共混改善超高分子量聚乙烯耐高温性能

郝绘坤　张彦波

摘 要 采用共混改性的方法改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能，选用四种耐高温性能优于超高分子量聚乙烯的高分子材料聚丙烯（简称PP）、聚酰胺（简称PA66）、聚碳酸酯（简称PC）和高密度聚乙烯（简称HDPE），分别以不同质量分数与超高分子量聚乙烯混合，模压成型制得实验试样，分别测试其维卡软化温度。将四种材料在不同质量分数时测得的结果进行比较，结论表明：这四种材料中有两种材料聚酰胺（简称PA66）和聚碳酸酯（简称PC） 改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能的效果比较显著，在填加质量分数为30%时，能将维卡软化温度提高到140℃左右。

关键词 超高分子量聚乙烯 模压成型 维卡软化点 耐热性能

中图分类号：TQ326.53 文献标识码：A

1概述

超高分子量聚乙烯 （Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE）是一种具有耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性、耐应力开裂性、耐低温性、无毒卫生等优良特性的热塑性工程塑料，它几乎综合了所有塑料的优越性能。目前在医疗、化工、机械、军事、采矿、体育等领域得到了广泛的应用。

超高分子量聚乙烯的平均分子量150万以上，分子式为—（—CH2-CH2—）—n— ，它的相对分子质量很大，但是原子之间都是以简单重复的方式连接的线型结构。它的这种分子结构决定了它的耐高温性能较低，其热变形温度大约为85℃。其耐高温性能的不足，限制了它的应用环境的范围。为了拓展其使用范围，我们积极的采用各种方法改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能，本次实验采用共混改性的方法，选用耐高温性能优于超高分子量聚乙烯的高分子材料聚丙烯（简称PP）、聚酰胺（简称PA66）、聚碳酸酯（简称PC）和高密度聚乙烯（简称HDPE），分别以不同质量分数与超高分子量聚乙烯混合，模压成型制得实验试样，分别测试共混改性后試样的维卡软化温度，观察改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能的效果。

2实验部分

2.1实验方案

在制备实验测试试样的过程中，超高分子量聚乙烯（简称UHMWPE）纯料是母料，聚丙烯（简称PP）、聚酰胺（简称PA66）和聚碳酸酯（简称PC）、高密度聚乙烯（简称HDPE）这四种材料是填加材料。

把所有实验材料干燥处理，将聚丙烯（简称PP）、聚酰胺（简称PA66）、聚碳酸酯（简称PC）和高密度聚乙烯（简称HDPE）四种材料分别按质量分数10%、20%、30%、40%与超高分子量聚乙烯纯料混合，得到16种不同质量分数配比的粉末原材料，将这些粉末原材料混合均匀，通过模压成型实验，制成16种实验试样，每种实验试样至少取3-5个，分别测量每个试样的测卡软化温度，取平均值。

2.2实验原料

超高分子量聚乙烯（简称UHMWPE），平均分子量约为150万以上，热变形温度是85℃，熔点为130℃，密度大于0.940克/立方厘米，中江聚合物有限公司；

聚丙烯，英文名称Polypropylene（简称PP），热变形温度为100℃、维卡软化温度为150℃，燕山石化有限公司生产。聚丙烯包括丙烯与少量乙烯的共聚物在内，通常为半透明无色固体，无臭无毒。由于结构规整而高度结晶化，熔点可高达167℃，耐热、耐腐蚀，聚丙烯密度小，是最轻的通用塑料。由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好，不存在环境应力开裂问题。

聚酰胺66，俗称尼龙66，英文名称Polyamide66（简称PA66），密度是1.15g/cm3，熔点是252℃。聚酰胺是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂总称，聚酰胺66在聚酰胺材料中具有较高的熔点，在较高温度的条件下也能保持较强的强度和刚度。具有较好的耐磨性和回弹性，抗疲劳性及热稳定性好，弹性回复率可达100%，能经受上万次折挠而不断裂。具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，经常代替铜应用在机械和化工等领域。

聚碳酸酯（简称PC），密度是1200Kg/m3，线膨胀率为3.8？0-5 cm/℃，热变形温度大约为135℃，奇美实业股份有限公司生产。聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是非结晶性热塑性塑料，具有优质的耐热性能、良好的透明度和极高的耐冲击强度。同时，聚碳酸酯具有很高的韧性，悬臂梁缺口冲击强度为600～900J/m，弯曲模量可达2400MPa以上。它具有较高的强度及弹性系数，并且使用温度范围广，成形收缩率低，耐疲劳性也比较好。

高密度聚乙烯，英文名称High Density Polyethylene（简称HDPE），是白色粉末状产品.无毒，无味， 密度是0.941～0.960，分子量范围40 000～300 000，使用温度100℃以上，维卡软化点为135℃，HDPE熔点为142℃，具有较高的硬度、拉伸强度，耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性比较好；化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀。

2.3试样制备

采用模压成型的方法制备实验试样，模压成型（又称压制成型）是先将粉状、粒状或纤维状的塑料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压使其成型并固化的一种成型方法。选用的设备是平板硫化成型机，型号：QLB-D400x400，上海第一橡胶机械厂。

首先把按照质量分数配好的粉末状材料研磨分散均匀，装填到模具中，把平板硫化机升温致200℃，把装好料的模具放到平板硫化机上预热20min；接着控制压力1MPa，在此下条件下预压，之后保温保压20min；保温保压结束后开模，在模压机上随模冷却到100℃左右，然后用水急速冷却，最终制成厚度为4mm厚的片状试样，再依据相应的尺寸标准裁成样片。由于各种材料的物理和化学性质不同，模压成型制得的试样可能存在成型缺陷，所以在模压成型的过程中必须将不合格的试样排除，保证合格的试样个数不少于三个，不足三个时需重新制备。

2.4耐热性能测试

按GB/T1633-2000标准测试维卡软化温度，选用的设备是热变形维卡软化点实验机，型号：ZWK1302-B，承德市考思科学检测有限公司。试样厚度4mm，边长为大于10mm的正方形，试样表面平整、平行、无飞边。实验开始前，使设备预热10min，试样水平放置在压针下，压头离试样边缘大于3mm，与仪器底座接触的试样表面应平整。实验施加负载为1kg，等速升温速率120℃/60 min，记录试样被1mm2压针头压人1mm深时的温度。读出维卡软化温度值之后，使设备先自然冷却到100℃左右，然后水冷。

3结果与讨论

聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA66）、聚碳酸酯（PC）和高密度聚乙烯（HDPE）這四种材料与超高分子量聚乙烯的共混材料在不同的质量分数时对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）维卡软化温度的影响如表1所示。

表1：UHMWPE及其共混物的维卡软化温度℃

从表1可以看出，实验测得超高分子量聚乙烯纯料的维卡软化温度是117℃。在四种材料中，共混改善超高分子量聚乙烯耐热性能效果最好的是聚碳酸酯（PC），在填加质量分数为10%时，测得其维卡软化温度是138℃；在填加质量分数为40%时，其维卡软化温度达到143℃以上；其中，在填加质量分数为20%时，其维卡软化温度已经接近140℃。

其次，聚酰胺（PA66）共混改善超高分子量聚乙烯耐热性能效果也很显著，在填加质量分数为10%时，测得其维卡软化温度是134℃；在填加质量分数为40%时，其维卡软化温度达到141℃以上。

与此同时，聚丙烯（PP）在填加质量分数为10%时，测得其维卡软化温度是120.8℃；在填加质量分数为40%时，其维卡软化温度达到125℃；高密度聚乙烯（HDPE）在填加质量分数为10%时，测得其维卡软化温度是121.2℃；在填加质量分数为40%时，其维卡软化温度达是126.4℃。聚丙烯和高密度聚乙烯与超高分子量聚乙烯共混改善其耐热性能效果并不明显。

从表1中的数据来看，共混改善超高分子量聚乙烯耐热性能时，四种共混材料存在一个共同的特点，在填加质量分数从10%、20%、30%、40%的四种不同质量配比的区间内，测得的维卡软化温度是呈逐渐升高的趋势，但是没有拉开很大的差距。改善效果好的两种材料聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA66）在填加质量分数为10%时，都取得较好较显著的效果。改善效果不明显的两种材料聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）在填加质量分数为40%时，测得的维卡软化温度仍然在125℃左右，并没有因填加质量分数的升高而取得更加显著的效果。

综合整个实验过程，我们可以看到，共混材料的维卡软化温度主要由母料决定，同时填加材料的耐热性质也起到很重要的影响作用。受填加材料耐热性能的影响，填加熔点或热变形温度较高的材料后，混合材料的维卡软化温度可以得到明显的提高；反之亦成立。

4结论

本次采用四种材料聚丙烯（简称PP）、聚酰胺（简称PA66）、聚碳酸酯（简称PC）和高密度聚乙烯（简称HDPE）共混改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能，四种材料中有两种材料聚酰胺（简称PA66）和聚碳酸酯（简称PC） 改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能的效果比较显著，在填加质量分数为30%时，均能将维卡软化温度提高到140℃左右。本次的共混改善超高分子量聚乙烯的耐高温性能为接下来的研究探索了新的方法和思路，以后将进一步探索此种方法对超高分子量聚乙烯的耐高温性能影响的研究。存在的问题有：基于现有实验条件和工艺，以及实验参数的选择不尽严格，所以测得的实验结果存在一定的误差。接下来的研究应该结合使用要求，对超高分子量聚乙烯的耐高温性能改善采取更严格的实验参数，并且与实际应用相结合，切实有效的提高超高分子量聚乙烯的耐高温性能。

基金项目：2016年山东省高等学校科技计划项目“超高分子量聚乙烯耐高温改性研究”（项目编号：J16LA60）。

作者简介：郝绘坤（1982.5-），女，山东协和学院，讲师，硕士。研究方向：高分子材料成型理论和改性研究。

参考文献

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