利用碳纤维改性UHMW—PE的制备

阳成港

摘 要：UHMW-PE的全称是超高分子量聚乙烯，综合性能很好，但由于在热变形温度较低，抗压强度较小等方面的缺点，大大限制了UHMW-PE的应用，使用碳纤维改性UHMW-PE后，其热变形、抗拉伸等性能有了很明显的提高，这也在很大程度上提升了UHMW-PE的综合性能。

关键词：UHMW-PE；改性；碳纤维

1.原材料背景研究：

UHMW-PE的全称为超高分子量聚乙烯，是近年发展起来的一种新型材料[1]，由于其具有耐磨性能良好、摩擦系数较低，良好的自润滑性能，抗化学腐蚀性能良好等等优异的性能。但是UHMW-PE也不是在每一个方面性能都很优异，其某些方面的性能也是较差的，比如说在热变形温度上，其在受热温度为80℃～85℃时就会发生形变[2]，其抗压模数也相对较低，这些缺陷也在很大程度上限制了UHMW-PE的应用。而反观高分子材料中，碳纤维的优异性能刚好可以弥补这些缺陷，具有高模量的碳纤维，有着很好的耐腐蚀和耐磨性，且强度很高，是一种性能良好的人工合成纤维，近年来也是作为填充剂在实验中得到大量的应用[3]。而由于UHMW-PE内部孔隙率较高[4]，所以本实验采用填充改性法，将碳纤维填充到UHMW-PE中，以提高UHMW-PE的热变形性能等一些其他性能[5～7]，为碳纤维改性UHMW-PE大规模制备提高新思路。本文主要研究将碳纤维填充至UHMW-PE后复合材料的内部结构与其拉伸性能、维卡软化点温度的关系。

2.实验部分：

2.1原材料选取：

UHMW-PE--取自南宁助剂一厂

碳纤维--取自贵州化学工业有限公司

EAA--取自南宁助剂一厂

2.2改性UHMW-PE生产工艺流程图：

2.3确定最佳制备工艺条件：

采用正交设计法，测定复合材料的维卡软化温度。最终确定拉伸试验中选取碳纤维填充量为0%～～5%，维卡软化点温度测定试验选取碳纤维填充量为10%～～30%，以测定碳纤维的掺入对复合材料UHMW-PE性能的影响。

3.结果与讨论：

3.1碳纤维对UHMW-PE材料拉伸性能的影響。

碳纤维对复合材料UHMW-PE拉伸性能影响如上图所示，由图中a可以看到，复合材料UHMW-PE的拉伸强度随着碳纤维质量分数的增加呈现出先增大后减少的曲线关系，当碳纤维填充质量分数为0%～2%时，复合材料UHMW-PE拉伸强度虽与碳纤维填充量呈现出正比例关系，这是由于碳纤维的强度相对较大，在复合材料中可以很好地分散开来，当承受外力时，复合材料UHMW-PE界面能很好地使外力传递到碳纤维上，使得外力在碳纤维之间可以得到很好的缓冲效果，从而提高UHMW-PE的拉伸强度。

而当继续增加碳纤维填充质量分数达到2%后，UHMW-PE的拉伸强度随着碳纤维填充质量百分数增加而开始下降，这是由于当填充的碳纤维达到一定的量值之后，再继续填充碳纤维，会导致复合材料UHMW-PE的基体与碳纤维无法很好地均匀结合，导致某些界面较强，某些界面则相对较弱的情况发生，当材料受力时，很容易发生界面脱附的情况，而导致压力传递效果减小，造成复合材料的拉伸强度随着碳纤维填充质量分数增加而减小的情况发生。

由图a可以看到，当碳纤维填充质量白分数为2时，复合材料拉伸强度提高了27.4%。

由图中b可以看到，在实验掺入碳纤维百分含量范围内，复合材料UHMW-PE的拉伸弹性模量随着碳纤维填充百分含量的增加而增加，当加碳纤维百分含量为5%时，复合材料的弹性模量提高了10.1%。

3.2维卡软化温度测试：

碳纤维填充百分百含量对复合材料UHMW-PE维卡软化点温度的影响成正比例关系，在试验选取碳纤维填充量范围内，复合材料UHMW-PE维卡软化点温度最高为当碳纤维填充百分百含量值为20%时，维卡软化点温度达到了104℃，比未填充碳纤维提高了25℃。以上实验填充了3%的偶联剂EAA。而未填充偶联剂EAA时，当碳纤维填充含量大于20%，继续试验增加碳纤维填充量，我们发现对复合材料UHMW-PE的维卡软化点温度不再继续增高，反而有所下降，这是由于包裹在碳纤维外层的带有极性基团的胶剂与非极性的UHMW-PE结合性较差[8]，故本实验选择EAA偶联剂对碳纤维和复合材料UHMW-PE进行表面处理，EAA的全称为乙烯--丙烯酸共聚物，其分子结构带有非极性段，且带有极性基团[9]。故而，EAA中的极性基团可以很好地与碳纤维结合，EAA中的非极性段也可以很好地与UHMW-PE结合，从而，可以使碳纤维与复合材料UHMW-PE很好地结合在一起，但由于EAA属于一种柔性较大的共聚物，所以其加入也会使复合材料变软，从而降低复合材料的维卡软化点温度，所以在填充碳纤维百分含量较小时，不考虑使用EAA作为偶联剂结合碳纤维与复合材料UHMW-PE。

4.结束语：

复合材料UHMW-PE因为其优异的性能近年来成为国内外的研究对象，特别是对其进行改性的研究也在不断进行当中，并且也取得了一定的成就。用碳纤维填充复合材料UHMW-PE以提升其抗拉伸性能、维卡软化点温度是可行的。

参考文献

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（作者单位：四川轻化工大学（原四川理工学院）