氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究.pdf

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1、 硕士学位论文 目录 摘要I A b s t r a c t I I 第1 章文献综述1 1 1超高分子量聚乙烯( I m M W P E ) 。1 1 1 1 超高分子量聚乙烯概述。1 1 1 2 超高分子量聚乙烯的结构和性能1 1 1 3 超高分子量聚乙烯的应用3 1 1 4 超高分子量聚乙烯的改性研究5 1 2 氧化石墨烯( G O ) 9 1 2 1 氧化石墨烯的结构和性质1 0 1 2 2 氧化石墨烯复合材料的研究进展1 2 1 3 本论文研究的目的、意义及内容1 4 第2 章实验研究方法1 6 2 1 实验原料及仪器设备。1 6 2 1 1 主要实验原料1 6 2 1 2 实验设备

2、与仪器1 6 2 2 实验方法与过程17 2 2 1 材料制备。1 7 2 2 2 表征方法1 9 2 2 3 性能测试1 9 第3 章氧化石墨烯的结构与表征2 1 3 1 弓I 言。2 1 3 2 结果与讨论2 1 3 2 1 形貌分析2 1 3 2 2 原子力显微镜分析2 2 3 2 3X 射线衍射分析。2 2 3 2 4 拉曼分析2 3 3 2 5 红外光谱分析2 4 3 2 6X 射线光电子能谱分析2 4 3 3 本章小结2 5 第4 章氧化石墨烯超高分子量聚乙烯复合材料的结构与性能研究2 6 4 1引言。2 6 4 2 结果与讨论2 7 4 2 1G O I m M W P E 复合

3、材料结构形貌分析2 7 氧化石墨烯增强超高分子鼍聚乙烯复合材料的性能研究 4 2 2G O U H M W P E 复合材料热学性能分析。3 0 4 2 3G O A J H M W P E 复合材料机械性能分析3 2 4 2 4 G O U H M W P E 复合材料摩擦磨损性能分析一3 5 4 2 5G o ，I ，H M W P E 复合材料生物相容性分析。3 8 4 3 本章小结4 0 结论4 2 参考文献4 4 致谢4 9 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 0 硕士学位论文 摘要 超高分子量聚乙烯0 P r I M W P E ) ，由于具有良好的耐磨性能、优越的抗腐蚀性

4、 和生物相容性以及高的抗冲击韧性，使其作为人工骨关节材料与金属或陶瓷人工 关节头组合成目前临床普遍采用的人工关节。但是，U H M W P E 的表面硬度偏低， 抗蠕变性能较差，实际应用中会产生聚乙烯磨屑碎片，进而引起骨质溶解，关节 松散，限制了作为人工骨关节材料的使用。 本论文采用修饰H u m m e r 方法制备氧化石墨烯( G o ) ，通过超声处理将其分 散于无水乙醇中得到稳定的G O 溶液，并选用多种手段对制备得到的G O 样品进 行了形貌观测和结构表征，结果显示制各的G O 具有褶皱起伏的层状结构，大小 在几个微米左右，厚度大约在2 - 4 n m 之间，比理论值大，约为4 5

5、层。红外光谱、 拉曼光谱、X 射线光电子能谱表征显示，相对于原始石墨，G o 中含有羧基、羟 基、环氧基等丰富的含氧官能团。将制备的G O 与U H M W P E 在无水乙醇中搅拌、 超声混合，最后热压成型制备了G O U H M W P E 复合材料。对该复合材料的微观 结构、热学性能、机械性能、摩擦磨损性能和生物相容性进行了测试，发现G O 在聚合物基体中均匀分散，与基体紧紧挤压在一起形成层状结构；G O 的添加对 复合材料的熔点影响不大，但G O U H M W P E 复合材料的结晶度比纯U H M W P E 的结晶度提高；G O 含量为0 5 时，拉伸性能最好，G O 的质量分数

6、为1 时， 显微硬度提高了1 5 ；与纯U H M W P E 相比，G O U H M W P E 复合材料的摩擦系 数升高，磨损率降低，当G O 含量为1 时，复合材料的磨损率降低了约3 5 ， 材料的耐磨性提高；此外，G O U H M W P E 复合材料对细胞生长没有负面影响， 随着培养时间的延长，细胞粘附在G O U H M W P E 复合材料的表面，保持原有的 细胞形态，并以很快的速度进行增殖、传播和生长。表明制备的G O 凡珊M W P E 。 复合材料具有优异的综合性能和良好的生物相容性，在人工骨关节应用方面将会 有很大前景。 关键词：氧化石墨烯；超高分子量聚乙烯；机械性能

7、；摩擦磨撞性能；生物相容 性 氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究 A b s t r a c t U l 协h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( U H M W P E ) ，w h i c hh a sg o o dw e a r r e s i s t a n c e ，h i g hi m p a c tt o u g h n e s s ，e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n db i o c o m p a t

8、i b i l i t y , h a sb e e nw i d e l yu s e da st h ea r t i f i c i a lj o i n tm a t e r i a l sw i t l lac o m b i n a t i o no fm e t a lo r c e r a m i c H o w e v e r , o w i n gt ot h el o ws u r f a c eh a r d n e s sa n dp o o rw e a l “ r e s i s t a n c eo f p o l y m e r , t h eU H M W

9、P Ew i l lp r o d u c ep o l y e t h y l e n ew e a l “ p a r t i c l e s ，w h i c hw i l lc a u s e b o n el o s s ，j o i n tl o o s e n i n g ，d i s c o m f o r t , a n du l t i m a t e l yl i m i t st h el i f e s p a no ft h ej o i n t s I nt h i st h e s i s ，g r a p h e n eo x i d e ( G o ) w

10、a sp r e p a r e du s i n gam o d i f i e dH u m m e r s m e t h o da n dt h e nd i s p e r s e di ne t h a n o lb yu l t r a s o n i ct r e a t m e n tt og e tt h es t a b l es o l u t i o n o fG O T h em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r a lo ft h ep r e p a r e dG Ow a sc h a r a c t e r i z

11、e db y s e v e r a lm e t h o d s T h er e s u l t ss h o w e dt h eG Oe x h i b i t e dat y p i c a l l yw r i n k l e d ，t h i na n d s h e e t 1 i k es t r u c t u r ew i t ht h es i z eo fs e v e r a lm i c r o n sa n dt h j c k n e s so fa b o u t2 - 4 m I n f r a r e d s p e c t r o s c o p y

12、, R a m a ns p e c t r o s c o p y , X - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y c h a r a c t e r i z a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h eG Oh a dc a r b o x y l ，h y d r o x y l ，e p o x ya n do t h e r o x y g e n f u n c t i o n a l g r o u p s T h eG O U H M W P Ec o m p o s i t

13、 e sw e r ep r e p a r e db y l i q u i d - p h a s eu l t r a s o n i c a t i o nd i s p e r s i o nf o l l o w e db yh o t - p r e s s i n g R e s u l t ss h o w e dt h a t G Os h e e t sw e r ee m b e d d e di n t ot h ep o l y m e rS Ot h a tG Oa n dp o l y m e rc o u l dc o m b i n e t i g h t

14、l yt oe a c ho t h e rt of o r mal a y e r e ds t r u c t u r e ；t h ec r y s t a l l i n i t yo ft h ec o m p o s i t e s i n c r e a s e dw i t ht h ea d d i t i o no fG o ；t h ea d d i t i o no f1 0w t G Oi n c r e a s e dt h e m i c r o h a r d n e s so fa b o u t15 a n dt h ec o m p o s i t ew

15、i t hG Oc o n t e n to f0 5w t h a d e x c e l l e n tt e n s i l ep e r f o r m a n c e ；c o m p a r e d 、) l ，i t hp u r eU H M W P E ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t o ft h eG O U H M W P Ec o m p o s i t ei n c r e a s e dw h i l et h ew e a l “ ，r a t ed e c r e a s e d ，a n dt h e w

16、e a rr a t eo fc o m p o s i t ed e c r e a s e db ya b o u t3 5 w h e nt h eG Oc o n t e n to f1 ； m o r e o v e r , t h ea d d i t i o no fG o s h e e t si n t oU H M W P Eh a dn on e g a t i v ee f f e c tO l lt h ec e l l g r o w t ha n dt h ec e l l sw e l la d h e r e da n dp r o l i f e r a t

17、 e do nt h eG O U H M W P Es u r f a c ew i t h t h ei n c r e a s eo ft h ec u l t u r et i m e T h e r e f o r e ，t h ec o m b i n e da d v a n t a g e so ft h e G O U H M W P Ec o m p o s i t e s ，i n c l u d i n gi m p r o v e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dg o o d b i o c o m p a t

18、 i b i l i t y , m a k et h e mp r o m i s i n gm a t e r i a l sf o ra r t i f i c i a lj o i n t sa p p l i c a t i o n s K e yW o r d s ：G r a p h e n eo x i d e ；U l t r a h i g h m o l e c u l a rw e i g h t p o l y e t h y l e n e ； M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； F r i c t i o na n

19、dw e a r p r o p e r t i e s ； B i o c o m p a t i b i l i t y ； 一种线型聚合物，它的分子量通常在l x l 0 6 9 t o o l 以上，结晶度一般在6 5 8 5 ， 密度为O 9 2 0 9 6 9 c m 3 。与其他的聚合物材料相比，U H M W P E 具有自润滑性， 摩擦系数小，抗磨损性高，化学稳定性好，抗冲击和拉伸性能好，弹性模量高， 常温下抗蠕变性能好等优点。在所有商业化的工程塑料中，它具有最好的抗磨损 性和抗冲击性。随着U H M W P E 制备加工技术的不断完善，U H M W P E 及其复合 材料

20、在医疗产业方面的应用将会日益扩展并将取得重大的产业化成果。 1 1 2 超高分子量聚乙烯的结构和性能 U H M W P E 是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。世界上 最早由美国砧l i e dC h e m i c a l 公司于1 9 5 7 年实现工业化，此后德国H o e c h s t 公司、 美国H e r c u l e s 公司、日本三井石油化学公司等也投入工业化生产。我国于1 9 6 4 年最早研制成功并投入工业生产。限于当时条件，产物分子量约1 5 0 万左右，随 着工艺技术的进步，目前产品分子量可达1 0 0 万“ 一4 0 0 万以上。 I m M W

21、P E 的分子结构与普通的高密度聚乙烯( H D P E ) 的分子结构完全相 同，只是分子量不同，但是性能有很大的区别。由单体单元结构为( - C H 2 C H 2 ) 的线性分子构成，是一种没有侧向分支的长链型的线性结构聚合物。对于分子量 达到多少才算是U H M W P E 至今尚无统一的标准。按照美国P h i l l i p s 的分类法， 将分子量为1 5 0 万以上的聚乙烯称为U H M W P E ，但也有人认为分子量大于2 0 0 万的线性聚乙烯才能称为U H M W P E 。但是根据聚乙烯性能与分子量之间的关系， 1 5 0 万作为U H M W P E 的起始分子量是

22、比较合适的。 虽然U H M W P E 在结构上与普通的聚乙烯相同，但由于它的相对分子质量比 一般的聚乙烯要高的很多，所以它具有很多普通聚乙烯所没有的优良性能【1 。5 1 ， 下面将逐一介绍。 ( 1 ) 耐磨损性能 U H M W P E 的耐磨损性能居各种耐磨塑料之首，比碳钢和黄铜还能耐磨数倍， 比尼龙6 6 和聚四氟乙烯高出4 5 倍，比一般的聚乙烯高出近数十倍以上。 U H M W P E 的耐磨性可以随着本身分子量的增大而增大，但是当它的分子量达到 氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究 一定数值时耐磨性也就不再增大了。图1 1 表示在沙浆磨损法测试下，超高分子 量聚乙

23、烯的磨损性能与其他材料的磨损性能比较结果。试验条件为：沙浆由2 份水、3 份沙组成；试件的转速9 0 0r r a i n ；运转时间7 h 。 木材 黄铜 碳钒 P V C H D P E P F P O M P F F E M 6 6 M ( ? 尼龙 U H M W P E 一一、l d 茸 ，7 _ 一一7 1 0 1 0 _ 一1 譬= = 口6 = 口5 = 目5 盘4 - l 0 1 0 2 0 3 04 05 l l 沙浆磨耗指数 图1 1U H M W P E 与其他材料的耐磨性比较嘲 ( 2 ) 耐冲击性 耐冲击性也是U H M W P E 有别于其它工程塑料的较重要性能指

24、标，在所有工 程塑料中，它的耐冲击性能是最好的。与其他类似的塑料相比，它的抗冲击强度 是聚碳酸酷的2 倍，是A B S 塑料的5 倍，比聚甲醛及其他聚酯塑料高近十倍。 与耐磨性类似，U H M W P E 的耐冲击强度也随着分子量的变化而变化，随着它分 子量的增加，抗冲击强度也会增大，当分子量达到一定值时，抗冲击强度也会到 达一个峰值。这是因为U H M W P E 的密度一般随分子量的增加而有所下降，较长 的分子链阻碍了结晶作用的进行，导致长链聚合物中存在大量的无定形区，从而 降低了密度，进而引起其抗冲击性能的下降。一般情况下，普通的冲击试验方法 并不能把U H M W P E 的试样冲击断

25、裂，即使把试样放在温度较低的液氮中，它也 能够保持较高的韧性，这是其它工程塑料所无法比拟的。此外，在反复的冲击后， 它的表面会出现应力硬化，其中硬度值将会变得更高。其中，国外开发的分子量 超高5 0 0 万的U H M W P E ，这种材料在温度升高时不会发生熔融而是转变为粘弹 性态，因此具有比普通U H M W P E 更高的耐冲击性和耐磨性。 ( 3 ) 拉伸强度 由于U H M W P E 特殊的结构特点，它具备拉伸取向的结构特征，因此具有无 可匹敌的超高拉伸强度。其中拉伸强度可以达到3 3 5 G P a ，拉伸弹性模量更是高 j 达10 0 1 2 5 G P a 。 ( 4 )

26、自润滑性 2 的摩擦因数比聚四氟乙烯稍低。在滑动摩擦或滚动摩擦时，U H M W P E 的润滑性 要比涂了润滑油的钢和黄铜还好，并且在与钢或铜配对使用时不易产生粘着磨 损。 ( 5 ) 耐化学腐蚀性 由于H U M W P E 分子结构上没有双键和支链，并且它的结晶度比较高等原 因，因而它具有良好的耐化学腐蚀性能，能在一定温度、浓度范围内抵抗各种腐 蚀性介质及有机溶剂。 ( 6 ) 耐低温性 U H M W P E 具有极佳的耐低温性能，即使在低于冰点以下，也具备良好的抗 冲击强度，最低使用温度可以达到零下2 6 9 。是目前唯一一种可以在接近绝对 零度的温度下工作的工程塑料。可以应用在超低

27、温情况下的低温部件、管道以及 核工业等领域。 ( 7 ) 吸水性能 U H M W P E 几乎是不吸水的，在水中也不会膨胀，而且它的吸水率在工程塑 料中是最小的。这是由于超高分子量聚乙烯的分子链仅由碳氢元素组成，分子链 中没有极性基团，因此吸水率极低，即便在潮湿的环境中也不会因吸水而使尺寸 发生变化，从而样品的精度和耐磨性等机械性能等也不会受到影响，在成型加工 时也不必进行干燥处理。 ( 8 ) 其它性能 除了上述的主要性能外，U H M W P E 还具有无毒性、减震性、密度低、优良 的电气绝缘性能，比一般的聚乙烯和高密度聚乙烯具有更优良的耐环境应力开裂 性、耐疲劳性和耐射线能力。 1 1

28、 3 超高分子量聚乙烯韵应用 由于I 用M W P E 具有许多非常优异的性能，因而能够满足许多产业部门对材 料的特殊要求，随着科技的发展，它的应用领域不断扩大，充分体现出这种材料 的巨大优越性和商业价值。目前U H M W P E 已经在纺织、包装、造纸、机械、运 输、化工、采矿、石油、建筑、医疗、体育等众多行业中得到广泛应用，并开始 进入常规兵器、船舶、汽车等领域，今后它的应用还将扩大到其它新的领域【7 d 5 1 。 ( 1 ) 纺织工业 由于U H M W P E 具有优良的耐冲击性、自润滑性和消音性，使得它最早应用 在纺织机械领域。第一个U H M W P E 部件于上世纪5 0 年

29、代生产出来之后，相继 有超过2 0 0 多种U H M W P E 的纺织部件相继问世。目前，国外在每台纺织机上应 用的U H M W P E 零件平均有多达3 0 件左右。例如投梭器、打梭棒、联结器、齿 氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究 轮、扫花杆、偏心块、缓冲块、摆动后梁等耐冲击磨损零件都是采用U H M W P E 制备。 ( 2 ) 工业管材 随着我国工业的迅猛发展，一些矿山、发电厂、制铝厂等工业化生产厂家为 了提高产值，降低费用支出，急需超高强度管材来代替钢管而用在排放系统。 U H M W P E 工业管材也就相继诞生。 ( 3 ) 包装与机械材料 由于U H M

30、W P E 材料具有优良的机械性能、化学稳定性和无毒、无味、不吸 水、不粘接、耐腐蚀、重量轻等众多优点，所以在包装和食品机械行业有着极大 的应用市场。目前已成功向各种包装和食品机械以及灌装线成功地提供了各种不 同形状和结构的链条、滚轮、链节、蜗杆、导杆、齿轮等的配件。采用U H M W P E 作为机械材料要比原来采用的金属材料，使用寿命提高1 0 5 0 倍。 ( 4 ) 生物医用材料 近年来，国内外的专家一直致力于发展具有世界工程应用价值及在人体环境 条件下具有可靠耐磨性的骨关节材料，其中针对以U H M W P E 基人工关节软骨材 料微代表的研究受到了人们的广泛重视。由于具有良好的耐磨

31、性能、优越的抗腐 蚀性和生物相容性以及高的抗冲击韧性，使得U H M W P E 作为人工骨关节( 关节 臼) 材料与金属或陶瓷人工关节头组合成为目前临床普遍采用的人工关节【1 6 1 。 作为人工髓关节的合成材料，综合研究U H M W P E 作为关节材料的各项性能，它 的耐磨性和安全性比之前的聚四氟乙烯塑料更为优异。此外，U H M W P E 还可以 应用于一些组织支架材料，例如神经、颅骨及人耳的耳小鼓的支架材料。 U H M W P E 还可制成多孔材料，其结构与骨组织的网状结构类似，由于U H M W P E 具有良好的生物相容性，所以骨组织可以通过它的网状结构进行传导生长，这种

32、材料已经被应用于人工骨组织的支架以及基因生长的载体材料。图1 2 为 U H M W P E 与H D P E 材料制备而成的人工髋臼。 ( 5 ) 体育器材 图1 2H D P E 和U H M W P E 材料制备的人工髋臼1 1 7 】 4 硕士学位论文 由于U H M W P E 本身具有自润滑性，而且摩擦系数很低，同时在零下2 0 0 时仍具有很好的耐寒性，所以可用于一些体育器械，例如滑冰、滑雪、水上运动 等体育器材的滑动部件。除此以外，还可以制作保龄球的球道、雪花干扰装置、 机动雪橇链轮和运动训练的自动装置等。此外，U H M W P E 还可以制成纤维，与 其它的纤维性能相比，它

33、具有比强度、比模量高，综合性能好，密度低等特点。 U H M W P E 纤维强度很高，是普通优质钢材的1 5 倍左右，是一般工程塑料如尼 龙6 6 纤维的4 倍，芳纶纤维的1 7 倍，碳纤维的2 6 倍。与这些高强纤维相比， 它的耐疲劳性和耐磨性最高。与其他纤维增强复合材料相比，U H M W P E 纤维增 强的复合材料具有最好的冲击性能【1 8 】。将这种纤维制成织物，应用在体育制品 里，可以抵抗高强度的碰撞，降低了由于运动装备的破损严重化给运动员带来的 伤害，使这种由器材破损给人带来的伤害降至最低，进而被运动装备制备公司采 用来制作滑雪服、靴鞋等运动装备。 ( 6 ) 设备衬里 利用超

34、高分子量聚乙烯的自润滑与难粘附性、耐化学腐蚀性与耐冲击性等优 点，可以被广泛制成推土板衬里，挖土机铲斗衬里和自卸车车厢的内衬。还可以 作为煤、水泥、矿粉等物料的衬里。这样可以提高设备的使用寿命，在节约材料 的同时还可以降低成本。 ( 7 ) 化学工业 U H M W P E 材料的耐磨性和耐药品性使其在化工机械中大受欢迎。一般的金 属材料抗腐蚀性都比较低，而采用U H M W P E 材料代替金属材料制成的耐酸泵、 传动机械、水泵、轴套、密封垫板、齿轮等设备，不仅使用寿命大大延长，而且 成本大为降低，使U H M W P E 材料在化学工业领域占有举足轻重的地位。 ( 8 ) 煤矿工业 U H

35、 M W P E 材料在煤矿应用上具有广阔的前景。为了确保煤炭的生产安全， 煤矿设备很多都要采用防爆材料，而U H M W P E 具有高耐磨性、摩擦系数小、耐 冲击、成本低、工艺性能好等优点，进而将该材料制成煤矿轴瓦、轴套、平板、 压滤机滤板、喷浆机摩擦片及筛板等设备。这些煤矿生产设备在提高工作效率的 同时还带来了巨大的经济效益和社会效益。 1 1 4 超高分子量聚乙烯的改性研究 虽然U H M W P E 具有许多优异的特性，但也有许多不足，如其熔融指数很低， 熔点比较高，在2 0 0 左右，并且其粘度大、流动性差而难加工成型，此外与其 他工程塑料相比，U H M W P E 具有表面硬度

36、低、刚度差、热变形温度低、弯曲强 度和蠕变性能较差和抗磨粒磨损能力差等缺点，这些不足影响了其使用效果和应 用范围。为了克服U H M W P E 的这些不足，弥补这些缺点，使其能够在条件要求 较高的某些场所得到应用，需要对U H M W P E 进行改性。目前，常用的改性方法 5 氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究 有物理改性、化学改性、聚合物填充改性和U H M W P E 自增强改性等。改性的目 的是在不影响U 蹦W P E 主要性能的基础上提高其熔体流动性，或针对 U H M W P E 自身性能的缺陷进行复合改性，如改进熔体流动性、耐热性、抗静电 性、阻燃性及表面硬度等，

37、使其能在专用设备上或通用设备上成型加工。 1 1 4 1 低熔点、低粘度树脂共混改性 U H M W P E 的流动性能差是其加工成型的主要缺陷，通过与低熔点、低粘度 树脂共混改性可以有效改善它的流动性。高密度聚乙烯( H D P E ) 、低密度聚乙烯 ( L D P E ) 、尼龙( P A ) 、聚丙烯( P P ) 等聚合物具有低熔点、低粘度，与U H M W P E 混 合形成共混体系后，当该体系被加热到熔点以上时，U H M W P E 就会悬浮在低熔 点树脂的液相中，从而形成可挤出、可注射的悬浮体物料，提高加工流动性。 青岛化工学院的尹德荟【1 9 1 等人研究了H D P E

38、的加入对U H M W P E 加工性能 的影响。结果发现，H D P E 的加入不但可使材料的流动性有较大提高，而且不会 使力学性能下降很大，在体系中加入一些成核剂就可维持材料的力学性能。在流 动体系中，低粘度组份倾向于形成连续相，把高粘度组份包在里面，从而使整个 混合物的粘度下降。由于I m M W P E H D P E 体系中两组份的粘度有较大差异，这 就使得体系的表观粘度随H D P E 组份的增加而明显减小。在H D P E R J H M W P E 共 混体系中，H D P E 和U H M W P E 是各自结晶的，由于分子链相互作用而影响到各 自的结晶，使体系的球晶尺寸减小

39、。但是U H M W P E 与H D P E 两者相容性较好， 球晶之间的界面不甚明显，虽然随H D P E 含量的增多两种球晶之间的界面越来 越大，但是也越来越不明显，由界面上分子链排布不同而引起的内应力不会有太 大的提高，因此裂纹的产生和发展也就不会有太大的加剧，体系的力学性能不会 随H D P E 含量的增加而有较大幅度的下降。 在P P 八，W P E 共混体系中，P P 对U H M W P E 有明显的增韧作用，并能有 效提高它的加工流动性能。刘功德 2 0 l 等人研究得出一定量P P 的加入可使 U H M W P E 在通用加工设备上进行塑化加工。纯的U H M W P E

40、 不存在常见的假塑 性流动区，在低剪切速率下无法正常挤出，挤出压力振荡不定。当一定量的P P 加入时，U H M W P E 呈现假塑性流动，未出现压力振荡现象。表明P P 的加入， 能有效地降低U H M W P E 的链缠结密度和弹性效应，因而加工性能得以明显改 善。U H M W P E 与含乙烯链段的P P 共聚物共混后，共混体系的亚微观相态为双 连续相，这种情况下两种分子会共同构成一种共混网络，其余的U H M W P E 构成 一个网络，两者交织成为一种“线性互穿网络”。其中共混网络在材料中起到骨架 支撑作用，为材料提供机械强度，当受到外力冲击时，它会发生较大的形变以吸 收外界能量

41、，从而起到增韧的作用，如果形成的网络越完整，密度越大，则增韧 效果就越好。 四川大学的袁辉【2 l 】等人分别研究了L D P E 、H D P E 、P P 以及P A 对U H M W P E 流动及磨损性能的影响，发现流动性越好的聚乙烯对U H M W P E 流动性能改进越 6 硕士学位论文 大，并且加入的比例越高，共混物的流动性越好；当H D P E 组分小于5 0 时， 对I 珊M w P E 磨损性能影响很小，但是L D P E 则大大损害了共混物的磨损性能。 均聚P P 比共聚P P 对U H M W P E 的流动性提高更大，但使其磨损性能大大降低。 P A 含量在4 0 以

42、下时对U H M W P E 的流动性能改进不大，对磨损性能影响也很 小。 1 1 4 2 流动改性剂改性 以改善U H M W P E 加工性能为目的的共混改性研究已发展了近3 0 年，科研 人员早已认识到只添加一种物质是不可能充分地解决和改善U H M W P E 加工性 能的，因此，人们试验各种复合配方，多方面、多角度的解决U H M W P E 的加工 问题。在各种配方中有一个共同组分，即润滑剂。从U H M W P E 的分子结构来看， 其分子之间的凝聚力较小，原子对称排列具有较好的自润滑性，但是熔融态的 U H M W P E 呈现高弹态，极易粘附在加工设备上。因此加入一些特殊得到

43、润滑剂， 使金属和熔体表层间形成一层膜以改善其流动性 2 2 1 。润滑剂是改善聚合物加工 性的一种添加剂，它的主要作用是在加工过程中降低材料与加工机械之间以及材 料内部分子之问的相互摩擦，进而改善塑料加工性并提高制品性能。优良的润滑 剂应该具有良好的分散性、聚合物的相容性及优良的热稳定性等特性。 美国专利U S P 4 8 5 3 4 2 7 t 2 3 1 报道，将美国A l l i e d - S i g n a l 公司生产的一种共聚物 与硬脂酸盐配合作为加工U H M W P E 的润滑剂，发现其加工效果非常良好。这种 复合润滑剂与U H M W P E 的共混可以在普通单螺杆挤出机

44、和注塑机上加工，加工 温度在1 5 0 3 0 0 之间，压力为1 0 - 4 0 M P a 。乙烯丙烯酸共聚物中的酸性基团在 共混时被羧酸盐中和而形成离子交联聚合物，这种离子交联聚合物兼顾内外润滑 作用，使共混物可以在普通挤出机或注塑机上加工。 1 1 4 3 填料共混改性 由于U H M W P E 材料本身的硬度比较低，抗磨粒磨损和抗疲劳磨损能力比较 差，通常采用添加填料的方式对U H M W P E 进行共混复合改性，来改善U H M W P E 的蠕变性、弯曲强度、刚度、硬度、热挠曲、热变形温度和尺寸稳定性等。常用 的掺杂填料有二氧化硅、玻璃微珠、纤维、云母、滑石粉、炭黑、三氧化二

45、铝、 层状硅酸盐等。一般情况下，在U B M W P E 复合材料中填料的最大填充量不得超 过3 0 ，经偶联剂处理的填充量可以达到5 0 7 5 ，但是复合材料的改善程度 取决于填料的性质，并和填充量、填料的粒度、形态、分散均匀性以及聚合物的 分子量有关。 任露泉等幽】将U H M W P E 与石英砂按8 0 ：2 0 的体积比混合后装入模具，先在 3 0 M P a 下冷压成型并于1 6 5 下烧结4 h ，最后在3 0 - 4 0 M P a 之间自然冷至8 0 时脱模，制成了石英砂增强的U H M W P E 复合材料。研究结果表明：将石英砂引 入U H M W P E 后，提高了材

46、料表面的硬度，增强了基体抗犁切能力，减小了犁沟 7 氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究 的深度，阻断了犁沟的连续，从而抑制了犁沟的扩展，使得材料的耐磨粒磨损性 能得以大幅度提高。其中，纯U H M W P E 、1 5 0 2 0 0 1 m a 石英U H M W P E 和3 0 0 4 0 0 1 t i n 石英U H M W P E 三种复合材料在磨料粒度为O 1 2 3 r a m 时的相对耐磨系数比为 1 ：2 8 8 ：5 5 2 。 雷毅【2 5 】等人用热压成型法制备了纳米n 0 2 填充U H M W P E 复合材料并研究 了其在干摩擦条件下与4 5 # 钢配副时的摩擦磨损行为。结果表明，填充质量分数 为1 5 的纳米n 0 2 能显著改善U H M W P E 的耐