超高分子量聚乙烯耐磨性和導(dǎo)熱性能的研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE或UPE)以其優(yōu)越的物理機(jī)械性能如抗沖擊性、耐磨損性、自潤滑性、無毒性和耐低溫性等性能而應(yīng)用于醫(yī)療、采礦業(yè)、油氣資源開發(fā)、紡織、化工及體育運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域,特別是在人工關(guān)節(jié)和耐磨管道方面的應(yīng)用。但是在使用過程中,一方面因?yàn)閁PE本身是線性結(jié)構(gòu),另外一個(gè)方面因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)低,磨擦生熱使材料溫度升高,UPE仍然容易發(fā)生蠕變和強(qiáng)度疲勞而影響材料的磨擦等性能。因此本論文從兩個(gè)大的方面對(duì)UPE進(jìn)行改性：通過添加輻照敏化劑

2、進(jìn)行輻照交聯(lián)的方法使UPE形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),改變 UPE的線性結(jié)構(gòu),使UPE不易產(chǎn)生塑性變形等蠕變現(xiàn)象；提高UPE的導(dǎo)熱系數(shù),把因磨擦生熱而產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出,從而降低因溫度升高而導(dǎo)致的蠕變,導(dǎo)熱部分主要研究包括:UPE本征導(dǎo)熱;比較內(nèi)容中包括添加Al2O3制備UPE/Al2O3、LLDPE/Al2O3和Epoxy/Al2O3復(fù)合材料;添加碳材料(石墨NG、碳纖維CF和石墨烯GS)制備UPE/NG、UPE/CF和UPE/GS復(fù)合材料。本研究主要

3、內(nèi)容包括：
　?、臮PE、TMPTMA/UPE和TPGDA/UPE復(fù)合材料。通過引入交聯(lián)助劑TMPTMA和TPGDA到UPE中,后經(jīng)電子束輻照交聯(lián),可保證在降低輻照劑量的同時(shí)提高UPE材料的交聯(lián)程度。通過FTIR和溶脹平衡測(cè)試、DSC、電子拉力機(jī)、磨擦試驗(yàn)機(jī)、SEM對(duì)輻照前后的材料的結(jié)構(gòu)、凝膠含量、交聯(lián)點(diǎn)間分子量、結(jié)晶度、力學(xué)性能、磨擦性能、磨擦形貌進(jìn)行了表征和研究。主要結(jié)論如下：FTIR和凝膠含量測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合材料中均發(fā)生了交

4、聯(lián)反應(yīng), TPGDA/UPE和TMPTMA/UPE的凝膠含量均高于純UPE的凝膠含量,TMPTMA和TPGDA的加入有利于在降低輻照劑量的同時(shí)提高UPE的交聯(lián)程度；輻照后材料的結(jié)晶度均有所增加,而且TMPTMA/UPE和TPGDA/UPE的結(jié)晶度高于UPE的結(jié)晶度,說明TMPTMA和TPGDA這兩種交聯(lián)助劑小分子的加入有利于UPE結(jié)晶；UPE材料結(jié)晶度的提高和交聯(lián)度的提高有利于UPE磨擦性能的提高,如1％TMPTMA/UPE(100kG

5、y)和1%TPGDA/UPE(100kGy)的磨損率分別為1.89×10-7mm3/(N?m)和4.28×10-7mm3/(N?m),分別為UPE(100kGy)磨損率(4.28×10-7mm3/(N?m))的44.2%和100%。表明TMPTMA對(duì)于降低UPE的磨損率是有效的,而TPGDA因?yàn)樵鏊茏饔脜s幾乎沒有作用。SEMs的結(jié)果也表明1%TMPTMA/UPE(100kGy)的表面最光滑,溶脹平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明1%TMPTMA/UPE

6、(100kGy)的交聯(lián)點(diǎn)間分子量(Mc=3141g/mol)低于UPE(100kGy)的交聯(lián)點(diǎn)間分子量(Mc=5055 g/mol)。
　　⑵UPE本征導(dǎo)熱。通過控制降溫程序的方法提高UPE材料的本征導(dǎo)熱性能。通過DSC法研究了UPE材料的熔融重結(jié)晶過程,主要結(jié)論如下：降溫速率、保溫溫度和保溫時(shí)間均會(huì)影響材料的結(jié)晶,降溫速率越慢,在125℃保溫,且保溫時(shí)間越長越有利于UPE材料結(jié)晶度的提高和結(jié)晶的規(guī)整性。通過DSC法研究發(fā)現(xiàn)隨機(jī)冷

7、卻最有利于UPE材料結(jié)晶度的提高和熔點(diǎn)的提高,也有利于材料密度的增加和導(dǎo)熱系數(shù)的提高,拉伸強(qiáng)度有所提高。隨機(jī)冷卻的UPE的導(dǎo)熱系數(shù)為0.593 W/(m?K)比10 min水壓冷的UPE材料的導(dǎo)熱系數(shù)0.503 W/(m?K)高17.9%；UPE導(dǎo)熱系數(shù)的提高是由于UPE中的一個(gè)一個(gè)球晶連成的晶橋來實(shí)現(xiàn)的,即導(dǎo)熱提高的機(jī)理為結(jié)晶晶橋?qū)釞C(jī)理,隨機(jī)冷卻的方式相當(dāng)于拓寬了晶橋的寬度,從而有利于導(dǎo)熱聲子的傳遞,導(dǎo)熱系數(shù)提高。
　　⑶UP

8、E/Al2O3、LLDPE/Al2O3和Epoxy/Al2O3復(fù)合材料對(duì)比性研究。通過在乙醇熔液共混熱壓法(UPE和Al2O3的粉末混合、包覆、熱壓法)制備了UPE/Al2O3復(fù)合材料,并對(duì) UPE/Al2O3復(fù)合材料進(jìn)行了退火熱處理,哈克密煉法制備了LLDPE/Al2O3復(fù)合材料,真空澆注法制備了Epoxy/Al2O3復(fù)合材料,研究高結(jié)晶材料和低結(jié)晶材料、結(jié)晶材料和非晶材料、熱處理對(duì)材料導(dǎo)熱性能的影響。通過SEM、TGA、DSC、導(dǎo)熱

9、儀、介電譜儀和高阻計(jì)對(duì)形成的復(fù)合材料的分散性、熱性能、結(jié)晶情況或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、介電性能和電阻率。主要結(jié)論如下：本征導(dǎo)熱高的基體,形成的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)也高。DSC測(cè)試表明樹脂基體結(jié)晶度大小次序?yàn)?LLDPE

10、Al2O3(100 phr)的熔融熱比熱處理前分別提高了18.5%,熔點(diǎn)提高了3.8℃,導(dǎo)熱系數(shù)可以提高到了1.960 W/(m?K),比處理前的導(dǎo)熱系數(shù)1.554 W/(m?K)高出約35.4%；無定形聚合物Epoxy的導(dǎo)熱系數(shù)小于結(jié)晶聚合物PE的導(dǎo)熱系數(shù),添加相同份數(shù)的Al2O3填料后導(dǎo)熱系數(shù)增加的倍數(shù)也小。UPE/Al2O3(12.0 vol%)、LLDPE/Al2O3(12.0 vol%)和Epoxy/Al2O3(13.8 vo

11、l%)三種復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.160 W/(m?K)、0.909 W/(m?K)和0.425 W/(m?K),分別比各自樹脂基體的導(dǎo)熱系數(shù)提高了132.0%、102.4%和72.8%；添加Al2O3后,復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能都有所提高。UPE/Al2O3(100 phr)、LLDPE/Al2O3(100 phr)和Epoxy/Al2O3(100 phr)的5%熱失重溫度為467℃、461℃和366℃,分別比純基體提高了11.5℃、

12、13℃和34℃。三種復(fù)合材料均獲得了較好介電性能和電性能。
　　⑷UPE/NG、UPE/CF和UPE/GS復(fù)合材料。用改性的Hummers法制備了氧化石墨烯,氧化石墨烯在水-乙醇溶液的混合液中和UPE混合,水合肼還原,然后再通過熱壓的方法制備了UPE/GS復(fù)合材料。通過在乙醇溶液混合和熱壓成型的方法制備了UPE/NG、UPE/CF復(fù)合材料。研究三種高導(dǎo)熱高導(dǎo)電碳材料對(duì)于UPE材料導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的影響。主要結(jié)論如下：利用FT-IR、X

13、RD等手段對(duì)石墨烯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征;利用AFM和TEM對(duì)石墨烯形貌進(jìn)行了表征;用TGA方法研究了其熱穩(wěn)定性,結(jié)果表明制備了石墨烯材料；復(fù)合材料越致密、導(dǎo)熱晶體結(jié)構(gòu)越規(guī)整越有利于導(dǎo)熱通路的形成。復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能次序?yàn)?UPE/NG>UPE/CF>UPE/GS,這與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有關(guān),UPE/NG的結(jié)構(gòu)規(guī)整,材料密度隨著填料的增加而逐漸增加;UPE/CF復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)整體上規(guī)整,但還是有有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象,但宏觀上的TGA測(cè)試還是比較均勻的,

14、材料的密度變化不大;UPE/GS復(fù)合材料的密度隨著GS的增加反而是下降的,GS的加入引入了很多空隙。UPE/NG(60phr NG)、UPE/CF(60phr CF)和UPE/GS(10 phr GS)的導(dǎo)熱系數(shù)為分別為3.257 W/(m?K)、0.778 W/(m?K)和0.52 W/(m?K),分別比UPE的導(dǎo)熱系數(shù)提高了556.7%、56.9%和4.8%；填料為10 phr時(shí),復(fù)合材料的導(dǎo)電次序?yàn)閁PE/CF>UPE/GS>UP