超高分子量聚乙烯改性研究_黄安平

2007年第2期甘肃石油和化工2007年6月

超高分子量聚乙烯改性研究

黄安平,朱博超,贾军纪,朱雅杰

(中国石油兰州石化分公司石油化工研究院,甘肃兰州730060)

摘要:综述了提高超高分子量聚乙烯(UH MWPE)加工性能和物理性能的物理改性和化学

改性方法的研究进展,并指出了其今后的发展方向。

关键词:超高分子量;聚乙烯;改性

超高分子量聚乙烯(UH MWPE)是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料,具有其它工程塑料所无法比拟的耐冲击性、耐磨损性、耐化学药品性、耐低温性、耐应力开裂性、抗黏附能力,优良的电绝缘性、安全卫生及自润滑性等性能,可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料广泛地应用于纺织、采矿、化工、包装、机械、建筑、电气、医疗、体育等领域。虽然UHM WPE具有许多优异的特性,但也有许多不足,如熔体流动速度(MFR)极低(接近于0),熔点高(190~120e)、黏度高,极难加工成型等。另外与其它工程塑料相比,具有表面硬度低、热变形温度低、弯曲强度和耐蠕变性较差,抗磨粒磨损能力差、强度低等缺点,影响了其使用效果和范围。为了克服UHMWPE的这些缺点、弥补其不足,使UHMWPE在条件要求较高的某些场所得到应用,需要对其进行改性。

超高分子量聚乙烯通过改性,可以提高其加工流动性,达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的目的,目前主要的改性都集中在以下几个方面。

1物理改性

所谓的物理改性是指把树脂与其他一种或多种物料通过机械方式进行共混,以达到某种特殊的要求,它不改变分子构型,但可以赋予材料新的性能。目前主要的物理改性方法有填料改性、低熔点、低黏度树脂改性、流动剂改性等。

1.1填料改性

虽然超高分子量聚乙烯具有优异的综合性能,但在表面硬度、耐高温性以及抗磨损性能等方面仍有缺陷,为了使超高分子量聚乙烯能在要求更高的场合得到应用,就有必要对它进行改性。在超高分子量聚乙烯中添加填料进行共混可以提高其耐热性能和力学性能,从而制备出结构性能优良的耐磨材料。

张道权等[1]选用了粉煤灰、硅藻土和石墨三种无机材料填充超高分子量聚乙烯基体,重点考察了填料对其物理机械性能的影响,发现不论任何填料,刚性土无机填料在UHMWPE基体中形成了应力集中点,导致材料中缺陷增加,引起缺口冲击强度下降,这是使用无机填料的一大缺陷。填料结构应尽量避免应力集中,为此填料结构应尽量规则。

胡平等[2]用三氧化二铝、二氧化硅、碳黑、玻璃微珠作为填料,改善了超高分子量聚乙烯的表面

收稿日期:2006-12-05。

作者简介:黄安平(1979-),男,甘肃甘谷人,理学硕士,助理工程师,从事聚烯烃方面的研究工作。

硬度,热变形温度及抗磨料磨损性能。其中玻璃微珠的改性效果比较好,特别是玻璃微珠在经偶联剂处理后,可使超高分子量聚乙烯的耐磨性能提高约40%,可使其热变形温度提高近40e 。在该文献中也提到了随着填料量的增加,都导致缺口冲击强度下降,但下降的趋势要小得多,这一点和上述文献中的结合是一致的,下降趋势小和使用了偶联剂有关,说明偶联剂能够起到改善材料结构和性能的作用,并且结果比较明显。文献中还将各种材料的磨损量和UHM WPE 以及改性的UHM WPE 的磨损量进行了比较(表1),从表中可以看到UHM WPE 的耐磨料磨损性远好于A 3钢和紫铜,而且经过填料改性,耐磨损性还可以进一步提高,以玻璃微珠改性材料耐磨性最好。

表1 不同材料的磨耗指数

材料UHM W PE 玻璃微珠改性UHM W PE 二氧化硅改性U HM WPE

尼仑聚四氟乙烯A 3钢

紫铜

磨耗指数

1100

0157

0180

4110

115

1111015190

表2 不同配比时摩擦系数比较(无油润滑)序号U HM WPE/玻璃微珠/二硫化钼/铜粉质量比

摩擦系数1

100/0/0/00107280/20/0/00108392/0/8/00104470/20/0/100107572/20/8/001056

62/20/8/10

0105

刘广健等[3]将玻璃微珠、二硫化钼和铜粉按照不同的质量比加入超高分子量聚乙烯中,并对其摩擦系数做了比较(表2)。

从他们的研究中可以看到添加铜对UH MWPE 聚乙烯摩擦系数无影响,铜粉的加入可以改善其热传导的性能,玻

璃微珠可使UH MWPE 摩擦系数有所增加,但是玻璃微珠的加入可以大大提高材料的耐磨性和耐热性,而二硫化钼的加入可以降低UH MWPE 的摩擦系数,减少发热。

任露泉等[4]研究了加入石英砂填料对UHM WPE 各种物理性能的影响,结果见表3。

表3 石英砂填料对UHMWPE 物理机械性能的影响填料含量/%

填料粒径/mm 密度/g #cm -3

拉升强度/M Pa

硬度HB UHM W PEP ))

0191161766U HM WPE120013~0141159141991U HM WPE2

20

0115~0120

1146

1416

89

加入了石英砂填料后,引入了硬质点,材料表层的硬度明显增强,填料后试样的硬度提高了35%~38%,加入填料后拉伸强度下降11%~13%。在填料含量相同的情况下,填料粒径大的试样比填料粒径小的硬度稍大一些,拉伸强度也稍高一些。填料粒度小时,其在磨损过程中容易随UHMWPE 基本一起在对磨面上形成转移膜。因此,粒度较小的颗粒改善材料耐磨性能的效果不如粒度较大的好。

另外,CHAAN 等[5]还对加入碳黑后UHM WPE 的导电性能进行了研究,在加入碳黑改性后,在一般的压力范围内,压力对材料的传导率没有重要影响,然而温度对改性后UHMWPE 的传导率有显著影响,说明在烧结的过程中温度对最后的改性结果有直接影响,需要有意识地进行控制。112 用低熔点、低黏度树脂共混改性

由于HDPE 、LDPE 、PP 、PA 、聚酯、橡胶等都是低熔点、低黏度聚合物,它与UHM WPE 混合形成共混体系,当共混体系被加热到熔点以上时,UHMWPE 树脂就会悬浮在这些共混剂的液相中,形成可挤出、可注射的悬浮体物料。其中使用较多的是H DPE 和LDPE 。UHM WPE 与LDPE 或HDPE

2007年第2期 黄安平等:超高分子量聚乙烯改性研究

研究探讨