈服强度出现下降的趋势。从图3可以看出，当UHMWPE加入量介于5%～10%时，HDPE的拉伸屈服强度得到明显提高。

图1 UHMWPE含量对UHMWPE/HDPE复合材料的MFR的影响

图2 UHMWPE含量对UHMWPE/HDPE复合材料拉伸屈服强度的影响

图3和图4是不同相对分子质量和质量分数的UHMWPE对UHMWPE/HDPE共混体系弯曲强度和弯曲模量的影响。从图3、图4可以看出，随着UHMWPE含量的增加，共混体系的弯曲强度和弯曲模量均呈现增大的趋势，可见，UHMWPE的加入能提高HDPE的硬度，其中，200万和300万分子量级别的对HDPE的硬度都能有较明显的提升。当300万分子量级别的UHMWPE加入量为10%时，共混体系的弯曲强度相比HDPE提高8.2%，弯曲模量提高6.8%。当200万分子量级别的UHMWPE加入量为10%时，共混体系的弯曲强度相比HDPE提高3.0%，弯曲模量提高4.4%。

图5是不同相对分子质量和质量分数的UHMWPE对UHMWPE/HDPE共混体系缺口冲击强度的影响。从图5可以看出，不同相对分子质量的UHMWPE对共混体系的冲击性能均表现出了十分显著的增强作用。300万分子量级别的加入量由0增至40%，共混体系的缺口冲击强度由32.9 kJ/m2提高到134.5 kJ/m2；200万分子量级别的加入量由0增至40%，共混体系的缺口冲击强度由32.9 kJ/m2提高到121.3 kJ/m2；150万分子量级别的加入量由0增至40%，共混体系的缺口冲击强度由32.9 kJ/m2

图3 UHMWPE含量对UHMWPE/HDPE弯曲强度的影响

图4 UHMWPE含量对UHMWPE/HDPE弯曲模量的影响

图5 UHMWPE含量对UHMWPE/HDPE冲击强度的影响

提高到118.1 kJ/m2。当300万、200万和100万分子量的UHMWPE加入量为10%时，缺口冲击强度分别是HDPE的1.8倍、1.5倍和1.45倍；当加入量为40%时，缺口冲击强度分别是HDPE的4.1倍、3.7倍和3.5倍。可见，将少量UHMWPE引入HDPE中构成UHMWPE/HDPE共混体系，能够有效利用UHMWPE极高分子量赋予的超高冲击强度，大大改善HDPE的冲击强度，获得冲击性能优良的HDPE复合材料。

3 结论

UHMWPE与HDPE具有较好的相容性，其共混物的熔体流动性和力学性能受共混体系的组成、UHMWPE相对分子质量等因素影响。当共混体系中加入少量UHMWPE时，虽然共混体系的熔体质量流动速率会减小，流动性相比HDPE变差，但不足以影响HDPE的加工性。而少量UHMWPE的加入，对HDPE的力学性能有较好的改善，其拉伸屈服强度、弯曲强度和弯曲模量均得到一定程度的提高，特别是冲击强度得到很大的提高。当选用200万分子量级别的UHMWPE且加入量5%～10%时，有利于在保证一定加工性能的同时，获得综合性能优良的HDPE复合材料。