超高分子量聚乙烯(UHMWPE)属于特种塑料,其分子量可达1×106 g/mol以上,较高的分子量和简单的化学结构,使其具有优异的冲击强度、良好的耐化学性等[1-3]。但因UHMWPE具有较高的分子量,其熔体特性与常规聚乙烯(PE)不同,UHMWPE加工时的熔融黏度达到1×108 Pa·s,其熔体流动速率(MFR)几乎为零,很难直接进行挤出成型[4]。目前,改善UHMWEP的加工方法主要包括聚烯烃类材料改性[5-7]、填充改性[8-9]、流动改性剂改性[10]等。而在UHMWPE树脂中加入低等分子量的聚烯烃类,仍是目前改善加工流动性的常用方法之一。聚烯烃的加入能够减少分子链的缠结,提高UHMWPE的流动性,少量UHMWPE加入低密度聚乙烯(LLDPE)中,UHMWPE能够“悬浮”在LLDPE熔体中,从而改善UHMWPE的缠结结构[11]。翟家驹等[12]利用由拉伸流场主导的偏心转子挤出机,成功挤出LLDPE/UHMWPE共混物,含50% UHMWPE的共混物的冲击强度是纯LLDPE的1.5倍。因LLDPE与UHMWPE的结构相似,通过比较LLDPE的种类、含量的方式获得易加工的UHMWPE改性料,以扩大UHMWPE的应用市场,且能够降低成本。本实验通过添加不同含量、不同MFR的LLDPE,制备UHMWPE/LLDPE共混物,研究LLDPE的含量、MFR对UHMWPE加工流动性的影响,探究LLDPE对力学性能影响的机理。1实验部分1.1主要原料超高分子量聚乙烯(UHMWPE),MI,北京助剂二厂;线型低密度聚乙烯(LLDPE),2320,MFR为20 g/10min、1820,MFR为2 g/10min,中原石油化工有限公司;抗氧化剂1010,康锦科技新材料有限公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机,TSSJ-25/33,中蓝晨光化工研究院;压制成型机,HD-50T,青岛华博机械科技有限公司;熔体流动速率测试仪(MFR),XRN-400C,承德市金建检测仪器有限公司;调制型差示扫描量热仪(DSC),Q200,美国TA公司;万能材料试验机,5967,美国INSTRON公司;高压毛细管流变仪,RG120,德国GETTFERT公司;场发射扫描电子显微镜(SEM),Apreo S HiVoc,美国FEI公司。1.3样品制备以UHMWPE作为基体,加入质量分数为10%、20%、30%、40%、50%的2种LLDPE粉料,另外添加UHMWPE和LLDPE总质量分数的5‰的抗氧化剂1010,高速共混均匀。采用双螺杆挤出机挤出制得粒料,螺杆各段区间温度为60、170、180、190、195、200、200 ℃,螺杆转速150 r/min,共混粒料在60 ℃鼓风烘箱中干燥24 h。将共混料利用模具在压制成型机以200 ℃,预压5 min,热压10 min,冷压5 min的方法下制得片材。UHMWPE/LLDPE共混物命名按LLDPE的种类和质量分数分别记作:UHMWPE/LLDPE-1820-10、UHMWPE/LLDPE-1820-20、UHMWPE/LLDPE-1820-30、UHMWPE/LLDPE-1820-40、UHMWPE/LLDPE-1820-50和UHMWPE/LLDPE-2320-10、UHMWPE/LLDPE-2320-20、UHMWPE/LLDPE-2320-30、UHMWPE/LLDPE-2320-40、UHMWPE/LLDPE-2320-50。1.4性能测试与表征MFR测试:按GB/T 3682—2000进行测试,测试温度190 ℃,载荷10 kg。DSC分析:称取4~5 mg的样品,N2气氛下,从40 ℃以10 ℃/min的速率将样品加热至180 ℃,并保持3 min以消除热历史;以10 ℃/min的速率冷却至40 ℃,并保持3 min;再以10 ℃/min的速率加热至180 ℃;利用第二次升温熔融焓计算样品的结晶度。结晶度(Xc)计算公式为:Xc=∆H∆H100%×100% (1)式(1)中:Xc为结晶度,%;ΔH为升温过程中熔融吸热焓,J/g;ΔH100%为结晶度为100%的熔融热焓,290 J/g[13]。高压毛细管测试:剪切速率10~1 000 s-1,测试温度210 ℃,口模长径比为10∶1。拉伸性能测试:按GB/T 1040—2018进行测试,哑铃型样条,室温下,拉伸速率为50 mm/min。弯曲性能测试:按GB/T 9341—2008进行测试,矩形样条尺寸80 mm×10 mm,室温下,弯曲速率为20 mm/min。SEM测试:将试样在液氮中冷冻后脆断,断面进行喷金处理,电压15 kV,观察断面形貌。2结果与讨论2.1LLDPE含量对UHMWPE的MFR的影响图1为UHMWPE/LLDPE共混物的MFR。LLDPE与UHMWPE结构相似,小分子量的LLDPE能够解开UHMWPE的部分缠结,从而改善一定的流动性。从图1可以看出,随着LLDPE含量的增加,共混物的MFR逐渐提高。由于LLDPE-2320的MFR是LLDPE-1820的10倍,所以UHMWPE/LLDPE-2320共混物的MFR更高。当LLDPE含量超过30%,共混物的MFR明显提高。由于UHMWPE本身的MFR较小,尽管LLDPE能够渗入UHMWPE分子中,少量LLDPE的加入使UHMWPE共混MFR的提高不明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.F001图1UHMWPE/LLDPE共混物的MFR曲线Fig.1MFR curves of UHMWPE/LLDPE blends2.2LLDPE对UHMWPE熔融行为的影响图2和表1为不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物的二次熔融DSC曲线和相应DSC数据。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.F002图2不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物的二次熔融曲线Fig.2Secondary melting curves of UHMWPE/LLDPE blends under different LLDPE contents10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.T001表1不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物DSC数据Tab.1DSC data of UHMWPE/LLDPE blends under different LLDPE contents样品熔点/℃Xc/%UHMWPE135.7661.68UHMWPE/LLDPE-1820-10135.6859.90UHMWPE/LLDPE-1820-20135.3656.44UHMWPE/LLDPE-1820-30133.4551.20UHMWPE/LLDPE-1820-40130.9447.43UHMWPE/LLDPE-1820-50130.2242.02UHMWPE/LLDPE-2320-10134.1660.99UHMWPE/LLDPE-2320-20133.7257.60UHMWPE/LLDPE-2320-30132.4653.39UHMWPE/LLDPE-2320-40131.9348.73UHMWPE/LLDPE-2320-50130.4543.97LLDPE-1820120.8928.51LLDEP-2320122.9731.33从图2和表1可以看出,随着LLDPE含量的增加,共混物的熔点下降,Xc下降,且共混物只出现1个熔融峰,说明LLDPE与UHMWPE相容性较好。因LLDPE的熔点较低,随LLDPE的含量增加,共混物的熔点也降低。LLDPE-2320与UHMWEP的Xc分别高于LLDPE-1820与UHMWEP的Xc,说明LLDPE-2320与UHMWPE的相容性更好。因为LLDPE-2320的MFR更低,能够为UHMWPE提供更多的自由空间,从而使UHMWPE的分子链活动能力更强,在熔融状态下,更有利于UHMWPE链段部分进行结晶,形成更多的晶体结构,共混物Xc略有增大。2.3LLDPE对UHMWPE力学性能的影响图3为不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物的屈服强度和断裂伸长率,表2为对应的力学性能数据。所有样品均显示明显的屈服点和应变硬化行为。小分子量的LLDPE加入,可以大幅改善UHMWPE的熔融环境,降低体系黏度,提高UHMWPE的流动性。但由于LLDPE分子量与UHMWPE分子量差距较大,LLDPE力学性能较差,导致共混物的力学性能减弱。从图3和表2可以看出,随着LLDPE含量的增加,共混物的屈服强度降低、弯曲强度下降,断裂伸长率反而提高。断裂伸长率的提高说明共混物具有良好的分散性和相容性,使UHMWPE和LLDPE之间链缠结增强,UHMWPE分子链能够更好地“舒展”,从而具有更高的断裂伸长率。随着LLDPE含量的增加,共混物屈服强度呈现线性下降的趋势,并且UHMWPE/LLDPE-2320的下降趋势更小。结合MFR、结晶的分析,由此推断LLDPE-2320能够更好地渗入UHMWPE分子链中,达到解缠结的目的。而LLDPE-1820更难渗入UHMWPE分子链中,部分LLDPE-1820与UHMWPE结合,这也是导致性能较差的原因。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.F003图3不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物的屈服强度和断裂伸长率Fig.3Yield strength and elongation at break of UHMWPE/LLDPE blends with different LLDPE contents10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.T002表2UHMWPE/LLDPE共混物力学性能数据Tab.2Mechanical properties data for UHMWPE/LLDPE blends样品屈服强度/MPa断裂伸长率/%弯曲强度/MPaUHMWPE26.42±1.39621±13.719.39±0.31UHMWPE/LLDPE-1820-1024.10±1.03620±22.817.88±0.67UHMWPE/LLDPE-1820-2023.07±2.16730±55.717.39±0.56UHMWPE/LLDPE-1820-3021.24±0.32839±7.615.21±0.30UHMWPE/LLDPE-1820-4019.53±1.31868±69.413.87±0.64UHMWPE/LLDPE-1820-5018.41±1.24967±31.412.77±0.42UHMWPE/LLDPE-2320-1025.33±0.51812±4.2017.66±0.69UHMWPE/LLDPE-2320-2024.40±0.41908±51.017.11±1.58UHMWPE/LLDPE-2320-3023.16±0.09941±19.415.50±0.57UHMWPE/LLDPE-2320-4021.71±0.56951±25.814.44±0.83UHMWPE/LLDPE-2320-5021.40±0.241026±42.213.93±0.39此外,随LLDPE含量的增加,共混物的断裂伸长率也相应提高。当LLDPE-1820含量增至50%,共混物屈服强度由26.42 MPa降至18.41 MPa,屈服强度下降30.3%;断裂伸长率由621%增至967%,断裂伸长率提高55.7%;弯曲强度由19.39 MPa降至12.77 MPa,弯曲强度下降34.1%。而当LLDPE-2320含量为30%,UHMWPE/LLDPE-2320共混物的屈服强度为23.16 MPa,较UHMWPE降低12.3%;断裂伸长率为941%,与UHMWPE相比提高51.5%;弯曲强度为15.50 MPa,与UHMWPE相比降低20.1%。2.4LLDPE对UHMWPE加工流动性的影响图4为不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物的熔体表观黏度-剪切速率曲线。从图4可以看出,共混物均为假塑性流体,呈现剪切变稀现象。随LLDPE含量的增加,表观黏度略有下降,说明LLDPE对于UHMWPE的加工流动性能具有一定的改善。另外,由LLDPE-2320制得的共混物具有更好的流动性,LLDPE-2320共混物的表观黏度更低。因为LLDPE-2320的加工流动性更好,与UHMWPE熔融共混后,LLDPE-2320更易完成整链运动,能够提供更多的自由空间给UHMWPE,从而使UHMWPE部分解缠结,降低黏度。当LLDPE-2320含量超过30%,表观黏度明显下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.F004图4不同LLDPE含量下UHMWPE/LLDPE共混物的熔体表观黏度-剪切速率曲线Fig.4Melt apparent viscosity-shear rate curves of UHMWPE/LLDPE blends under different LLDPE contents2.5LLDPE对UHMWPE断面形貌的影响图5为UHMWPE/LLDPE共混物的脆断面的SEM照片。从图5可以看出,UHMWPE的脆断面存在明显微纤结构缠结的网络状形貌,因为UHMWPE分子链缠结度高,缠结点较多,分子链运动困难。而当LLDPE-1820含量为30%,UHMWPE/LLDPE-1820-30断面呈现密度更大的缠结网络结构,且微纤结构几乎消失,由此可见LLDPE-1820能够与UHMWPE相容,在一定限度上解缠结。而LLDPE-2320的MFR更高,能够更好地与UHMWPE相容,可以明显看到UHMWPE的缠结点,从而更好地将拉力分散开,达到更高的断裂伸长率。结合拉伸性能分析,也说明LLDPE-2320与UHMWPE的相容性更好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.004.F005图5UHMWPE/LLDPE共混物的脆断面的SEM照片Fig.5SEM images of brittle section of UHMWPE/LLDPE blends3结论(1)LLDPE与UHMWPE具有较好的相容性,LLDPE能够在一定限度上打开UHMWPE的缠结结构,从而改善UHMWPE的加工流动性。高MFR的LLDPE-2320改善缠结的效果更好。(2)LLDPE与UHMWPE共混时,少量LLDPE的加入对UHMWPE拉伸强度影响不大。LLDPE含量为10%左右时,屈服强度下降不明显,但断裂伸长率可以提高10%以上。当LLDPE含量超过10%,共混物力学强度随着LLDPE的增加而明显降低,LLDPE-1820共混物中表现更明显。(3)当LLDPE-2320含量为30%,共混物的屈服强度屈服强度为23.16 MPa,与UHMWPE相比降低12.3%;断裂伸长率为941%,与UHMWPE相比提高51.5%;弯曲强度为15.50 MPa,与UHMWPE相比降低20.1%。

使用Chrome浏览器效果最佳,继续浏览,你可能不会看到最佳的展示效果,

确定继续浏览么?

复制成功,请在其他浏览器进行阅读