UHMW-PE的改性
與其它工程塑料相比,UHMW-PE具有表面硬度和熱變形溫度低、彎曲強(qiáng)度以及蠕變性能較差等缺點(diǎn)。這是由于UHMW-PE的分子結(jié)構(gòu)和分子聚集形態(tài)造成的,可通過填充和交聯(lián)的方法加以改善。
一、填充
采用玻璃微珠、玻璃纖維、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二鋁、二硫化鉬、炭黑等對UHMW-PE進(jìn)行填充改性,可使表面硬度、剛度、蠕變性、彎曲強(qiáng)度、熱變形溫度得以較好地改善。用偶聯(lián)劑處理后,效果更加明顯。如填充處理后的玻璃微珠,可使熱變形溫度提高30℃。玻璃微珠、玻璃纖維、云母、滑石粉等可提高硬度、剛度和耐溫性;二硫化鉬、硅油和專用蠟可降低摩擦因數(shù),從而進(jìn)一步提高自潤滑性;炭黑或金屬粉可提高抗靜電性和導(dǎo)電性以及傳熱性等。但是,填料改性后沖擊強(qiáng)度略有下降,若將含量控制在40%以內(nèi),超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)仍有相當(dāng)高的沖擊強(qiáng)度。
二、加工
UHMW-PE樹脂的分子鏈較長,易受剪切力作用發(fā)生斷裂,或受熱發(fā)生降解。因此,較低的加工溫度,較短的加工時間和降低對它的剪切是非常必要的。
為了解決UHMW-PE的加工問題,除對普通成型機(jī)械進(jìn)行特殊設(shè)計外,還可對樹脂配方進(jìn)行改進(jìn):與其它樹脂共混或加入流動改性劑,使之能在普通擠出機(jī)和注塑機(jī)上成型加工,這就是潤滑擠出(注射)。
三、共混
共混法改善UHMW-PE的熔體流動性是最有效、最簡便和最實(shí)用的途徑。這方面的技術(shù)多見于專利文獻(xiàn)。共混所用的第二組分主要是指低熔點(diǎn)、低黏度樹脂,有低密度聚乙烯(PE-LD)、高密度聚乙烯(PE-HD)、聚丙烯(PP)、聚酯等,其中使用較多的是中分子量PE(分子量40萬~60萬)和低分子量PE(分子量<40萬)。當(dāng)共混體系被加熱到熔點(diǎn)以上時,UHMW-PE樹脂就會懸浮在第二組份樹脂的液相中,形成可擠出、可注射的懸浮體物料。
1.與低、中分子量PE共混
UHMW-PE與分子量低的PE-LD(分子量1000~20000,以5000~12000為最佳)共混可使其成型加工性獲得顯著改善,但同時會使拉伸強(qiáng)度、撓曲彈性等力學(xué)性能有所下降。PE-HD也能顯著改善UHMW-PE的加工流動性,但也會引起沖擊強(qiáng)度、耐摩擦等性能的下降。為使UHMW-PE共混體系的力學(xué)性能維持在一較高水平,一個有效的補(bǔ)償辦法是加入PE成核劑,如苯甲酸、苯甲酸鹽、硬脂酸鹽、己二酸鹽等,可以借PE結(jié)晶度的提高,球晶尺寸的微細(xì)均化而起到強(qiáng)化作用,從而有效阻止機(jī)械性能的下降。有專利指出,在UHMW-PE/PE-HD共混體系中加入很少量的細(xì)小的成核劑硅灰石(其粒徑尺寸范圍5~50 nm,表面積100~400 m2/g),可很好地補(bǔ)償力學(xué)性能的降低。
2. 共混形態(tài)
UHMW-PE的化學(xué)結(jié)構(gòu)雖然與其它品種的PE相近,但在一般的熔混設(shè)備和條件下,它們的共混物都難以形成均勻的形態(tài),這可能與組分之間黏度相差懸殊有關(guān)。采用普通單螺桿混煉得到的UHMW-PE/PE-LD共混物,兩組分各自結(jié)晶,不能形成共晶,UHMW-PE基本上以填料形式分散于PE-LD基體中。熔體長時間處理和使用雙輥煉塑機(jī)混煉,兩組分之間作用有所加強(qiáng),性能亦有進(jìn)一步的改善,不過仍不能形成共晶的形態(tài)。
Vadhar發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用兩步共混法,即先在高溫下將UHMW-PE熔融,再降到較低溫度下加入線性低密度聚乙烯PE-LLD進(jìn)行共混,可獲得形成共晶的共混物。Vadher用溶液共混法也得到了能形成共晶的UHMW-PE/PE-LLD共混物。
3. 共混物的力學(xué)強(qiáng)度
對于未加成核劑的UHMW-PE/PE體系,其在冷卻過程中會形成較大的球晶,球晶之間存在著明顯的界面,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,由此會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,所以與基體聚合物相比,共混物的拉伸強(qiáng)度有所下降。當(dāng)受到外力沖擊時裂紋會很快地沿球晶界面發(fā)展而導(dǎo)致最后的破碎,因此又引起沖擊強(qiáng)度的下降。