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超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的改性方法全方位介绍
2014-08-29 23:25:41

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的改性  
3.1 物理机械性能的改进
  与其它工程塑料相比,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)具有表面硬度和热变形温度低、弯曲强度以及蠕变性能较差等缺点。这是由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的分子结构和分子聚集形态造成的,可通过填充和交联的方法加以改善。
3.1.1 填充改性
  采用玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、炭黑等对超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)进行填充改性,可使表面硬度、刚度、蠕变性、弯曲强度、热变形温度得以较好地改善。用偶联剂处理后,效果更加明显。如填充处理后的玻璃微珠,可使热变形温度提高30℃。
  3.2.1 交联
  交联是为了改善形态稳定性、耐蠕变性及环境应力开裂性。通过交联,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的结晶度下降,被掩盖的韧性复又表现出来。交联可分为化学交联和辐射交联。化学交联是在超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)中加入适当的交联剂后,在熔融过程中发生交联。辐射交联是采用电子射线或γ射线直接对超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)制品进行照射使分子发生交联。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的化学交联又分为过氧化物交联和偶联剂交联。
 
3.2 加工性能的改进
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)树脂的分子链较长,易受剪切力作用发生断裂,或受热发生降解。因此,较低的加工温度,较短的加工时间和降低对它的剪切是非常必要的。
  为了解决超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的加工问题,除对普通成型机械进行特殊设计外,还可对树脂配方进行改进:与其它树脂共混或加入流动改性剂,使之能在普通挤出机和注塑机上成型加工,这就是2.2.2中介绍的润滑挤出(注射)。
3.2.1 共混改性
  共混法改善超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的熔体流动性是最有效、最简便和最实用的途径。目前,这方面的技术多见于专利文献。共混所用的第二组份主要是指低熔点、低粘度树脂,有LDPE、HDPE、PP、聚酯等,其中使用较多的是中分子量PE(分子量40万~60万)和低分子量PE(分子量<40万)。当共混体系被加热到熔点以上时,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)树脂就会悬浮在第二组份树脂的液相中,形成可挤出、可注射的悬浮体物料。
3.2.2 流动改进剂改性
  流动改进剂促进了长链分子的解缠,并在大分子之间起润滑作用,改变了大分子链间的能量传递,从而使得链段位移变得容易,改善了聚合物的流动性。
  用于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的流动改进剂主要是指脂肪族碳氢化合物及其衍生物。其中脂肪族碳氢化合物有:碳原子数在22以上的n-链烷烃及以其作主成分的低级烷烃混合物;石油分裂精制得到的石蜡等。其衍生物是指末端含有脂肪族烃基、内部含有1个或1个以上(最好为1个或2个)羧基、羟基、酯基、羰基、氮基甲酰基、巯基等官能团;碳原子数大于8(最好为12~50)并且分子量为130~2000(以200~800为最佳)的脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯、脂肪醛、脂肪酮、脂肪族酰胺、脂肪硫醇等。举例来说,脂肪酸有:癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬酯酸、油酸等。
  我国制备了一种有效的流动剂(MS2),添加少量(0.6%~0.8%)就能显著改善超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的流动性,使其熔点下降达10℃之多,能在普通注塑机上注塑成型,而且拉伸强度仅有少许降低。
  另外,用苯乙烯及其衍生物改性超高分子量聚乙烯(UHMW-PE),除可改善加工性能使制品易于挤出外,还可保持超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)优良的耐摩擦性和耐化学腐蚀性;1,1-二苯基乙炔、苯乙烯衍生物、四氢化萘皆可使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)获得优良的加工性能,同时使材料具有较高的冲击强度和耐磨损性。
3.2.3 液晶高分子原位复合材料
  液晶高分子原位复合材料是指热致液晶高分子(TLCP)与热塑性树脂的共混物,这种共混物在熔融加工过程中,由于TLCP分子结构的刚直性,在力场作用下可自发地沿流动方向取向,产生明显的剪切变稀行为,并在基体树脂中原位就地形成具有取向结构的增强相,即就地成纤,从而起到增强热塑性树脂和改善加工流动性的作用。清华大学赵安赤等采用原位复合技术,对超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)加工性能的改进取得了明显的效果。
  用TLCP对超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)进行改性,不仅提高了加工时的流动性,采用通常的热塑加工工艺及通用设备就能方便地进行加工,而且可保持较高的拉伸强度和冲击强度,耐磨性也有较大提高。
3.3 聚合填充型复合材料
  高分子合成中的聚合填充工艺是一种新型的聚合方法,它是把填料进行处理,使其粒子表面形成活性中心,在聚合过程中让乙烯、丙烯等烯烃类单体在填料粒子表面聚合,形成紧密包裹粒子的树脂,最后得到具有独特性能的复合材料。它除具有掺混型复合材料性能外,还有自己本身的特性:首先是不必熔融聚乙烯树脂,可保持填料的形状,制备粉状或纤维状的复合材料;其次,该复合材料不受填料/树脂组成比的限制,一般可任意设定填料的含量;另外,所得复合材料是均匀的组合物,不受填料比重、形状的限制。
3.4 超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的自增强
  在超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)基体中加入超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维,由于基体和纤维具有相同的化学特征,因此化学相容性好,两组份的界面结合力强,从而可获得机械性能优良的复合材料。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维的加入可使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的拉伸强度和模量、冲击强度、耐蠕变性大大提高。与纯超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)相比,在超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)中加入体积含量为60%的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维,可使最大应力和模量分别提高160%和60%。这种自增强的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)材料尤其适用于生物医学上承重的场合,而用于人造关节的整体替换是近年来才倍受关注的,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)自增强材料的低体积磨损率可提高人造关节的使用寿命。
4 超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的合金化
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)除可与塑料形成合金来改善其加工性能外(见3.2.1和3.2.3),还可获得其它性能。其中,以PP/超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)合金最为突出。
  通常聚合物的增韧是在树脂中引入柔性链段形成复合物(如橡塑共混物),其增韧机理为“多重银纹化机理”。而在PP/超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)体系,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)对PP有明显的增韧作用,这是“多重裂纹”理论所无法解释的。国内最早于1993年报道采用超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)增韧PP取得成功,当超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的含量为15%时,共混物的缺口冲击强度比纯PP提高2倍以上。最近又有报道,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)与含乙烯链段的共聚型PP共混,在超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的含量为25%时,其冲击强度比PP提高一倍多。以上现象的解释是“网络增韧机理”。  
5 超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的复合化
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)可与各种橡胶(或橡塑合金)硫化复合制成改性PE片材,这些片材可进一步与金属板材制成复合材料。除此之外,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)还可复合在塑料表面以提高耐冲击性能。
  在超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)软化点以上的温度条件下,将含有硫化剂的未硫化橡胶片材与超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)片材压制在一起,可制得剥离强度较高的层合制品,与不含硫化剂的情况相比,其剥离强度可提高数十倍。用这种方法同样可使未硫化橡胶与塑料的合金(如EPDM/PA6、EPDM/PP、SBR/PE)和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)片材牢固地粘接在一起。