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        碳酸鈣對(duì)超高分子質(zhì)量聚乙烯改性的研究

        2017-05-30 10:48:04秦建華董明青彭濤
        現(xiàn)代鹽化工 2017年4期
        關(guān)鍵詞:聚乙烯改性

        秦建華 董明青 彭濤

        摘要:超高分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)是指相對(duì)分子質(zhì)量大于150萬線性的聚乙烯,具有耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、自潤滑性、無毒性以及良好的耐低溫性。但是UHMWPE的耐熱性差,文章通過碳酸鈣對(duì)UHMWPE填料改性,改善了UHMWPE型材維卡軟化溫度和力學(xué)性能。

        關(guān)鍵詞:超高分子質(zhì)量;聚乙烯;改性

        超高分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)是指相對(duì)分子質(zhì)量大于150萬的線性聚乙烯。最早于1958年由德國的赫斯特公司于開發(fā)研制成功和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前日本、德國生產(chǎn)UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量已達(dá)到1000萬以上,目前國內(nèi)也可達(dá)到600萬以上。UHMWPE綜合了所有塑料的優(yōu)越性能,具有耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、自潤滑性、無毒性、耐低溫性。該材料廣泛應(yīng)用于化工、紡織、醫(yī)學(xué)、建筑、冶金、礦業(yè)、水利、煤炭、電力等領(lǐng)域,但是UHMWPE耐熱性能差,應(yīng)用范圍受限,因此需要對(duì)UHMWPE進(jìn)行耐高溫改改研究。

        1 改性的UHWMPE型材試樣的制備

        本次填料與UHMWPE原料的混合比例分別是0%,10%,20%,30%,40%,對(duì)5組不同比例材料加工。

        先干燥所需材料,按照混合比例稱重、混合、研磨,使得材料混合均勻,加入適量的無水乙醇。將準(zhǔn)備好的材料放入模具型腔中填充緊實(shí),清理型腔外沿余量材料。將整理好的模板放入壓力成型機(jī)的上下模具之間,閉合模具,在20 MPa加壓下保持10分鐘后,在模壓機(jī)上以250℃的溫度保持30分鐘,成型固化,然后冷卻,制成所需型材。

        對(duì)制得的5組不同混合比例為填料的UHMWPE改性型材,按照維卡軟化溫度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及缺口沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制作試驗(yàn)所需的試樣,進(jìn)行維卡軟化溫度測量和力學(xué)性能試驗(yàn)。因?yàn)榛旌媳壤?0%時(shí),填料比例較高,制成的試樣,在經(jīng)過模壓成型加工后,材料質(zhì)地疏松,也未被充分塑化,由于UHMWPE耐高溫改性研究的目的是提高耐熱性能,擴(kuò)大UHMWPE應(yīng)用范圍,故在采集數(shù)據(jù)與分析中,不考慮填充比例為40%組的數(shù)據(jù)。

        2 改性的UHMWPE型材維卡軟化溫度測量

        維卡軟化溫度是將熱塑性塑料放于液體傳熱介質(zhì)中,在一定的負(fù)荷和一定的等速升溫條件下,試樣被1的壓針頭壓入1 mm時(shí)的溫度,對(duì)應(yīng)的國標(biāo)是GB/T 1633—2000。維卡軟化溫度測定儀采用XWY—3004。按照GB/T 1633—2000為標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)負(fù)載4 kg,升溫速率120℃/60 min。試樣要求厚度是3~6 mm,長度要求10 mm以上。

        測量操作步驟:(1)把試樣放在支架上,用壓頭固定。(2)壓頭距離試驗(yàn)試樣邊大于3 mm,溫度計(jì)和試樣垂直間距在3 mm左右,溫度計(jì)不能觸及試樣。(3)操控設(shè)備使支架和試樣緩漫浸入介質(zhì),保證測量表面低于介質(zhì)液面40 mm左右。(4)加上4 kg試驗(yàn)負(fù)載,開啟試驗(yàn)設(shè)備,在5分鐘之后調(diào)零,接著等速加熱升溫。(5)在壓針壓入量達(dá)到1 mm時(shí),記下溫度計(jì)的值,該值就是維卡軟化溫度。

        通過測量得到填料改性的UHMWPE材料的維卡軟化溫度數(shù)值如表1所示。

        從表1可以得出,加入不同比例的,對(duì)UHMWPE維卡軟化溫度有較大的影響。實(shí)驗(yàn)測得純UHMWPE的維卡軟化溫度79℃。

        在混合比例為10%時(shí),改性的UHMWPE材料的維卡軟化溫度提高非常明顯,大約為30℃,隨著混合比例的增加,維卡軟化溫度保持上升趨勢,但上升的速率變小,如圖1所示。

        3改性的UHWMPE型材力學(xué)性能測量

        3.1拉伸性能測量

        根據(jù)GB/T 1040.1—2006對(duì)改性后的型材進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試,制備試樣采用熱沖裁方法成型,試驗(yàn)速度為100 mm/min。對(duì)不同混合比例填料改性的UHMWPE試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),記錄下數(shù)據(jù),計(jì)算得到拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率如表2所示。

        由表2可以得到其變化趨勢如圖2~3所示。

        從圖2可以看出,和UHMWPE的混合比例對(duì)UHMWPE型材的拉伸性能有不同程度的影響。在3種不同混合比例填料改性的UHMWPE拉伸試驗(yàn)中,純UHMWPE的拉伸強(qiáng)度為13.466MPa,隨和UHMWPE混合比例的提高,UHMWPE改性后型材拉伸強(qiáng)度先升高后降低,在混合比例為0到10%范圍時(shí),UHMWPE的拉伸強(qiáng)度增加,在混合比例為10%時(shí),拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值;當(dāng)混合比例在10%~20%范圍時(shí),拉伸強(qiáng)度有明顯的下降,當(dāng)混合比例在20%~30%范圍時(shí),材料拉伸強(qiáng)度下降趨勢變緩。

        從圖3可以看出,純UHMWPE型材的斷裂伸長率為102.344%,在UHMWPE添加改性后的型材斷裂伸長率出現(xiàn)下降。在填料混合比例小于10%時(shí),UHMWPE經(jīng)過改性后的型材拉伸強(qiáng)度提高,可能原因是和UHMWPE界面結(jié)合較好,在材料中產(chǎn)生物理交聯(lián)點(diǎn)的效果。在受到外力作用時(shí),復(fù)合材料承受外力作用的面積比較大,進(jìn)而提高了改性后型材的拉伸強(qiáng)度。在和UHMWPE的混合比例大于10%后,粒子開始團(tuán)聚,粒徑反而增大,使分散不均勻,所以拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)降低。

        改性后,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨填料混合比例增加,都有下降的趨勢。有可能是因?yàn)樵趶?fù)合材料中,UHMWPE為大分子鏈線性結(jié)構(gòu),填充材料是剛性狀態(tài),兩種材料之間不能很好相容,材料粒子之間不能結(jié)合緊密,所以在對(duì)UHMWPE進(jìn)行填料改性時(shí),添加填料比例不能過大。

        3.2沖擊強(qiáng)度的測量

        沖擊強(qiáng)度是表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力、是衡量材料韌性的一項(xiàng)指標(biāo)。通過沖擊試驗(yàn),探究和UHMWPE的不同混合比例對(duì)型材的韌性的影響。通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下折斷或折裂時(shí),單位截面積所吸收的能量,單位為kJ。

        公式(1)中:aK—試樣沖擊強(qiáng)度,單位kJ,A—試樣沖擊所消耗的功,單位J;h—試樣厚度,單位mm;b—試樣剩余寬度,單位mm。

        按照GB/T 1843—2006進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測試,試樣采用帶缺口(451)類型,經(jīng)試驗(yàn)測量和計(jì)算,UHMWPE純料以及添加不同比例填料改性UHMWPE試樣的缺口沖擊強(qiáng)度數(shù)值如表3所示。

        由表3得到其變化趨勢如圖4所示。

        從圖4可以看出,在UHMWPE中添加填料改性,缺口沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)降低。和UHMWPE的混合比例在20%~30%的下降幅度大于在10%~20%的速度。其原因可能是在UHMWPE中加入無機(jī)材料時(shí),分子之間沒有緊密結(jié)合,所以改性后的型材沒有與純UHWPE一樣具有理想的韌性。也可能是因?yàn)樵谔砑犹盍虾蠛蚒HMWPE形成的復(fù)合材料存在的糾纏點(diǎn)過多,分子鏈的剛性得到了提高,在受外力沖擊時(shí),不能通過充分的變形來吸收沖擊能量。

        4結(jié)語

        研究了填料改性的UHMWPE型材的耐高溫性能和力學(xué)性能,設(shè)計(jì)和完成了不同混合比例改性的UHMWPE維卡軟化溫度測量試驗(yàn)、拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度試驗(yàn),與純UHMWPE型材的比較,可以得到:填料使UHMWPE型材的維卡軟化溫度從79℃提高到114℃,表明在UHMWPE中添加填料改性后UHMWPE,型材在受熱時(shí)尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng),熱變形小,提高了耐熱性能,達(dá)到了改性的目的。在填料對(duì)UHMWPE改性后型材的力學(xué)性能也有很大的影響。和UHMWPE的混合比例的不同,影響程度也不同。當(dāng)和UHMWPE的混合比例為10%時(shí),拉伸強(qiáng)度還稍微提升了一點(diǎn)。隨著混合比例的增大,拉伸強(qiáng)度急劇下降。在UHMWPE中添加填料改性后型材缺口沖擊強(qiáng)度明顯降低。所以通過對(duì)UHMWPE的改性總體上增加了型材的耐熱性能、降低了力學(xué)性能。因此,在通過填料對(duì)UHMWPE改性的時(shí),要根據(jù)HMWPE型材的工況來嚴(yán)格控制填料的混合比例,一般在填料比較低的時(shí)既能提升耐熱性能,又能保證材料的力學(xué)性能。

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