王 禹， 李統(tǒng)一， 遵 倩

(1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510006； 2.廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 順德 528318)

高密度聚乙烯(HDPE)制品具有韌性好、質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，在容器、薄膜、管道等方面有廣泛的用途，然而，HDPE模量較低、強(qiáng)度和剛度不足的缺點(diǎn)也限制了其應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域[1-2]。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種由乙烯、丁二烯單體在催化劑作用下，聚合而成的平均分子量在100萬(wàn)以上的熱塑性塑料。UHMWPE極高的相對(duì)分子質(zhì)量賦予了它許多優(yōu)異的性能，如，卓越的耐磨損性能和抗沖擊性能等，其沖擊強(qiáng)度是聚甲醛的14倍，ABS的4倍，常溫下是普通聚乙烯的10倍以上，-30 ℃時(shí)能達(dá)到16倍以上，從-265 ℃～80 ℃，UHMWPE都能保持很好的韌性和強(qiáng)度[3-5]。本文通過(guò)共混改性的方法，將UHMWPE與HDPE共混復(fù)合，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同相對(duì)分子質(zhì)量的UHMWPE對(duì)復(fù)合材料熔體流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響，制備一種加工性能好，同時(shí)又具有優(yōu)異力學(xué)性能的HDPE復(fù)合增強(qiáng)材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

UHMWPE選用國(guó)內(nèi)某廠家相對(duì)分子質(zhì)量分別為150萬(wàn)、200萬(wàn)、300萬(wàn)級(jí)別的三種牌號(hào)的樹(shù)脂。

高密度聚乙烯(HDPE)選用國(guó)內(nèi)某廠家相對(duì)分子質(zhì)量為40萬(wàn)～60萬(wàn)的某牌號(hào)樹(shù)脂，其在190 ℃、21.6 kg條件下的MFR為8.2 g/10 min。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

XK-160雙輥開(kāi)煉機(jī)；YD-50平板硫化機(jī)；XRN-400熔體流動(dòng)速率儀；Zwick/Roell Z020萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)；XJJ50A簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)。

1.3 樣品的制備

將UHMWPE按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、20%、30%、40%的比例與HDPE 混合，混合均勻后在雙輥開(kāi)煉機(jī)中于200 ℃下混煉30 min，取部分混煉料剪碎后用于MFR測(cè)試，其余部分置于200 ℃平板硫化機(jī)中模壓成型，制成4 mm厚板材，之后，根據(jù)各力學(xué)性能測(cè)試要求制成相應(yīng)測(cè)試樣條。

1.4 性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 3682-2000對(duì)共混體系的MFR進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為190 ℃、21.6 kg。根據(jù)GB/T1040.2-2006對(duì)共混體系的拉伸屈服強(qiáng)度、彎曲性能進(jìn)行測(cè)試，最終結(jié)果取5個(gè)平行試樣的平均值。根據(jù)GB/T1043.1-2008對(duì)共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHMWPE/HDPE共混體系的流動(dòng)性

實(shí)驗(yàn)選用相對(duì)分子質(zhì)量150萬(wàn)、200萬(wàn)和300萬(wàn)級(jí)別的UHMWPE與同種牌號(hào)的HDPE共混，第19頁(yè)圖1是不同相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的UHMWPE對(duì)UHMWPE/HDPE共混體系MFR的影響。從圖1可以看出，隨著UHMWPE的加入，共混體系的MFR呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，隨著加入的UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量增大、含量增加，UHMWPE/HDPE共混體系的MFR下降明顯。由不加入U(xiǎn)HMWPE時(shí)的8.2 g/10 min變?yōu)閁HMWPE含量40%時(shí)的小于0.2 g/10 min。這是由于，UHMWPE熔體黏度很大，在190 ℃、21.6 kg條件下其MFR仍小于0.01。

2.2 UHMWPE/HDPE共混體系的力學(xué)性能

圖2是不同相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的UHMWPE對(duì)UHMWPE/HDPE復(fù)合材料共混體系拉伸屈服強(qiáng)度的影響。從圖2可以看出，UHMWPE的加入使得UHMWPE/HDPE共混體系的拉伸屈服強(qiáng)度增大，且對(duì)共混體系拉伸屈服強(qiáng)度的增強(qiáng)作用隨相對(duì)分子質(zhì)量增加而增大。當(dāng)UHMWPE的加入量由0增至10%，共混體系的拉伸屈服強(qiáng)度明顯提高，300萬(wàn)分子量級(jí)別的UHMWPE加入10%時(shí)，共混體系的拉伸屈服強(qiáng)度即可提高12.2%，200萬(wàn)分子量級(jí)別的HMWPE加入10%時(shí)，共混體系的拉伸屈服強(qiáng)度提高了8.6%。UHMWPE加入量由10%增至40%，UHMWPE對(duì)共混體系拉伸屈服強(qiáng)度的增強(qiáng)作用趨于平緩，甚至略有下降，這可能是因?yàn)?，隨著UHMWPE含量增加，UHMWPE/HDPE共混體系在冷卻過(guò)程中形成較大的球晶，球晶之間存在明顯界面，而在這些界面上存在著由分子鏈排布不同引起的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致共混體系的拉伸屈服強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。從圖3可以看出，當(dāng)UHMWPE加入量介于5%～10%時(shí)，HDPE的拉伸屈服強(qiáng)度得到明顯提高。

圖1 UHMWPE含量對(duì)UHMWPE/HDPE復(fù)合材料的MFR的影響

圖2 UHMWPE含量對(duì)UHMWPE/HDPE復(fù)合材料拉伸屈服強(qiáng)度的影響

圖3和圖4是不同相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的UHMWPE對(duì)UHMWPE/HDPE共混體系彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的影響。從圖3、圖4可以看出，隨著UHMWPE含量的增加，共混體系的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，可見(jiàn)，UHMWPE的加入能提高HDPE的硬度，其中，200萬(wàn)和300萬(wàn)分子量級(jí)別的對(duì)HDPE的硬度都能有較明顯的提升。當(dāng)300萬(wàn)分子量級(jí)別的UHMWPE加入量為10%時(shí)，共混體系的彎曲強(qiáng)度相比HDPE提高8.2%，彎曲模量提高6.8%。當(dāng)200萬(wàn)分子量級(jí)別的UHMWPE加入量為10%時(shí)，共混體系的彎曲強(qiáng)度相比HDPE提高3.0%，彎曲模量提高4.4%。

圖5是不同相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的UHMWPE對(duì)UHMWPE/HDPE共混體系缺口沖擊強(qiáng)度的影響。從圖5可以看出，不同相對(duì)分子質(zhì)量的UHMWPE對(duì)共混體系的沖擊性能均表現(xiàn)出了十分顯著的增強(qiáng)作用。300萬(wàn)分子量級(jí)別的加入量由0增至40%，共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度由32.9 kJ/m2提高到134.5 kJ/m2；200萬(wàn)分子量級(jí)別的加入量由0增至40%，共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度由32.9 kJ/m2提高到121.3 kJ/m2；150萬(wàn)分子量級(jí)別的加入量由0增至40%，共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度由32.9 kJ/m2

圖3 UHMWPE含量對(duì)UHMWPE/HDPE彎曲強(qiáng)度的影響

圖4 UHMWPE含量對(duì)UHMWPE/HDPE彎曲模量的影響

圖5 UHMWPE含量對(duì)UHMWPE/HDPE沖擊強(qiáng)度的影響

提高到118.1 kJ/m2。當(dāng)300萬(wàn)、200萬(wàn)和100萬(wàn)分子量的UHMWPE加入量為10%時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度分別是HDPE的1.8倍、1.5倍和1.45倍；當(dāng)加入量為40%時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度分別是HDPE的4.1倍、3.7倍和3.5倍?？梢?jiàn)，將少量UHMWPE引入HDPE中構(gòu)成UHMWPE/HDPE共混體系，能夠有效利用UHMWPE極高分子量賦予的超高沖擊強(qiáng)度，大大改善HDPE的沖擊強(qiáng)度，獲得沖擊性能優(yōu)良的HDPE復(fù)合材料。

3 結(jié)論

UHMWPE與HDPE具有較好的相容性，其共混物的熔體流動(dòng)性和力學(xué)性能受共混體系的組成、UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量等因素影響。當(dāng)共混體系中加入少量UHMWPE時(shí)，雖然共混體系的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率會(huì)減小，流動(dòng)性相比HDPE變差，但不足以影響HDPE的加工性。而少量UHMWPE的加入，對(duì)HDPE的力學(xué)性能有較好的改善，其拉伸屈服強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均得到一定程度的提高，特別是沖擊強(qiáng)度得到很大的提高。當(dāng)選用200萬(wàn)分子量級(jí)別的UHMWPE且加入量5%～10%時(shí)，有利于在保證一定加工性能的同時(shí)，獲得綜合性能優(yōu)良的HDPE復(fù)合材料。