纳米改性增强超高分子量聚乙烯复合材料研究进展

2017-03-03王利朋赵欣欣田虎群翟冠虎史银路河南沃森超高化工科技有限公司河南濮阳457000

化工管理 2017年20期

王利朋赵欣欣田虎群翟冠虎史银路(河南沃森超高化工科技有限公司，河南濮阳457000)

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进入21世纪以来，新型材料的使用成为了时代的潮流，纳米材料在新型材料中占据了非常重要的地位。纳米材料具有很大对比表面积，体积效应以及尺寸效应。纳米材料对于增强聚合物材料的性能是很有效的。由于超高分子聚乙烯在实际的生产工程中由于耐磨性，导电性，抗热性比较差，在应用过程中受到了很多限制。所以可以通过纳米填充对其进行改性处理。通过纳米材料填充超高分子量聚乙烯，可以使其的性能达到很好的改善，可以增强复合材料的摩擦学性能，电学性能，生物相容性等。对于纳米改进增强超高分子聚乙烯复合材料的研究是十分有必要的。

纳米改性，超高分子量聚乙烯，复合材料

众所周知，超高分子聚乙烯的利用价值是非常高的，在各个行业包括医学，建筑学，化学等等都有很高的利用价值。其的利用价值主要依靠自身的耐冲击性，耐磨损性，耐低温性，抗粘附能力等等的性质。随着经济科技的不断发展，对于超高分子聚乙烯的要求也越来越高，所以对于UHMWPE的改性研究也提上日程。提高其的性能主要是采用无机纳米材料进行填充，纳米新材料具有新型的物化性质，这些性质使其具有比较好的体积效应，表面效应等等。

1 纳米材料能够改性增强UHMWPE的原因

(1)纳米材料的理化性质能够将无机调料的刚性，尺寸稳定性，热稳定性与高分子聚乙烯的韧性，可加工性，和介电性能结合起来，使其能够更好的发挥特殊性能，但是，当无机纳米材料与高分子量聚乙烯直接混合的时候，还是有一定的缺陷的比如说是共混性差，界面结合强度不高等等。所以，为了解决这样的问题在混合的时候引入人偶联剂对纳米表现进行改性，从而提高两者混合界面的强度。[2]纳米填充高分子量聚乙烯主要是通过高分子聚乙烯与改性纳米材料均匀混合后热压成型，混合的办法包括液相超声分散法，机械共混法，液相辅助熔混法等等，进行热压时的温度要保持在180到230摄氏度之间。

2 纳米改性高分子量聚乙烯符合材料。

2.1 单相纳米材料填充改性高分子量聚乙烯

单相纳米粒子填充改性高分子量聚乙烯制备复合材料，[4]其主要的制作工艺是通过表面活性剂来改性纳米粒子填充UHMWPE制备高分子聚乙烯材料来达到改善其性能的目的。对于无机纳米材料来讲，单相纳米材料的填充主要是依靠一下几种物质：三氧化二铝，氧化锌，二氧化硅，碳系纳米材料，碳纳米纤维等等。采用这种填充工艺主要是改善聚合物的摩擦性能，力学性能，生物性，耐热性以及导电性等等。

2.2 多相纳米材料填充改性高分子量聚乙烯

对于多相纳米材料填充改性高分子聚乙烯来讲，改性主要是通过填充不同的纳米材料来进行的。与单相纳米材料填充UHMWPE对比来讲，其可以完善聚合物其他方面的缺陷，提高其的综合性能。在使用多种纳米材料进行填充的时候，不同的纳米材料会有协同效应的发生。比如来讲，[4]采用纳米氧化锌以及二氧化硅进行填充的时候会有明显的协同效应，对于复合材料的耐磨性有很好的改性效果，还有就是利用氢氧化镁，硼酸锌等纳米进行多相填充到时候不仅会改善复合材料的热性能以及抗电性能，还能提高其的阻燃性。

2.3 纳米改性UHMWPE复合材料的性能

2.3.1 摩擦性能的改变

在实际的应用过程中，虽然高分子量聚乙烯本身就有比较良好的抗磨性以及很低的摩擦因素，但是现如今随着经济科技的不断发展，对于不同的需求需要不同的摩擦性能，所以需要对其进行改进。

利用纳米填充技术可以对其的摩擦性进行改进，比如说如果采用一定是分散方法将GO（氧化石墨烯，一种纳米物质）与UHMWPE进行分散，并且通过球磨混合和热压成型制备两者的复合材料，并且在去离子水以及生理盐水的减摩润滑与氧化锆进行滑动摩擦，在摩擦的过程中，复合材料的磨损率比未进行改造之前的磨损率要下降百分之二十左右。

2.3.2 力学性能的转变

总所周知，对于没有改性之前的UHMWPE，由于自身内部结构的原因，导致的硬度比较低，耐冲击的能力较弱。这样的性质直接导致了其在很多行业运用能力的不足。为了满足有关工程的需求，需要对其进行改性研究，通过不同的无机纳米材料，可以使复合材料表现出不同程度的物理性质。[3]比如说通过偶联合剂改性二硫化钨填充UHMWPE制备复合材料，复合纤维，改性之后，复合纤维的抗冲击性显著提高，如果添加量变为百分之四时，其的抗拉伸性会提高百分之十左右。对于纳米材料的添加量来讲，不同比例的添加量也会造成性能的转变。

2.3.3 电学性能的转变

对于没有改性之前的UHMWPE讲，其具有很高的介电常数，有很好的绝缘性能。通过纳米材料的改性可以降低其的介电常数，提高导电性能。比如，通过液相法可以将MWCNTs（多碳纳米管）负载到UHMWPE粉末的表面形成二维的导电网络，是高分子量聚乙烯的介电常数降低，电阻率下降，提高导电性能。

2.3.4 生物相容性的转变

高分子量聚乙烯是人工骨头的主要材料之一，但是在没有改性之前，由于UNMWPE在磨损过程中会有磨屑的产生，当其溶解在体液中的时候会造成骨质疏松以及连接的松动，导致其在医学研究上有力限制。在进行改性的研究过程中，我们知道，[3]当采用液相超声分散并热压成型制备了GO/UHMWPE(纳米填充后改性过后的复合材料)的复合材料不影响我们人体内细胞的形态以及生存能力，并且与骨细胞有很好的相容能力等。

2.3.5 热学性能的转变

对于高分子聚合物来讲，特别是高分子量聚乙烯在抗热方面的能力较差，受热容易发生形变。为了提高其的抗热性，可以通过使用结构特殊，性能稳定的纳米材料对其进行填充，以达到改性的目的。