作者:乌学东等 来源:《摩擦学学报》 发布时间:2012-12-5 11:09:16
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超高分子量聚乙烯改性获进展

UHMWPE纤维改性前后形貌变化及导电性能测试


 

UHMWPE粉末改性前后形貌变化及摩擦学性能测试

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种平均分子质量在百万以上的聚乙烯材料,它的分子链为线性结构,具有优越的耐磨性、超高模量、高韧性、自润滑、耐环境应力开裂、化学稳定、抗疲劳、摩擦系数小等优点。UHMWPE优异的物理机械性能使它广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿业及化工等领域。
 
合成纤维,特别是聚烯烃纤维,由于本身电阻率很大、介电常数和介电损耗较小,造成电绝缘性好容易积累静电,这对其在某些特殊领域内使用带来不便,甚至会造成安全问题。而导电纤维的电阻率降低到和半导体或金属相同数量级,则呈现出优良的导电效果和电磁屏蔽效果,在电子、航天航空、军事等特殊领域有广泛的应用价值。当前导电纤维或抗静电纤维常规制备方法主要包括:掺杂导电物质,表面涂敷或吸附可导电物质和表面镀金属。然而,掺杂导电物质会破坏纤维本身的性能,表面涂敷或吸附导电物质得到的纤维导电性不好而且导电层易脱落,化学镀金属虽然能得到导电性很好的纤维,但前处理工艺步骤过于复杂,而且使用重金属离子活化敏化纤维易污染环境。UHMWPE纤维高度结晶表面光滑,只有在高温(大于100℃)下才能被十氢化萘或石蜡油等溶解。而且分子链中无极性基团,造成纤维表面极其惰性,难吸附其他物质。因而不能用粗化、活化和敏化方法处理纤维来进行化学镀,也很难在表面涂敷或吸附上导电物质。
 
多巴胺类聚合物几乎可以黏附在所有材料表面,让多巴胺类物质在UHMWPE纤维表面聚合生成一层多巴胺类聚合物,从而达到活化效果。纤维经活化后表面富含羟基和胺基,可大量吸附金属离子,金属离子同时被多巴胺类聚合物和还原剂还原,使得纤维表面生成金属层,制得导电纤维。针对现有导电纤维制备方法的不足,中科院宁波材料所科研人员利用多巴胺类聚合物强黏附作用活化表面,用化学镀实现表面金属化,获得一种可导电、抗静电且性能优越超高分子量聚乙烯纤维,整个过程对环境友好无污染。镀银纤维具有优异的导电性能,其线电阻仅为0.15Ω/cm,可作为导线直接连接在电路中,同时还具备纤维本身高强力学性能,可应用于外太空、深海等极端环境中。相关研究结果发表在Journal of Applied Polymer Science(doi: 10.1002/app.38228),同时申请国家发明专利1项(申请号:201110175021.3)。
 
UHMWPE分子链的结构单元为-CH2-,表面无极性基团,表面能低,加工过程中添加剂等杂质在表面形成弱边界层,这些因素都造成UHMWPE表面惰性,与其他树脂之间的相容性很差,限制了它在复合材料方面的应用。因此,对UHMWPE粉末表面进行改性,提高它与其他树脂之间的相容性以及增大它的表面粘结性能,是一项具有重要意义的研究课题。针对现有的UHMWPE表面改性方法的不足,研究人员利用界面缩聚改性UHMWPE表面的方法,在UHMWPE粉末表面生成一层聚脲和/或聚氨酯和/或聚酰胺薄膜,从而有效地改善UHMWPE粉末表面的相容性和粘结性,同时不改变UHMWPE粉末本身性能。另外,本发明的UHMWPE 粉末表面改性方法操作简单、对设备要求低、处理速度快而且处理效果好,是一种易于进行工业化生产的UHMWPE粉末表面改性方法,相关技术已获得国家发明专利授权(授权号:201110158646.9.)。
 
为了提高环氧树脂的耐磨性能,利用多巴胺氧化自聚合性质,对UHMWPE粉末进行表面改性,制备得到改性粉末,并添加至环氧树脂中制备成耐磨涂层,同时与添加未改性UHMWPE的环氧涂层对比。原始的环氧涂层由于黏着磨损和疲劳磨损的综合作用,造成严重磨损,但添加了UHMWPE粉末后,环氧涂层的磨损状况发生了变化。UHMWPE的耐磨性极佳,环氧树脂相对于它来说是易被磨损物质,起到磨粒磨损作用。同时粉末自润滑性很好,又可以起到润滑作用。当涂层产生磨损时,未改性粉末容易被剥离出来,少量剥离出来的粉末在转移膜和涂层表面之间起到润滑剂的作用,自润滑作用占主导,减缓了磨损,因而磨损率较低。多巴胺有效改善了UHMWPE粉末表面惰性,增强粉末与环氧树脂之间的相容性,使得粉末不易被剥离出来。添加UHMWPE粉末可以稳定环氧涂层的摩擦,降低摩擦系数和磨损率。改性粉末的总体效果优于未改性的粉末,在降低摩擦系数和磨损率同时,还增强涂层的抗冲击韧性。而相关研究结果发表在《摩擦学学报,32(2012)435-443》上。另外UHMWPE经表面改性提高了与其他材料的表界面结合能力,由于其高韧、高强、耐候、高耐磨在海洋材料中得以应用。
 
上述研究工作得到了国家高技术研究发展计划项目(863)的支持,项目编号:(2009AA034605)。(来源:中科院宁波材料技术与工程研究所)
 
 
 
 
 
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