超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有突出的比模量、比强度、耐化学腐蚀和耐磨自润滑以及生物相容性和电绝缘等优点[1-2]。然而,UHMWPE材料熔体的黏度较高且可加工难度大,导致UHMWPE一般无法采用热塑性成型方法制备[3],为UHMWPE复合材料结构和功能化的设计带来机遇和挑战[4]。为了改善UHMWPE制品在干滑动摩擦服役的耐磨性,避免摩擦生电造成静电放电等安全隐患,需构筑填料网络,尤其在填料比例较低的前提下使填料之间完美搭接[5-7]。张炜等[8]利用偶联接枝处理纳米炭黑(CB)粒子表面,通过反应型增容载体载附纳米CB,将处理的纳米CB及纳米复配阻燃剂改性UHMWPE,制备UHMWPE/CB复合材料。接枝改性后复合材料中CB渗滤区含量为5%~7%,低于未改性UHMWPE/CB的渗滤区含量(13%~16%)。胡洪亮等[9]制备体积分数为0.4%的低逾渗分离结构UHMWPE/CB复合材料。研究表明:CB粒子在40 s内被均匀覆盖在UHMWPE粒子表面。当CB的体积分数为0.6%,复合材料的电导率提高14个数量级。隔离结构有利于降低功能复合材料的导电阈值,制备方法主要有:机械混磨法、喷涂法、液相法等[10-12]。在这些制备方法中,干混法-热压成型技术是简单易行的成型方法。导电炭黑(CB)是一种用途广泛且成本低的纳米级导电填料。本实验利用CB填充改性UHMWPE,通过高速机械混合法—热压成型技术制备UHMWPE/CB导电复合材料,并探究复合材料的结构、导电性能、耐磨性能和力学性能等。1实验部分1.1主要原料超高分子量聚乙烯(UHMWPE),SLL-2040,上海联乐科技化工有限公司;导电炭黑(CB),N990,DBP吸油量34~44 mL/100g,欧励隆工程炭公司。1.2仪器与设备平板硫化机,ZG-80T,东莞正工机电设备有限公司;微机控制电子万能试验机,CMT4104,深圳市新三思材料检验有限公司;冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM),Regulus 8100,日立HITACHI公司;塑料滑动摩擦磨损测试仪,M-200,北京中航时代仪器设备有限公司;邵氏硬度计,LX-D,无锡市前洲仪器测量厂;高阻测量仪,ZC-90G,上海太欧电子有限公司;双电测四探针测试仪,RTS-9,广州四探针科技有限公司。1.3样品制备将UHMWPE和CB在60 ℃的真空烘箱中干燥4 h,按照质量比为99/1、97/3、95/5、93/7和90/10的比例加料,采用高速混合机预混(转速34 000 r/min,时间50 s),获得UHMWPE/CB预混合物。预混合物在平板硫化机上模压成型,模压温度为200 ℃、模压时间为20 min、模压压力为17 MPa,冷压至室温后脱模获得UHMWPE/CB复合材料。复合材料依次命名为UHMWPE/CB(99/1)、UHMWPE/CB(97/3)、UHMWPE/CB(95/5)、UHMWPE/CB(93/7)和UHMWPE/CB(90/10)。1.4性能测试与表征SEM分析:对试样脆断面及摩擦后表面形貌进行喷金处理,电压设定为10 kV,观察样品形貌。邵氏硬度测试:按GB/T 2411—2008进行测试,针刺入15 s后读数,每个试样采取5个点,取平均值。摩擦磨损性能测试:按GB/T 3960—2016进行测试,样品尺寸为30 mm×7 mm×4 mm。在干摩擦条件测试,对磨材质为45#钢,试验机转速200 r/min,附加载荷294 N,摩擦时间1 h,每组作3个平行试验,称量摩擦前后质量,并计算磨损量。力学性能测试:按GB/T 1040.2—2006进行测试,样品为哑铃型样条,拉伸速度为50 mm/min,室温下测试。导电性能测试:采用体积电阻和表面电阻测量仪,测量样品的体积电阻和表面电阻,每组进行3次测试,取平均值。采用双电测四探针测试仪,控制样品厚度≤3 mm,测量样品的电阻率。2结果与讨论2.1UHMWPE/CB混合物的SEM分析图1为不同CB含量下UHMWPE/CB混合物的SEM照片。从图1可以看出,随着CB添加量的增加,多数CB粒子已经被均匀吸附在UHMWPE表面,但部分CB粒子是聚集体状态。因为UHMWPE的颗粒表面较粗糙,CB颗粒可通过静电作用较好地吸附于UHMWPE颗粒的粗糙表面。随着CB含量增加,CB粒子团聚附在UHMWPE表面的现象更明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.002.F001图1不同CB含量下UHMWPE/CB混合物的SEM照片Fig.1SEM images of UHMWPE/CB mixture with different CB content2.2UHMWPE/CB复合材料的SEM分析图2为不同CB含量下UHMWPE/CB复合材料断面的SEM照片。从图2可以看出,复合材料呈现隔离结构。当导电填料含量较低时,复合材料具有较高的电导率。纯UHMWPE界面不平整。CB含量较低的条件下,多数CB粒子已被均匀分布在UHMWPE表面,形成一定的导电网络结构。这种聚集成簇的CB有利于构建导电网络,形成良好的导电路径。导电网络的构建有利于降低复合材料的导电阈值,提高UHMWPE/CB复合材料的电导率。当CB含量在1%~3%时,复合材料断面中UHMWPE与CB颗粒形成较好界面结合效果。表明CB填料主要分布UHMWPE颗粒微区界面之间,减小界面缺陷。当CB含量增至5%,颗粒与颗粒之间相互连通,分布于UHMWPE基体微区界面,构成连续隔离结构的导电网络。UHMWPE/CB复合材料表面出现不平整的凹坑结构,当CB含量提高至7%或10%,不平整凹坑现象更明显。主要是CB粒子呈现聚集体状态,导致UHMWPE与CB界面结合性较差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.002.F002图2不同CB含量下UHMWPE/CB复合材料断面的SEM照片Fig.2SEM images of the cross-section of UHMWPE/CB composites with different CB content2.3CB含量对UHMWPE/CB复合材料导电性能的影响为了解CB含量对UHMWPE导电性能的影响,对UHMWPE基复合材料的导电性能进行测试,图3为测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.002.F003图3UHMWPE/CB复合材料的导电性能Fig.3Electrically conductive properties of UHMWPE/CB composites从图3a可以看出,随着CB含量的增加,UHMWPE/CB复合材料的导电性不断提高。电导率随着CB含量的增加先缓慢增加后线性上升,呈现典型逾渗行为,CB的导电阈值范围为5%~7%。当CB的含量为5%~7%,随着CB用量的增加,导电复合材料的电导率大幅度提高。当CB含量为7%~10%,随着CB用量的增加,CB/UHMWPE的电导率提升效果趋于缓慢增加。从图3b和图3c可以看出,采用UHMWPE/CB(90/10)复合材料片材导体组装的电路中,单个灯泡的亮度强于UHMWPE/CB(93/7)导体组装电路的灯泡亮度。由于随着CB含量的增加,导电复合材料的隔离导电结构网络由颗粒无规堆砌分布转变成连续排布的导电通路。10% CB的加入使复合材料导电通路趋于完善,复合材料导电性能得到进一步改善。2.4CB含量对复合材料高负荷长时间耐磨性能的影响图4为UHMWPE/CB复合材料的磨损质量、邵氏硬度、摩擦系数。从图4a可以看出,随着CB含量的提高,复合材料的磨损量降低,在高负荷长时间滑动摩擦(296 N,1 h)下磨损质量从纯UHMWPE的(17.20±0.81) mg降至UHMWPE/CB(93/7)的(0.40±0.14) mg 。从图4b可以看出,随着CB含量的增加,复合材料的邵氏硬度有所提高。从图4c可以看出,随着CB含量的增加,复合材料的摩擦系数整体呈降低趋势。摩擦系数的降低主要取决于CB颗粒的引入,起固体润滑的作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.002.F004图4UHMWPE/CB复合材料的磨损质量、邵氏硬度和摩擦系数Fig.4Wear loss, Shore hardness and friction coefficient of UHMWPE/CB composites图5为不同CB含量下UHMWPE/CB复合材料摩擦后的SEM照片。从图5可以看出,加入的CB填料在复合材料中起分担载荷的作用,CB的外部效应能够分担UHMWPE基体的载荷,从而提高其耐磨性能。当CB含量超过5%时,复合材料表面不规整划痕和磨屑逐渐减少,磨损面出现磨粒磨损现象,表明复合材料主要是以磨粒磨损为主的磨损机理[13]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.002.F005图5不同CB含量下UHMWPE/CB复合材料磨损后SEM照片Fig.5SEM images of UHMWPE/CB composite after wear with different CB content2.5CB含量对复合材料力学性能的影响图6为UHMWPE、UHMWPE/CB复合材料的应力-应变曲线。从图6可以看出,随着CB含量的增加,UHMWPE/CB复合材料的拉伸强度和断裂伸长率先增加后减少。主要归因于CB粒子与聚合物基体的界面结合差,与SEM结果相一致。当CB含量为3%,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均大于纯UHMWPE,力学性能最优。但CB的含量达到10%时,复合材料呈现明显的脆性断裂行为,其拉伸强度低于21 MPa,低于纯UHMWPE材料。因此,在UHMWPE材料中引入一定含量的CB粒子既可以提高材料的力学性能,又可以赋予其导电功能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.002.F006图6纯UHMWPE、UHMWPE/CB复合材料的应变-应力曲线Fig.6Strain-stress curves of pure UHMWPE, UHMWPE/CB composites3结论(1)UHMWPE/CB复合材料的电导率随着CB含量的增加先缓慢增加后线性上升,呈现典型的逾渗行为,CB的导电阈值范围为5%~7%。(2)UHMWPE/CB复合材料的磨损量随着CB含量的提高而降低,在高负荷长时间滑动摩擦(载荷296 N,1 h)下,磨损质量从纯UHMWPE的(17.20±0.81) mg降低至UHMWPE/CB(93/7)的(0.40±0.14) mg。复合材料的邵氏硬度随着CB含量的增加而有所提高。摩擦系数随着CB含量的增加呈降低趋势,表明复合材料的耐磨性得到改善。(3)随着CB含量的增加,UHMWPE/CB复合材料的拉伸强度和断裂伸长率呈现先增加后减少的趋势。当CB含量为3%,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均大于纯UHMWPE,力学性能达到最优。