超高分子量聚乙烯高温环境抗冲击能力研究

李 艺，周 庆，贺思敏，王 窈，张 龙

超高分子量聚乙烯高温环境抗冲击能力研究

李 艺，周 庆，贺思敏，王 窈，张 龙

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900）

为研究超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）在高温环境下的热性能和力学特性，对不同高温处理1h后的UHMWPE进行了SEM、DSC以及XRD分析。结果表明：150℃处理后纤维表面和断面已失去原有结构，XRD衍射峰峰值明显降低；DSC结果显示，与高温试验前及其它高温处理后有2个较大的吸热峰不同，150℃处理的样品仅有1个吸热峰，且峰值较低。对纤维包覆成的CDF进行爆轰性能试验，结果表明150℃处理后的样品抗冲击强度严重下降，已不能满足CDF的要求。

超高分子量聚乙烯纤维；高温；CDF；DSC；XRD

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维具有耐磨、疲劳强度高、结构强度高、抗拉强度高（3.0GPa）、弹性模量高（953.0GPa）、重量轻、耐腐蚀等优异的性能[1-2]，这些优异的性能使UHMWPE能够广泛应用于军事和民用领域[3-5]。有些应用环境条件非常恶劣，如在CDF（CDF）应用中时常需要面对120℃左右的高温，然而对UHMWPE纤维在高温环境下的热性能和力学性能的研究较少。Medel F. 等[6]针对GUR 1050的抗压模量下制备的UHMWPE样品，进行120℃热退火处理不同时间，研究了其表面结构强度的优化性能； Liron Shavit-hadar 等[7]研究了不同压力下熔化和结晶过程对UHMWPE表面结构、结晶性能、取向排列等的影响规律。本研究对UHMWPE分别进行100 ℃、120℃、140℃和150℃的1h高温处理，对热处理前后的样品分别进行扫描电镜、DSC分析、X射线衍射分析以及爆轰性能测试，系统地研究不同高温环境对UHMWPE热性能和力学性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

UHMWPE从北京同益中特种纤维技术开发有限公司采购，品级：FT-113，规格：400D/180F。为研究高温环境对纤维性能的影响，分别对纤维进行100℃、120℃、140℃和150℃高温处理1h，1h后自然降温至室温。

1.2 测试与分析

采用德国Zeiss公司的扫描电镜对样品表面和断面微观结构进行了测试。采用netzsch公司的 sta 449C进行试样的DSC分析，试验样本量2mg，升温速率5℃/min，通N2保护。用英国Oxford公司的EDX进行试样的XRD分析。

1.3 CDF制备

CDF由炸药（HNS-II）、金属壳（Ag）、挤塑层（聚乙烯）和纤维包覆层（聚四氟乙烯）组成，如图1所示。

图1 CDF结构示意图

CDF线装药密度为0.36g/m，药芯直径为φ0.55mm，银壳外径为φ1mm，包覆层外径为φ5.5mm。

2 结果与讨论

2.1 SEM测试

不同温度处理后样品表面微观结构见图2，不同温度处理后样品断面微观结构见图3。

由图2~3可见，处理前纤维表面光滑，断面呈层状结构，100℃和120℃处理后纤维表面出现不同程度的沟槽和麻点，但是100℃处理后纤维的断面仍然是较为致密的结构，而120℃处理后纤维的断面却呈现颗粒状分布，140℃和150℃处理后纤维大部分已经熔化，将140℃处理后的纤维剥离，断面仍能清晰地看到条纹状结构，表面沟槽加深，而150℃处理后的纤维表面和断面均已失去了原有的结构。

图2 不同温度处理后样品表面微观结构

2.2 DSC分析

图4为不同温度处理后样品的DSC曲线。通过DSC分析，发现100℃、120℃和140℃处理1h后，DSC曲线仍有2个较大的吸热峰，且2个峰值较处理前的145.5℃（折叠链结晶的熔融）和152.8℃（伸直链结晶的熔融）基本未发生变化，样品的吸热量随着处理温度的升高略有降低。而150℃处理1h后，DSC曲线仅有1个吸热峰，且峰值较低（133.5℃），吸热量是处理前的50%，这表明150℃处理时纤维基本已经全部熔化，失去了原有的晶体结构。

图4 不同温度处理后样品的DSC曲线

2.3 XRD分析

图5为不同温度处理后样品的XRD曲线。由文献[8]可知，UHMWPE纤维在2为21.6℃、24.0℃出现（110）和（200）晶面的特征衍射峰。

图5 不同温度处理后样品的XRD曲线

由图5可知，高温处理后衍射峰的位置基本没有发生变化，100℃和120℃处理后样品衍射峰的大小也基本未发生变化，而140℃和150℃处理后样品衍射峰值明显降低。这是由于高温使UHMWPE纤维晶区熔化，晶面相对强度降低所致。

2.4 CDF抗冲击性能

为了研究高温环境对CDF UHMWPE包覆层抗冲击强度的影响，对CDF（装药HNS-II）进行120℃、140℃、150℃高温处理1h，1h后自然降温至室温。对处理前后的CDF进行爆轰性能试验，每种试样为10发，采用8#军用雷管起爆。试验后120℃和140℃处理后的产品包覆层结构完整，而150℃处理后的产品包覆层被炸穿，如图6所示。

图6 不同温度处理样品爆轰后状态

分析认为，虽然140℃处理后纤维部分熔化，晶体结构已经发生改变，但是断面形貌结构仍基本能够维持，纤维包覆层的抗冲击强度仍高于CDF爆轰波的冲击能力，因此纤维包覆层仍能够保持完整性。而150℃处理后纤维基本已完全熔化，表面和断面形貌均已不复存在，晶面强度明显降低，抗冲击性能严重降低，以致于不能抵抗冲击波的冲击作用。

3 结论

本文对不同温度环境下UHMWPE的SEM、DSC和XRD进行了分析。100℃和120℃处理后纤维的表面和断面仍能保持原有的致密结构，而140℃处理后纤维表面已呈熔融状态，断面仍呈现清晰的层状结构，150℃处理后纤维表面和断面均已呈熔融状态，XRD衍射峰明显降低，DSC曲线也仅有1个峰值较低的吸热峰。这是由于高温环境使纤维晶区熔化，纤维晶区的熔化直接导致了150℃高温处理后的CDF纤维包覆层不能抵抗冲击波的冲击作用，爆轰试验中出现穿孔。

[1] Sui G, Zhong WH, Ren X, Wang XQ, Yang XP. Structure, me-chanical properties and friction behavior of UHMWPE/HDPE/ carbon nanofibers[J].Mater Chem Phys,2009(115):404 -12.

[2] Marissen R. Design with ultra strong polyethylene fibers[J]. Materials Sciences and Applications, 2011, 02(5):319-330.

[3] Jacobs O, Kazanci M, Cohn D, Marom G. Creep and wear behaviour of ethylene–butene copolymers reinforced by ultra-high molecular weight polyethylene fibres[J].Wear, 2002, 253 (5-6):618-625.

[4] Ratner S, Pegoretti A, Migliaresi C, Weinberg A, Marom G. Relaxation processes and fatigue behavior of crosslinked UHMWPE fiber compacts[J]. Composite Science Technology, 2005,65(1):87-94.

[5] Huang W,Wang Y,Yuanming X. Statistical dynamic tensile streng- th of UHMWPE-fibers[J].Polymer,2004,45(11):3 729-3 734.

[6] Medel F, Gomez-Barrena E, Garcia-Alvarez F, etl. Fracto- graphy evolution in accelerated aging of UHMWPE after gamma irradiation in air[J]. Biomaterials,2004(25):9-21.

[7] Liron S, Dmitry M.R, Rafail K, etl. Compacted UHMWPE fiber composites: morphology and X-ray microdiffraction experiments[J]. Journal of Polymer Science: Part B: Ploymer Physics,2007(45):1 535-1 541.

[8] Jacobs O, Mentz N, Poeppel A, Schulte K. Sliding wear werformance of HD-PE reinforced by continuous UHMWPE fibres wear[J].Wear, 2000(244):20-28.

Study on the Impact-resistance Strength of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber under High Temperature

LI Yi, ZHOU Qing, HE Si-min, WANG Yao, ZHANG Long

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900)

In order to investigate the effect of high temperature annealing process on the thermal property and impact-resistance strength of ultrahigh molecular weight polyethylene(UHMWPE) fibers, various characterizations were performed for the UHMWPE annealed under different high temperatures for 1h. The scanning electron microscope results indicated that the UHMWPE was fully melt and the surface and cross section structure was destroyed by heating at temperature of 150°C, the differential scanning calorimetry and X-ray diffraction characterization indicated that both the thermal stability and strength of the crystal plane of UHMWPE fibers were reduced after the high temperature treatment of 150°C. Moreover, the detonation properties of confused detonating fuse coated by UHMWPE were tested, the test result showed that the impact-resistance strength of samples heated at 150°C decreased obviously, which is very important for the practical application of confused detonating fuse.

Ultrahigh molecular weight polyethylene；High temperature；Confused detonating fuse；DSC；XRD

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.014

1003-1480（2020）01-0055-03

2019-11-20

李艺（1977 -），女，硕士研究生，主要从事冲击片雷管设计与试验研究。