董 源，張 先，薛 俊，曹 宏

(1.中國中材進(jìn)出口有限公司，北京 100048；2.武漢工程大學(xué)材料學(xué)院，湖北 武漢 430074)

超高分子量聚乙烯/白炭黑復(fù)合材料的性能

董 源1，張 先2，薛 俊2，曹 宏2

(1.中國中材進(jìn)出口有限公司，北京 100048；2.武漢工程大學(xué)材料學(xué)院，湖北 武漢 430074)

將白炭黑添加到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中，通過球磨混合、熱壓成型制備了UHMWPE/白炭黑復(fù)合材料。對不同白炭黑添加量復(fù)合材料樣品的摩擦、磨損、拉伸、壓縮和彎曲等性能的研究表明，與純UHMWPE相比添加10%白炭黑的復(fù)合材料，其摩擦系數(shù)略有增大，但磨損量降低了10.2%，拉伸強(qiáng)度提高了12.7%，壓縮強(qiáng)度提高了56.0%，60℃時的彎曲強(qiáng)度提高了12.8%，充分反映了復(fù)合的優(yōu)勢。XRD、SEM分析表明此時的復(fù)合材料成分、結(jié)構(gòu)都很均勻。

超高分子量聚乙烯；白炭黑；復(fù)合材料；摩擦磨損；力學(xué)性能

超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene，簡稱UHMWPE)是一種線性結(jié)構(gòu)的工程塑料，以其杰出的耐磨性、優(yōu)異的抗沖擊性和很低的摩擦系數(shù)而備受人們親睞[1]，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、采礦、化工、包裝、機(jī)械等領(lǐng)域[2-4]。但超高分子量聚乙烯也存在強(qiáng)度低，溫度稍高時容易變形，熱導(dǎo)率低，使用溫度范圍窄等缺點。為了改善這些性能，研究人員以超高分子量聚乙烯為基體，通過添加石英粉、陶瓷粉、銅粉、有機(jī)粘土、石墨粉、碳納米管等制備復(fù)合材料，進(jìn)行了大量改性研究[5-7]。本文作者以氣相白炭黑(White Carbon Black，簡稱WCB)為填料，通過球磨混料、熱壓成型制備了不同白炭黑摻量的超高分子量聚乙烯/白炭黑復(fù)合材料，用X-射線衍射儀(XRD)和掃描電鏡(SEM)對樣品成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，用銷盤摩擦試驗機(jī)對樣品的摩擦磨損性能進(jìn)行了測試，并依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對樣品的拉伸、壓縮以及不同溫度下的彎曲性能進(jìn)行了研究。

1 試驗

1.1 樣品制備與表征

球磨共混：將白炭黑(廣州某公司生產(chǎn))與UHMWPE(北京助劑二廠生產(chǎn))按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0、0.6、1.2、5.0、10.0、20.0和40.0進(jìn)行配比，并充分混合。將稱量好的物料放入瑪瑙球磨罐，加入醫(yī)用酒精至物料淹沒，按料球質(zhì)量比1∶4放入瑪瑙研磨球，以500r/min轉(zhuǎn)速在行星球磨機(jī)上球磨30min；然后將料取出用紅外燈烘干，過30目篩得到UHMWPE/白炭黑混合料。

摩擦磨損試樣成型：稱取上述混合料15g裝入內(nèi)徑Φ50mm的熱壓模具中，以4℃/min的速率升溫同時加壓，100℃前保持壓力為110MPa，然后壓力會出現(xiàn)馳豫，需不斷加壓以保證至185℃時壓力≥55MPa；在185℃保溫30min，保溫期間壓力保持在20MPa；然后自然冷卻就得到UHMWPE/白炭黑復(fù)合材料的圓片試樣，試樣尺寸為Φ50mm×8mm。用于其他測試項目的樣品，采用不同模具成型，形狀、尺寸和質(zhì)量有所不同，但熱壓成型工藝與此一致。

成分、結(jié)構(gòu)表征：用Shimadzu XD-5A型X-射線衍射儀(XRD) 分析所制備樣品的物相；用JSM-5510LV掃描電鏡(SEM)觀察試樣斷面形貌和微觀結(jié)構(gòu)。

1.2 摩擦學(xué)試驗

用XP銷—盤摩擦磨損試驗機(jī)(武漢理工大學(xué)摩擦研究所制造)對UHMWPE/白炭黑復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行評價。摩擦副接觸方式為球—塊接觸，偶件采用武漢鋼球廠生產(chǎn)GCr15鋼Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)球(Φ10mm)，下摩擦副為測試樣塊，樣塊上下表面用銑床機(jī)械銑平。試驗條件：線速度0.5m/s，荷載50N，時間30min，常溫干磨擦，試驗前用丙酮清洗樣塊和偶件，試驗后用游標(biāo)卡尺測量圓環(huán)形磨痕的外圓直徑D2和內(nèi)圓直徑D1，用公式(1)計算磨損量W，利用公式(2)計算磨損量變化率Δw。

式中：W為磨損量，g；ρ為試樣密度，g/cm3；為磨斑體積，cm3；D1，D2為磨斑圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑，cm；R為上摩擦副鋼球直徑，為1cm；Δw為磨損量變化率，%；WC為白炭黑添加量為C%試樣的磨損量，g；W0為純UHMWPE試樣的磨損量，g。

對于每一配比都進(jìn)行了2次測試，最后結(jié)果取2次結(jié)果的平均值。

1.3 力學(xué)性能測試

按照GB/T 1040-2006測試不同白炭黑添加量試樣的拉伸性能[8]；按照GB/T 1041-2008測試不同白炭黑添加量試樣的壓縮性能[9]；按照GB/T 1449-2005測試試樣在8℃和60℃的彎曲性能[10]。對于每一白炭黑添加量，所有力學(xué)性能測試都至少測試了5個樣品，最后數(shù)值取全部測試結(jié)果的平均值，并計算了測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 成分與結(jié)構(gòu)

圖1為白炭黑添加量為10%樣品的X-射線衍射圖譜。圖1表明，樣品由結(jié)晶程度較高的聚乙烯和SiO2組成，樣品為復(fù)合材料，填料與基體間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

SEM觀察表明，當(dāng)白炭黑添加量≤10%時，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)均勻，在10×1 000放大倍率下無法分辨填料WCB與基體UHMWPE的界面(圖2a)；當(dāng)白炭黑添加量為40%時，填料出現(xiàn)團(tuán)聚，呈網(wǎng)格狀分布于基體中，UHMWPE與WCB之間的界限清晰(圖2b)。但WCB分布仍然均勻，說明球磨混料實現(xiàn)了填充物與基體的均勻混合。

2.2 摩擦磨損性能

圖3給出了摩擦系數(shù)μ、磨損量變化率Δw與白炭黑添加量C之間的關(guān)系。

試驗結(jié)果顯示：未添加WCB的純UHMWPE樣品，μ0=0.139 5；隨著WCB添加量增加，摩擦系數(shù)普遍增大。僅當(dāng)C=0.6%時，μ低于純UHMWPE，但該配比的兩次測試值相差很大，即試驗數(shù)據(jù)的誤差較大。由此可見，向UHMWPE中添加WCB會使樣品摩擦系數(shù)增大，但增大的幅度不大。換而言之，添加WCB不會顯著損害UHMWPE的低摩擦系數(shù)的優(yōu)點。圖3中磨損量變化率試驗數(shù)據(jù)表明，WCB添加量≤10%時，磨損量隨著添加量增大而減小，但不是線性關(guān)系。當(dāng)C=10%時，磨損量最低，比純UHMWPE降低10.2%。當(dāng)WCB添加量>10%時，磨損量迅速增大，均比純UHMWPE大。由此說明，添加適量WCB可以更好發(fā)揮UHMWPE的耐磨優(yōu)勢。對于C≤10%樣品更加耐磨的可能原因有二：①白炭黑本身的耐磨性就極好；②復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)非常均勻，WCB與UHMWPE結(jié)合非常緊密，在很高放大倍數(shù)下都難以觀察到界面存在，從而明顯抑制了“犁溝效應(yīng)”的出現(xiàn)，增大了材料的耐磨性。

2.3 力學(xué)性能

(1) 拉伸性能。

隨著WCB添加量增大，樣品拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大，后減小的變化趨勢(圖4)。當(dāng)C=10%時，樣品拉伸強(qiáng)度σM達(dá)到最大，比純UHMWPE的拉伸強(qiáng)度增大了12.7%。試驗數(shù)據(jù)顯示，拉伸強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差介于1.0～2.9MPa之間，相對偏差均在10%以內(nèi)，說明試驗數(shù)據(jù)離散性較低，具有較高的可信度。屈服拉伸應(yīng)變εy隨著WCB含量增大而持續(xù)減小，二者幾乎呈線性遞減的關(guān)系(圖4)。這說明剛性白炭黑粒子的加入，降低了UHMWPE的塑性變形能力，對于UHMWPE易于變形的缺點有所改善。

(2) 壓縮性能。

圖5顯示了壓縮強(qiáng)度、屈服壓縮應(yīng)力與WCB添加量的關(guān)系。圖5表明，隨著WCB添加量增大，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度σ和屈服壓縮應(yīng)力σy增大，前者增大更為顯著。當(dāng)C=10%時，σ=85.53MPa，與純UHMWPE相比增大了56.0%；σy=24.0MPa，與純UHMWPE相比增大了16.0%。從試驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差看，壓縮強(qiáng)度σ的標(biāo)準(zhǔn)偏差介于1.7～5.3MPa之間，相對偏差為6.6%～14.4%；屈服壓縮應(yīng)力σy的標(biāo)準(zhǔn)偏差在3.7～38.9MPa之間，相對偏差為4.9%～46.8%。這說明試驗數(shù)據(jù)離散程度高，其原因可能與樣品成型時上下底面很難相互平行及可能還存在剪切破壞有關(guān)。

(3) 彎曲性能。

彎曲強(qiáng)度σf反映了材料抵抗剪應(yīng)力破壞的能力。不同WCB摻量的彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果見圖6。在環(huán)境溫度為8℃時，隨著WCB添加量增大，彎曲強(qiáng)度先降低，在C≥5%以后，基本保持不變；當(dāng)C=10%時，σf=18.4MPa，比純UHMWPE降低了9.3%。在環(huán)境溫度為60℃時，隨著WCB添加量增加，彎曲強(qiáng)度先增大，當(dāng)C>20%以后減?。坏珶o論哪個配比的樣品，其彎曲強(qiáng)度均顯著低于8℃時的；對于純UHMWPE樣品，σf=6.64MPa，比8℃時降低了67.3%。這充分反映了UHMWPE隨著溫度升高極其容易變形破壞的特點；而對于C=10%的樣品，σf=7.49，高于純UHMWPE，提高了12.8%；與8℃同配比的樣品相比，彎曲強(qiáng)度降低了59.3%，這說明添加10%的WCB后，材料在較高溫度下抵抗破壞的能力有所提高。

3 結(jié)論

(1) 用球磨混合、熱壓成型工藝成功制備了超高分子量聚乙烯/白炭黑復(fù)合材料。當(dāng)白炭黑添加量≤10%時，復(fù)合材料的成分、結(jié)構(gòu)均勻，填充物和基體之間結(jié)合緊密。

(2) 白炭黑添加量為10%的復(fù)合材料，盡管其摩擦系數(shù)略有增大，但磨損量降低了10.2%，所有力學(xué)性能，特別是60℃的彎曲強(qiáng)度，均有較大幅度提高。因此，通過向超高分子量聚乙烯中添加白炭黑可以有效克服其本征強(qiáng)度低、溫度稍高就易于變形的缺點。

[1]周健松,閻逢元,單小東.超高分子量聚乙烯摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2005,23(1):142-145．

[2]向東.超高分子量聚乙烯的應(yīng)用及改性研究進(jìn)展[J].化工科技市場,2006,29(5):41-46．

[3]ZHANG M, PHILIPPE P, RICHARD K, et al. A novel ultra high molecular weight polyethylene-hyaluronan microcomposite for use in total joint replacements. II. Mechanical and tribological property evaluation[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2007, 82(1):18-26.

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[8]GB/T 1040-2006,塑料拉伸性能的測定[S].

[9]GB/T 1041-2008,塑料壓縮性能的測定[S].

[10]GB/T 1449-2005,纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗方法[S].

The Properties of UHMWPE/White Carbon Black Composite

DONG Yuan1, ZHANG Xian2, XUE Jun2, CAO Hong2
(1.China National Materials Industry Import & Export Corporation, Beijing 100048, China;2. School of Materials Science and Technology, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)

The composite of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and white carbon black is made by adding white carbon black to the UHMWPE, mixing through ball milling and hot-forming. Through analyzing the frictional, wearing, tensile,compressive and flexural properties of the composite samples with different percentage of white carbon black, we find out that the composite with 10% of white carbon black has a relative higher friction coefficient, improves the tensile strength by 12.7%, the compressive strength by 56.0%, the flexural strength at 60℃ by 12.8% compared with pure UHMWPE, which reveals the absolute advantage of a composite completely. The XRD and SEM analyses indicate that the composite has a uniform composition structure under this circumstance.

UHMWPE; white carbon black; composite; frictional wear properties; mechanical properties

TQ325.12

A

1007-9386(2010)05-0020-03

2010-08-17