基于拉伸流场作用的UHMWPE/PP/SiC材料的制备及其摩擦磨损行为研究

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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因其具有抗冲击强度高、耐磨损性强、摩擦系数低、生物相容性好等诸多优点,在诸多关键性领域具有极其重要的应用。但UHMWPE极长的分子链造成了UHMWPE加工异常困难,制约了UHMWPE的广泛应用。同时,UHMWPE还存在表面硬度低、热变形温度低、耐蠕变性差以及导热性能差等问题,在实际应用中容易造成磨损甚至失效。基于拉伸流变的偏心转子挤出技术(ERE)是一种新型的聚合物加工技术,在UHMWPE加工方面展现出了独特的优势,受到了广泛的关注。耐磨性能是UHMWPE应用中最重要的性能之一,但基于拉伸流场作用的UHMWPE材料的耐磨特性还缺乏系统深入的认识。为此,本文采用ERE技术制备了纯UHMWPE、UHMWPE/聚丙烯(PP)以及UHMWPE/PP/纳米碳化硅(Nano-SiC)三种材料,系统研究了基于拉伸流场作用的UHMWPE材料的摩擦磨损行为和结构特征,并与直接模压、转矩密炼、双螺杆挤出试样的性能进行对比,为高性能UHMWPE材料的高效制备提供借鉴。主要结论如下:首先,研究了纯UHMWPE在三种不同加工方式下的形貌结构、力学性能和耐磨性能,并与直接模压成型制备的交联UHMWPE进行比较,采用拉曼成像技术分析UHMWPE摩擦前后的结晶度和取向度。结果表明,交联UHMWPE的耐磨性能最好;与直接模压成型(静态加工)相比,偏心转子挤出(拉伸流场)有利于减少UHMWPE熔融缺陷,提高UHMWPE的分子链取向度,从而有效提高其力学性能和耐磨性能;而采用转矩密炼(剪切流场)制备的UHMWPE,其力学性能和耐磨性能均最低。同时还发现,采用直接模压成型、转矩密炼和拉伸流变制备的UHMWPE,摩擦后的表面结晶度均出现明显提高,而交联UHMWPE的结晶度略有提高。此外,采用直接模压和转矩密炼制备的UHMWPE,其分子链沿着摩擦方向取向,而拉伸流变制备的UHMWPE的分子链取向度在摩擦后没有发生明显变化。其次,采用均聚聚丙烯(i PP)和UHMWPE进行熔融共混,探讨了基于剪切流场和拉伸流场作用下的UHMWPE/PP共混体系的相形态、力学性能和耐磨性能,并分析了共混体系的界面结构和耐磨机理。结果表明,PP的引入可显著提高UHMWPE的耐磨性能;相较于剪切流场,在拉伸流场作用下的共混体系表现出更优异的力学性能和耐磨性能。其原因可能是,在拉伸流场作用下,PP在UHMWPE基体中的分散更为均匀,两者之间界面结合力更强,这有利于提高应力传递能力,从而有效减小体系的摩擦生热和磨损。最后,以Nano-SiC为增强改性剂,研究UHMWPE/PP/SiC复合材料在拉伸流场作用下的力学性能、耐磨性能和刮擦性能。结果表明,随着SiC用量的增加,复合材料的力学性能和耐磨性能先增大后减小,当SiC用量为3 phr时,复合材料的力学性能最好,而当SiC用量为1 phr时,复合材料的摩擦系数最低,耐磨性能最好;此外,复合材料的硬度和抗刮擦性能均随着SiC用量的增加而提高。
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