UHMWPE/石蜡油溶液体系的黏度特性

2015-03-25张玉梅王晓禾赵瑞军王新威侯秀红孙勇飞陈建定

合成纤维工业 2015年4期

张玉梅，王晓禾，赵瑞军，王新威*，侯秀红，王萍，孙勇飞，陈建定

(1.中国石化上海石油化工研究院上海市聚烯烃催化技术重点实验室，上海200062;2.华东理工大学，上海200237)

黏度(η)是流体内部阻碍其相对流动的一种特性，用来衡量液体流动过程中所受到的阻力，η越高，液体流动越慢［1］。Nizomiya和Ferry认为凝胶的粘弹性行为是由分子链间的暂时缠结引起的，形成了均匀的网状结构。分子链间缠结点密度的增加导致分子间作用力的增加，从而导致聚合物的流动性和稳定性劣化，进一步影响最终制品的机械性能。因此聚合物流体的流动规律已成为其加工成形工艺制定和工艺设备选择的依据［2］。

超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)在分子结构上与普通聚乙烯相同，极高的相对分子质量使UHMWPE具有普通聚乙烯和其他工程塑料无可比拟的优异综合性能［3］。

UHMWPE溶液的流变行为是其本身结构的反映，对于UHMWPE溶液的纺丝和薄膜加工，合适的UHMWPE溶液的制备是影响纤维和薄膜性能的重要因素［4］。作者通过正交设计方法分析UHMWPE的粘均相对分子质量(Mη)及其溶液浓度和温度对溶液黏度特性的影响，为制备性能均一的UHMWPE溶液，及其纤维、薄膜加工工艺的选择提供参考。

1 实验

1.1 原料

UHMWPE 树脂:Mη为1.5×106～2.5×106，中国石化上海石油化工研究院产;抗氧剂1076:优缔贸易(上海)有限公司产;石蜡油(LP):法国道达尔(Total)公司产。

1.2 实验方法

1.2.1 UHMWPE/LP 溶液的配制

在RVDV-2H数字式高温黏度仪中装入一定质量的UHMWPE粉末、抗氧剂1076与溶剂LP，在一定温度下以极低的搅拌速度搅拌形成无色透明溶液。溶液质量分数为15%，温度为200℃。

1.2.2 正交实验方案的设计

UHMWPE溶液的浓度、温度和UHMWPE的Mη是影响其黏度特性的主要因素。选用L9(34)型正交表安排实验，增加空白列，每个实验做2次。其中A表示UHMWPE粉料的Mη，B表示UHMWPE/LP溶液浓度，C表示UHMWPE/LP溶液黏度测试温度。剪切速率即转子转速。空白列的数据为做分析时的误差项［5］。

1.3 分析测试

在RVDV-2H数字式高温黏度仪中装入一定质量的UHMWPE粉末、抗氧剂1076与石蜡油，在一定温度下以极低的搅拌速度搅拌形成无色透明溶液，进行黏度测试。

2 结果与讨论

2.1UHMWPE 的Mη

从图1可以看出，UHMWPE/LP溶液的η随UHMWPE的Mη的增加而增加，这是因为UHMWPE分子链高度缠结，在LP溶液里，低剪切速率下，升温可以使大分子链不断解缠，相对分子质量低的缠结容易解缠，η低。

图1 Mη对UHMWPE/LP溶液η的影响Fig.1 Effect of Mη and η of UHMWPE/LP solution UHMWPE/LP溶液浓度为15%，温度为220℃。

2.2UHMWPE/LP 溶液浓度

从图2看出，UHMWPE温度增大，体系的η也随之增大，这是因为溶液中UHMWPE浓度增大，分子间形成缠结的概率增大，溶液中缠结点的浓度增加，造成溶液充分溶解后的黏度随浓度的增加而增大。UHMWPE分子链高度缠结，在低剪切速率下，这种大分子链的缠结点不断拆散和形成，处于动态平衡之中。溶液浓度会对大分子缠结产生显著的影响，浓度低的解缠结容易，达到平衡值所需时间短，而高Mη和高结晶度的UHMWPE溶解困难，溶解不均匀的聚集块会阻碍大分子链的解缠。随着浓度的增加，η下降到平衡值所需要的时间延长，这与分子链解缠结有关。

图2 不同浓度下UHMWPE/LP溶液的η变化曲线Fig.2 Change of η of UHMWPE/LP solution with different concentration

2.3UHMWPE/LP 溶液温度

从图3可以看出，随着溶液温度的升高，UHMWPE/LP溶液体系的η下降。这是因为随着温度的升高，体积膨胀，UHMWPE分子链运动单元的活动能力增强，分子间的布朗运动加强，分子间相互作用力减弱，分子链间的解缠绕现象明显，因此溶液流动性能增加、η下降。另外，随着时间的延长，分子链间缠绕与解缠绕达到动态平衡，η基本不再变化。随着温度的升高，η达到平衡值所需时间也相应缩短。温度升高到220℃，达到η平衡的时间最短。石蜡油闪点温度220～230℃，不适合再提高温度，如果温度太低，UHMWPE又无法溶解，所以会产生梯度较小的现象。