原位化学合成法制备超高分子量聚乙烯_碳酸钙复合材料

原位化学合成法制备超高分子量聚乙烯/碳酸钙复合材料3王小俊方立明赵耀明(华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640)摘要采用原位化学合成法在改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末表面生成碳酸钙(CaCO3)颗粒,经模压或柱塞挤出制备UHMWPE/CaCO3复合材料。静态接触角、扫描电子显微镜和傅立叶红外光谱分析表明,UHM2WPE经丙烯酸改性后,表面接枝上大量的O—H、CO、C—O等极性官能团,Ca2+、CO2-3吸附在UHMWPE粉末表面生长出纳米CaCO3颗粒。热重分析表明,提高搅拌速率、先滴加含Ca2+溶液、提高溶液中的Ca2+和CO2-3与UHM2WPE的质量比和适量的偶联剂均有利于提高复合材料中CaCO3的负载率。力学性能和热性能测试表明,原位化学合成法比机械共混法制备的UHMWPE/CaCO3复合材料具有更高的拉伸性能、弯曲性能及热变形温度,当CaCO3的质量分数为9.5%时,原位化学合成法制备的UHMWPE/CaCO3复合材料的拉伸性能和弯曲性能达到最大,热变形温度为106℃。关键词原位化学合成超高分子量聚乙烯碳酸钙负载率力学性能热变形温度超高分子量聚乙烯(UHMWPE)一般是指粘均相对分子质量Mη≥1.5×106g/mol的线性聚乙烯,ASTMD4020则定义为重均相对分子质量Mw≥3.1×106g/mol的线性聚乙烯[1]。UHMWPE具有其它工程塑料无可比拟的耐磨、自润滑、耐冲击、耐腐蚀、耐低温和卫生无毒等综合特性,且质轻价廉,广泛应用于采矿、国防、医疗、体育等领域[2]。超长分子链的相互缠绕导致的高粘度使UHM2WPE的成型加工出现极大的困难。因此,通常将UHMWPE与加工助剂一起进行熔融塑化共混,但在改善UHMWPE熔体流动性的同时却降低了其本身的优异性能。为了改善加工助剂对UHMWPE性能的不良影响,通常会选择添加无机填料的方式,然而采用挤出混炼等普通方法添加的无机填料无法在UHMWPE中达到良好的分散。故采用一种新方法解决填料在UHMWPE中的分散和界面结合问题在UHMWPE复合材料的制备过程中显得极为重要。原位化学合成法是一种对聚合物基体材料进行表面化学处理使其具有活性,然后诱导溶液中的无机离子沉积在基体表面转化为固相无机粒子从而制得聚合物/无机填料复合材料的方法[3-4]。相对于固相机械混合法、熔融共混法、溶液搅拌法、气流分散法等方法,原位化学合成法具有分散效果好、界面结合作用强等特点。笔者采用原位化学合成法制备了性能优异的UHMWPE/碳酸钙(CaCO3)复合材料,为制备高性能UHMWPE复合材料提供了新思路,对扩展UHMWPE材料的应用领域具有重要的意义。1实验部分1.1主要原料UHMWPE粉末:M-Ⅲ型,相对分子质量约350万,北京东方石油化工有限公司助剂二厂;丙烯酸:化学纯,天津市福晨化学试剂厂;丙酮:化学纯,天津市大茂化学试剂厂;过氧化苯甲酰(BPO):化学纯,广州市新港化工有限公司;硅烷偶联剂:WD-70,湖北武大有机硅新材料股份有限公司;无水氯化钙(CaCl2):化学纯,天津市化学试剂一厂;无水碳酸钠(Na2CO3):化学纯,天津市福晨化学试剂厂。1.2主要设备、仪器高压毛细管流变仪:RHEOLOGIC5000-Twin型,意大利CEASTS.P.A公司;快速成型机:KSHR100型,东莞市科盛实业有限公司;傅立叶红外光谱(FTIR)仪:Nexus670型,美国Nicolet公司;接触角测量仪:OCA20LHT型,德国Dataphys2ics公司;热失重分析(TG)仪:TG-209型,德国Netzsch公司;扫描电子显微镜(SEM):JSM-T300型,日本电3广州市科技局科技计划基金项目(2008J1-C101)收稿日期:20092042104工程塑料应用2009年,第37卷,第7期子公司;万能材料试验机:INSTRON5500R型,美国In2stron公司;万能电子拉力试验机:Zwick/RoellZ010型,德国Zwick公司;热变形温度(HDT)/维卡软化点温度仪:HDT·VICAT型,意大利CEASTS.P.A公司。1.3试样制备(1)表面改性UHMWPE粉末将UHMWPE粉末与丙烯酸、丙酮、BPO按一定的质量比加入单口烧瓶中,室温下分别搅拌3d、7d[5],抽滤、蒸馏水洗涤,再用无水乙醇冲洗,最后过滤、干燥,得到丙烯酸改性的UHMWPE粉末。(2)原位化学合成法制备UHMWPE/CaCO3复合材料将溶有一定量的WD-70无水乙醇溶液加入装有已改性的UHMWPE粉末的三口烧瓶中,75℃恒温搅拌,缓慢滴加饱和CaCl2水溶液和饱和Na2CO3水溶液,滴加完毕后继续搅拌5h,抽滤、稀盐酸洗至溶液呈弱酸性,再分别用蒸馏水、无水乙醇冲洗,过滤、干燥,得到UHMWPE/C