超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种热塑性工程塑料，其分子结构和聚乙烯(PE)相同，但分子量比PE高，UHMWPE的分子量可达到(100~2 000)×104。较高的分子量使UHMWPE具有优异的性能，比如耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、耐低温、卫生无毒、不易黏附、不易吸水、密度较小等[1]。UHMWPE的脆化温度低至-140 ℃，-269 ℃时仍具有延展性，使其可以在接近绝对零度的温度下工作[2]。UHMWPE虽然性能优良，但其分子链较长，相互缠结，熔融状态的黏度高达108 Pa‧s，流动性较差，UHMWPE的熔体流动速率(MFR)接近零，且摩擦系数小，在挤出过程中，易堵塞螺杆的压缩部分，与螺杆一起旋转，形成塞料，所以很难通过一般的机械加工方法进行加工[3-6]。改善UHMWPE的挤出加工流动性，提高UHMWPE的生产效率成为研究热点。共混法是改善UHMWPE的熔体流动性最有效、最简便和最实用的途径。高密度聚乙烯(HDPE)与UHMWPE分子链相似，共混物相容性较好，HDPE可渗入UHMWPE分子链间，解开部分物理缠结，增强UHMWPE流动性，改善UHMWPE的加工性能。藤井志等[7]将等量的UHMWPE（分子量为2.5×105）与HDPE（分子量为3.8×104）共混，在160~240 ℃下挤出得到1 mm厚的板材。结果表明：共混物的耐磨性比纯UHMWPE制品高。李跃进[8]研究UHMWPE/HDPE共混物的加工工艺、流变性能、结晶形态及力学性能。结果表明：共混物的黏度与UHMWPE相比明显降低，UHMWPE的成型加工性能得到显著改善。添加大量的HDPE虽然能够改善UHMWPE的加工性能，但也导致UHMWPE的特有性能变差。本实验利用DSC、流变仪等手段分析共混体系的相容性，研究不同比例的UHMWPE/HDPE在低温下的冲击性能，为开发加工性及低温冲击性能平衡的UHMWPE材料提供指导。1实验部分1.1主要原料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，5040，分子量5×106，上海联乐化工有限公司；高密度聚乙烯(HDPE)，B5703，MFR为0.8 g/10min，燕山石化有限公司；抗氧剂1010、168，市售。1.2仪器与设备差示扫描量热仪(DSC)，Q2000，美国TA公司；橡胶加工分析仪(RPA)，RPA2000，美国阿尔法科技公司；模压成型机，Platen press 300 PM，德国COLLIN公司；同向双螺杆挤出机，AK26，南京科亚化工成套装备公司；万能拉力试验机，INSTRON 5965，美国INSTRON公司；熔体流动速率测试仪(MFR)，CHEAST7026、冲击测试仪，CHEAST9050，意大利CHEAST公司；场发射扫描电子显微镜(SEM)，Nova Nano SEM 450，美国FEI公司。1.3样品制备表1为UHMWPE/HDPE共混物配方。按表1配方将各组分混合均匀，加入双螺杆挤出机中挤出造粒，螺杆各区间保持180 ℃，螺杆转速180 r/min，得到UHMWPE/HDPE共混物粒料。将UHMWPE/HDPE粒料利用固定模具在模压成型机中以210 ℃，10 MPa条件下模压30 min，保压冷却至60 ℃，得到UHMWPE/HDPE共混物片材(210 mm×210 mm×4 mm)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.T001表1UHMWPE/HDPE共混物配方Tab.1Formula of UHMWPE/HDPE blends样品UHMWPEHDPE抗氧剂1010抗氧剂168UHMWPE/HDPE（0/100）01000.10.1UHMWPE/HDPE（20/80）20800.10.1UHMWPE/HDPE（40/60）40600.10.1UHMWPE/HDPE（50/50）50500.10.1UHMWPE/HDPE（60/40）60400.10.1UHMWPE/HDPE（80/20）80200.10.1UHMWPE/HDPE（100/0）10000.10.1gg1.4性能测试与表征MFR测试：按GB/T 3682—2000进行测试，设置温度190 ℃，砝码重量21.6kg，测定10 min内通过标准口模的熔体质量，为MFR。DSC测试：N2气氛，以10 ℃/min的升温速率从40 ℃升至200 ℃，以10 ℃/min 的速率降至40 ℃，再以10 ℃/min的速率升至200 ℃。熔融数据为第二次升温过程。结晶度(Xc)计算公式为[9]：Xc=ΔHuΔH100%×100% （1）式（1）中：Xc为结晶度，%；ΔHu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，287.3 J/g。流变性能测试：应变扫描，温度200 ℃，角频率6.28 rad/s，应变扫描范围0.01%~100%[10-11]。频率扫描，温度200 ℃，应变7%，角频率扫描范围0.1~327 rad/s。弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，样品尺寸10 mm×80 mm×4 mm。拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，Ⅰ型试样，拉伸速率50 mm/min。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，样品尺寸10 mm×80 mm×4 mm。测试不同温度冲击强度时，预先将样条放置于测试温度下2 h以上，取出迅速进行测试。SEM分析：对冲击截面喷金处理，电压3 kV，观察断面形貌。2结果与讨论2.1UHMWPE/HDPE共混物MFR分析HDPE与UHMWPE分子链相似，HDPE渗入UHMWPE分子链间，解开部分物理缠结，改善UHMWPE熔融流动性能。图1为不同UHMWPE/HDPE共混物的MFR。从图1可以看出，随着UHMWPE含量的增加，UHMWPE/HDPE的MFR逐渐降低。当UHMWPE含量超过40%，UHMWPE/HDPE的MFR降至0.5 g/10min以下。当UHMWPE含量为60%，UHMWPE/HDPE的MFR降至0.1 g/10min，失去熔融流动性。当UHMWPE含量在80%和100%，超出MFR测试仪下限，无法测出UHMWPE/HDPE的MFR，影响共混物的加工性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F001图1不同UHMWPE/HDPE共混物的MFRFig.1MFR of different UHMWPE/HDPE blends2.2UHMWPE/HDPE共混物DSC分析图2为不同UHMWPE/HDPE共混物的DSC曲线，表2为共混物的DSC数据。从图2和表2可以看出，随着UHMWPE含量的增加，UHMWPE/HDPE的熔点升高，共混物的熔融峰不分离，具有良好的相容性。共混物熔点高于纯UHMWPE，这是由于适量的HDPE渗入UHMWPE分子链间，使UHMWPE分子链部分解缠结，UHMWPE结晶能力增强，UHMWPE结晶度增加[12]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F002图2不同UHMWPE/HDPE共混物的DSC曲线Fig.2DSC curves of different UHMWPE/HDPE blends10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.T002表2不同UHMWPE/HDPE共混物的DSC数据Tab.2DSC data of different UHMWPE/HDPE blends样品熔融起始温度/℃熔点/℃Xc/%半峰宽/℃UHMWPE/HDPE（0/100）125.5134.580.29.48UHMWPE/HDPE（20/80）124.7135.277.610.25UHMWPE/HDPE（40/60）124.3137.975.011.57UHMWPE/HDPE（50/50）125.1138.173.211.78UHMWPE/HDPE（60/40）124.3138.071.912.21UHMWPE/HDPE（80/20）125.2139.565.811.72UHMWPE/HDPE（100/0）127.6135.858.79.012.3UHMWPE/HDPE共混物动态流变行为分析图3为UHMWPE/HDPE共混物的应变扫描曲线。从图3可以看出，共混物在15%应变内，表现较好的线性黏弹性行为，而UHMWPE/HDPE(0/100)和UHMWPE/HDPE(20/80)在应变较低时曲线明显波动，这是由于RPA主要分析橡胶的黏弹性，需要较大的扭矩分析橡胶的黏弹性变化。而对于低黏度的HDPE，在低应变下扭矩值极低，设备分辨率不足的情况下造成黏度波动较大，因此后续实验基于线性黏弹性范围内黏度相对稳定的7%应变进行分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F003图3不同UHMWPE/HDPE共混物的应变扫描曲线Fig.3Strain curves of different UHMWPE/HDPE blends图4为不同UHMWPE/HDPE共混物的复数黏度(η*)、储能模量(G')和损耗模量(G'')随频率的变化情况。从图4可以看出，UHMWPE/HDPE在频率变化内未出现牛顿区，表现较好的线性黏弹性变化。随着扫描频率的增加，UHMWPE/HDPE的η*降低，表现明显的剪切变稀假塑性流体性质[13]。UHMWPE/HDPE的G'和G''均随着频率的升高而升高，这不利于材料挤出加工。随着HDPE含量的增加，UHMWPE/HDPE的η*、G'和G''均下降，这是由于HDPE渗入UHMWPE分子链间，使UHMWPE分子链部分解缠结，降低UHMWPE的熔融黏度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F004图4不同UHMWPE/HDPE共混物的η*、G'和G''随频率的变化Fig.4The changes of η*， G' and G'' with frequency in different UHMWPE/HDPE blendsCole-Cole图指小幅振荡剪切下，动态黏度η'与虚数黏度η''的曲线，可判断共混体系相分离情况。Cole-Cole曲线呈现光滑弧线，表明体系是均相，而曲线右边出现双峰或向上偏离，表明共混体系可能出现第二相[14]。图5为不同UHMWPE/HDPE共混物的Cole-Cole曲线。从图5可以看出，曲线均为光滑弧线，也证明UHMWPE/HDPE是均相。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F005图5不同UHMWPE/HDPE共混物的Cole-Cole曲线Fig.5Cole-Cole curves of different UHMWPE/HDPE blends2.4UHMWPE/HDPE共混物力学性能分析图6为不同UHMWPE/HDPE共混物的力学性能。由于UHMWPE结晶度较低，其弯曲模量比HDPE低，从图6a可以看出，随着UHMWPE含量的升高，UHMWPE/HDPE的弯曲模量降低，刚性变差。从图6b可以看出，随着UHMWPE含量的增加，UHMWPE/HDPE的断裂伸长率逐渐降低。这是由于UHMWPE分子链较长，UHMWPE的含量越多，越容易发生链缠结，分子链自由活动的空间越少。从图6c可以看出，当UHMWPE含量在40%以内，随UHMWPE含量的增加，UHMWPE/HDPE的分子量显著增大，冲击韧性增强。当UHMWPE含量在50%~80%之间，随着UHMWPE含量增加，UHMWPE/HDPE的冲击强度略微降低。这是由于HDPE的加入，使UHMWPE的结晶度和模量提高，冲击吸收能随HDPE含量增加而提高。对于纯UHMWPE，尽管其分子量极大，冲击韧性较高，但由于模量较低，样品也未冲破，因此冲击强度较低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F006图6不同UHMWPE/HDPE共混物的力学性能Fig.6Mechanical properties of different UHMWPE/HDPE blendsUHMWPE的低温性能较好，脆化温度低至-140 ℃，而HDPE脆化温度通常为-30 ℃左右，HDPE的加入虽然可以改善UHMWPE的流动性能，但对UHMWPE低温性能的影响需要进一步探究。图7为不同温度下UHMWPE/HDPE共混物冲击性能的变化。从图7可以看出，UHMWPE/HDPE(0/100)、UHMWPE/HDPE(20/80)的冲击强度随温度降低逐渐降低，存在明显的脆韧转变点。当共混物中UHMWPE含量超40%，随着温度逐渐降低，UHMWPE/HDPE整体的冲击强度升高。当随UHMWPE含量提高至80%以上，在-60 ℃仍未出现脆韧转变点。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F007图7不同温度下UHMWPE/HDPE共混物的冲击性能Fig.7Impact properties of UHMWPE/HDPE blends at different temperatures2.5UHMWPE/HDPE共混物SEM分析为进一步分析-60 ℃下，UHMWPE含量较多(80%)与UHMWPE含量较少(20%)共混物的断裂机理，测试UHMWPE/HDPE(20/80)和UHMWPE/HDPE(80/20)的冲击断面形貌。图8为两种UHMWPE/HDPE断面SEM照片。从图8可以看出，UHMWPE/HDPE是一种相互贯穿连续的均质形态，未出现明显界面。UHMWPE/HDPE(20/80)为脆性断裂，断面较平整，呈沿晶断裂的断口形态。UHMWPE/HDPE(80/20)为韧性断裂，表现明显的解理台阶。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.011.F008图8UHMWPE/HDPE共混物冲击断面SEM照片Fig.8SEM images of impact section of UHMWPE/HDPE blends3结论（1）UHMWPE和HDPE具有良好的相容性，UHMWPE/HDPE共混物是一种相互贯穿连续的均质形态，为典型的假塑性流体。随HDPE质量分数的增大，共混物的η*明显减小。不同共混物的Cole-Cole曲线均呈现光滑的半圆弧形，表明共混物具有较好的相容性。（2）UHMWPE能够显著提高共混物的低温冲击性能。当UHMWPE含量在50%，UHMWPE/HDPE共混物的加工性和低温冲击性能达到良好的平衡状态。