（机械工程专业论文）超高分子量聚乙烯增强改性及加工研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2 5学科分类号 4 6 0 9 9 论文编号 10 0 10 2 0 1 2 0 0 3 0 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名何振强学号 2 0 10 0 1 0 0 3 0 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 5 2 0 1 复合材料成型加工设备 课题来源其他项目研究方向 与理论 论文题目超高分子量聚乙烯增强改性及加工研究 关键词超高分子量聚乙烯，增强，辐照交联，模压，挤出 论文答辩日期 2 0 1 2 年5 月3 0 日论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师薛平研究员、博导北京化工大学聚合物加工 评阅人1张玉霞高工北京工商大学聚合物加工 评阅人2何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 徽员会拂何亚东研究员、博导北京化工大学聚合物加工 答辩委员蝴王华庆教授、博导北京化工大学故障诊断 答辩委员1何立东研究员、博导北京化工大学减震及密封 答辩委员2颜廷俊教授北京化工大学石油机械 答辩委员3张东胜副教授北京化工大学工程测试与测量 答辩委员4 李国昌高工北京燕山石化公司机械设备 摘要 超高分子量聚乙烯增强改性及a nt 研究 摘要 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 是一种应用前景良好的热塑性工程 塑料，具有很多优良特性，如耐磨性和抗冲击性能异常优越、摩擦系数低、 耐化学腐蚀、自润滑等，但与其它工程塑料相比，存在耐温性能差、表面 硬度低等缺陷，极大限制了它在某些领域的应用；如何提高u h m w p e 的 强度和耐热性能，扩大其市场覆盖率成为目前的研究热点。 改性技术是通过物理和机械的方法在基体塑料中加入无机或有机物 质，实现材料性能的提高、成型加工性能的改善、材料成本的降低。本文 通过无机填料填充法和y 射线辐照交联法对u h m w p e 进行改性，改善其 耐温性能、提高表面硬度，优化综合机械性能。此外，还研究模压成型中 的模压压力和模压温度对u h m w p e 性能的影响，并对模压成型试样和单 螺杆挤出成型试样的性能进行对比，具体的研究内容与得到的结论如下： ( 1 ) 研究不同无机填料对u h m w p e 性能的影响：添加适量的针状 硅灰石、超细白云母和有机纳米蒙脱土( o m m t ) 均可提高u h m w p e 的拉伸强度、表面硬度、热变形温度和耐磨性，其中以o m m t 的效果最 佳，超细白云母次之，而针状硅灰石的效果稍差，当o m m t 的填充量为 4 时，u h m w p e 的拉伸强度提高了3 3 5 、磨损量降低了6 6 7 、摩擦 系数降低了2 0 7 。当o m m t 的含量为6 时，u h m w p e 的表面硬度提 高了1 4 3 、热变形温度提高了2 2 。 v i i a b s t r a c t ( 2 ) 采用1 ，射线对u h m w p e 进行交联改性，研究了丫射线辐照剂 量和辐照后处理对其性能的影响。结果表明，y 射线辐照交联可以提高其 凝胶率、熔点、结晶度、拉伸强度、表面硬度、热变形温度和耐磨性能。 当辐照剂量为15 0 k g y 时，u h m w p e 的热变形温度提高了4 0 。c 。但辐照 交联降低了u h m w p e 的塑性，使材料的拉伸断裂伸长率降低。重新熔融 后处理可以进一步提高材料的凝胶率，改善其塑性，但材料的熔点、结晶 度、表面硬度、拉伸强度和耐磨性有所降低。y 射线辐照一云母填充复合改 性能够进一步提高复合材料的表面硬度和耐磨性能。 ( 3 ) 研究不同加工方法对u h m w p e 性能的影响。模压压力和模压 温度对u h m w p e 性能有重要的影响，随着模压压力的增大，u h m w p e 的熔点、结晶度和拉伸弹性模量均增大，拉伸断裂伸长率减小。随着模压 温度的增大，u h m w p e 的拉伸弹性模量和拉伸断裂伸长率减小。尽管模 压成型和挤出成型的工艺条件不同，但通过这两种方法获得试样的拉伸性 能相差不大。模压法成型试样的熔点高于挤出成型试样的熔点，而挤出成 型试样的结晶度高于模压成型。 关键词：超高分子量聚乙烯，增强，辐照交联，模压，挤出 v i i i a b s t r a c t r e i n f o r c e du h m w p ea n dt h ei n f l u n c eo f p r o c e s s i n gc o n d t i o n so ni t sp r o p e r t i e s a b s t r a c t u l t r a h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) i so n e o ft h e w i d e l yu s e da n dp r o m i s i n gt h e r m o p l a s t i cp o l y m e r sf o rm e c h a n i c a l s t r u c t u r a l a n dw e a r - r e s i s t a n c ea p p l i c a t i o n s t h en o t i c e a b l yu n i q u ec o m b i n a t i o n so f u h m w p e p r o p e r t i e sa r eh i g ht o u g h n e s s ，l o wc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ，m i n i m a l w a t e ra b s o r p t i o na n ds e l f - l u b r i c i t y b u tc o m p a r e dw i t ho t h e re n g i n e e r i n g t h e r m o p l a s t i c ，t h eh e a t r e s i s r a n tp r o p e r t ya n ds u r f a c eh a r d n e s so fu h m w p e a r el o w e rw h i c hl i m i t si t su s ei nm a n ya p p l i c a t i o n s i no r d e rt oe x p a n di t s a p p l i e ds c o p e ，r e s e a r c ho nh o wt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n dh e a t r e s i s t a n t p r o p e r t yh a sb e c o m em o r ea n d m o r ep o p u l a r i nt h i sw o r k ，u h m w p ew e r em o d i f i e db ya d d i n gi n o r g a n i cf i l l e r sa n d 丫 i r r a d i a t i o nc r o s s l i n k i n g ，w h i c h - w e r eh e l p f u li ni m p r o v i n gi t sh e a t r e s i s r a n t p r o p e r t ya n ds u r f a c eh a r d n e s sa n do p t i m i z i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i n a d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fc o m p r e s s i o nm o l d i n gp r e s s u r ea n dc o m p r e s s i o n m o l d i n gt e m p e r a t u r eo ni t sp r o p e r t i e sw e r ea l s o s t u d i e d w h a t sm o r e ，t h e d i f f e r e n tp r o p e r t i e sb e t w e e nc o m p r e s s i o nm o l d i n gs a m p l ea n de x t r u s i o n s a m p l ew e r ea l s os t u d i e d s e v e r a lm a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t hap r o p e rc o n t e n to fn e e d l ew o l l a s t o n i t e 、u l t r a f i n em u s c o v i t ea n d i x a b s t r a c t o m m t , t h et e n s i l es t r e n g t h 、s u r f a c eh a r d n e s s 、h e a td i s t o r t i o nt e m p e r a t u r ea n d w e a rr e s i s t a n c eo fu h m w p ec o u l db ei m p r o v e d ，a m o n gw h i c ho m m t w a s t h eb e s t ，u l t r a f i n em u s c o v i t et o o kt h es e c o n dp l a c ea n dn e e d l ew o l l a s t o n i t e w a st h ew o r s t w h e nu h m w p ew a sf i l l e dw i t h4w t o m m t , t h et e n s i l e s t r e n g t hw a si n c r e a s e db y3 3 5 ，t h ew e a rr a t ew a sr e d u c e db y 6 6 7 a n dt h e c o e f f i c i e n to ff r i c t i o nw a sr e d u c e db y2 0 7 w h e nu h m w p ew a sf i l l e d w i t h6w t o m m t , t h es u r f a c eh a r d n e s sw a si n c r e a s e db y2 9 a n dt h eh e a t d i s t o r t i o nt e m p e r a t u r ew a si n c r e a s e df o r2 2 。c ( 2 ) w i t hap r o p e rd o e s o f7i r r a d i a t i o n ，t h eg e lc o n t e n t 、m e l t i n gp o i n t 、 c r y s t a l l i n i t y 、s u r f a c eh a r d n e s s 、t e n s i l es t r e n g t h 、h e a td i s t o r t i o nt e m p e r a t u r e a n d w e a rr e s i s t a n c eo fu h m w p ec o u l db ei m p r o v e d t h eh e a td i s t o r t i o n t e m p e r a t u r eo fu h m w p e i n c r e a s e db y4 0 。ca n dt h ec r y s t a l l i n i t yi n c r e a s e d f r o m41 7 5 t o5 6 7 6 w h e nt h e 丫i r r a d i a t i o nd o e sr e a c h e d15 0 k g y b u t 7 i r r a d i a t i o nc r o s s l i n k i n gr e d u c e di t st o u g h n e s s t h et e n s i l ee l o n g a t i o na tb r e a k d e c r e a s e d r e m l t i n gc o u l df u r t h e ri n c r e a s et h eg e lc o n t e n ta n de n h a n c e di t s t o u g h n e s s ，b u tr e d u c i n gt h em e l t i n gp o i n t ，c r y s t a l l i n i t y , s u r f a c eh a r d n e s s ， t e n s i l ea n dw e a rr e s i s t a n c yi r r a d i a t i o nc r o s s l i n k i n go fu h m w p ef i l l e dw i t h 5w t o fu l t r a f i n em u s c o v i t ec o u l df u r t h e ri m p r o v ei t ss u r f a c eh a r d n e s sa n d w e a rr e s i s t a n c ( 3 ) c o m p r e s s i o nm o l d i n gp r e s s u r ea n dc o m p r e s s i o nm o l d i n gt e m p e r a t u r e h a v ea ni m p o r t a n te f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fu h m w p e w i t ht h ei n c r e a s i n g o fc o m p r e s s i o nm o l d i n gp r e s s u r e ，t h em e l t i n gp o i n t ，c r y s t a l l i n i t y a n dt h e x a b s t r a c t t e n s i l ee l a s t i cm o d u l u si n c e a s e d ，t e n s i l ee l o n g a t i o na tb r e a kd e c r e a s e d a l o n g w i t ht h ei n c r e a s eo fc o m p r e s s i o nm o l d i n gt e m p e r a t u r e ，t e n s i l ee l a s t i cm o d u l u s a n dt e n s i l ee l o n g a t i o na tb r e a kd e c r e a s e d t h o u g ht h ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n so f c o m p r e s s i o nm o l d i na n de x r e u s i o nw e r ed i f f e r e n t ，t h et e n s i l ep r o p e r t i e sw e r e a p p r o x i m a t e l yc l o s e t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt e n s i l ee l o n g a t i o na tb r e a ko f c o m p r e s s i o nm o l d i n gs a m p l ew e r eh i g h e rt h a nt h a to fe x t r u s i o ns a m p l ew h i c h h a dh i g h e rt e n s i l ee l a s t i cm o d u l u sa n dc r y s t a l l i n i t ya n dal o w e rm e l t i n gp o i n t k e yw o r d s ：u h m w p e ，r e i n f o r c e d ，i r r a d i a t i o n ，c o m p r e s s i o nm o l d i n g ， e x t r u s i o n x i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 超高分子量聚乙烯的简介1 1 2u h m w p e 的成型加工1 1 2 1 模压成型一2 1 2 2 柱塞式挤出成型2 1 2 3 单螺杆挤出成型3 1 2 4 注射成型4 1 2 5 凝胶纺丝5 1 2 6 固态挤出成型5 1 3u h m w p e 的增强改性研究现状6 1 3 1 填料共混改性7 1 3 2 交联改性8 1 3 3 其它改性方法1 0 1 4 本课题的研究背景及意义1 1 1 5 本课题的研究内容、拟取得的成果1 l 第二章实验部分。1 3 2 1 实验原料1 3 2 2 实验仪器与设备1 3 2 3 实验配方1 3 2 4 性能测试1 4 2 4 1 拉伸性能测试1 4 2 4 2 表面硬度测试1 4 2 4 3 摩擦磨损性能测试1 4 2 4 4 扫描电子显微镜( s e m ) 1 6 2 4 5 热变形温度测试1 6 2 4 6d s c 结晶性能测试1 6 2 4 7 广角x 射线衍射1 6 2 4 8 傅里叶红外光谱分析1 7 x i 目录 2 4 9 凝胶率测试1 7 第三章无机填料填充对u h m w p e 性能的影响19 3 1 单螺杆挤出成型工艺1 9 3 2 不同填料对u h m w p e 力学性能的影响2 0 3 3 不同填料对u h m w p e 表面硬度的影响2 2 3 4u h m w p e 4 o m m t 复合材料x r d 分析2 3 3 5 不同填料对u h m w p e 耐热性能的影响2 4 3 6 不同填料对u h m w p e 摩擦磨损性能的影响2 5 3 7 摩擦磨损表面形貌分析2 7 3 8 复合材料断面微观结构分析2 9 3 9 本章小结3 1 第四章y 射线辐照交联改性u h m w p e 研究3 3 4 1y 射线辐照交联改性对u h m w p e 性能的影响3 3 4 1 1y 射线辐照交联工艺一3 3 4 1 2y 射线辐照剂量对凝胶率的影响3 4 4 1 3y 射线辐照对试样力学性能的影响3 5 4 1 4y 射线辐照对试样表面硬度的影响一3 6 4 1 5y 射线辐照剂量对试样耐热性能的影响3 6 4 1 6y 射线辐照对试样耐磨性能的影响一3 7 4 2 重新熔融后处理对u h m w p e 性能的影响3 7 4 2 1 重新熔融后处理对u h m w p e 力学性能的影响3 8 4 2 2 重新熔融后处理对表面硬度的影响3 9 4 2 3 重新熔融后处理对摩擦磨损性能的影响3 9 4 2 4 傅立叶红外光谱分析4 0 4 2 5x r d 分析4 2 4 2 6d s c 结晶性能分析4 5 4 3y 射线辐照云母填充复合改性对u h m w p e 性能的影响4 8 4 3 1y 射线辐照云母填充复合改性对u h m w p e 力学性能的影响4 8 4 3 21 ，射线辐照云母填充复合改性对试样表面硬度的影响4 9 4 3 3y 射线辐照云母填充复合改性对试样摩擦磨损性能的影响4 9 4 4 摩擦磨损表面形貌分析5 0 x i i 目录 4 5 本章小结5 2 第五章u h m w p e 的成型方法对性能的影响5 3 5 1 模压压力对u h m w p e 性能的影响5 3 5 2 模压温度对u h m w p e 性能的影响5 5 5 3 挤出板材模具的冷却条件对u h m w p e 性能的影响5 7 5 4u h m w p e 挤出法成型试样和模压法成型试样力学性能的比较5 8 5 5 本章小结6 0 第六章全文总结。6 1 6 1 主要研究结论与成果6 1 6 2 课题创新之处6 2 6 3 课题有待进一步研究的问题6 2 参考文献6 3 致谢。6 6 发表的学术论文6 7 作者及导师简介6 8 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o no f t h eu h m w p e l 1 2p r o c e s s i n go f u h m w p e ”1 1 2 1 c o m p r e s s i o nm o l d i n g z 1 2 2r a me x t r u s i o nc o m p r e s s i o nm o l d i n g z 1 2 3s i n g l es c r e we x t r u s i o nc o m p r e s s i o nm o l d i n g j 1 2 4i n j e c t i o nc o m p r e s s i o nm o l d i n g 斗 1 2 5g e ls p i n n i n g j 1 2 6s o l i de x t r u s i o nc o m p r e s s i o nm o l d i n g o 1 3m o d i f i c a t i o no f u h m w p e b 1 3 1m o d i f i e db ya d d i n gi n o r g a n i cf i l l e r s 7 1 3 2c r o s s l i n k i n g 1 8 1 3 3o t h e rm e m o d sf o rm o d i f i c a t i o n 1 0 1 4r e s e a r c hm e a n i n ga n di n t e n t i o n 1 1 1 5r e s e a r c hc o n t e n t s 1 1 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t 。1 3 2 1s e l e c t i o no f e x p e r i n l e n t a lm a t e r i a l s 1 3 2 2m a i ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s l j 2 3d e s i g no f e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 1 3 2 4p e r f o h n a n c et e s t i n ga n dc h a r a c t e r i z a t i o n 1 4 2 4 1t e n s i l ep r o p e r t i e st e s t i n g 1 4 2 4 2h a r d n e s st e s t i n g 1 4 2 4 3f r i c t i o na n dw e a rt e s t i n g 1 4 2 4 4s e mt e s t i n g 一1 6 2 4 5h e a td i s t o r t i o nt e s t i n g 1 6 2 4 6d s ct e s t i n g 1 6 2 4 7x r dt e s t i n g 妁 2 4 8f i t rt e s t i n g 1 7 x i v c o n t e n t s 一_ _ _ 一 2 4 9g e lc o n t e n tt e s t i n g 1 7 c h a p t e r 3e f f e c to fi n o r g a n i cf i l l e ro nt h ep r o p e r t i e so fu h m w p e 1 9 3 1p r o c e s s i n gc o n d i t i o n so f e x t r u s i o n ，1 9 3 2e f f e c to f f i l l e r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u h m w p e 2 0 3 3e f f e c to f f i l l e r so nt h eh a r d n e s so f u h m w p e 2 2 3 4x r do f u h m w p e 4 o m m t c o m p o s i t e 2 3 3 5e f f e c to ff i l l e r so nt h eh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t i e so fu h m w p e 2 4 3 6e f f e c to f f i l l e r so nt h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so f u h m w p e 2 5 3 7s e mo f t h ew e a rs u r f a c e 2 7 3 8s e m a n a l y s i s 。2 9 3 9c o n c l u s i o n s 31 c h a p t e r4 丫i r r a d i a t i o nc r o s s l i k i n go fu h m w p e 。3 3 4 1e f f e c to f 7i r r a d i a t i o no nt h ep r o p e r t i e so f u h m w p e 3 3 4 1 17i r r a d i a t i o np r o c e s s 3 3 4 1 2e f f e c to f 3 i r r a d i a t i o no nt h eg e lc o n t e n to f u h m w p e 3 4 4 1 3e f f e c to f 7i r r a d i a t i o no nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u h m w p e 3 5 4 1 4e f f e c to f yi r r a d i a t i o no nt h e h a r d n e s so f u h m w p e 3 6 4 1 5e f f e c to f yi r r a d i a t i o no nt h eh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t i e so f u h m w p e 3 6 4 1 6e f f e c to f 7i r r a d i a t i o no nt h ef r i c t i o n a la n dw e a r p r o p e r t i e so f u h m w p e 3 7 4 2e f f e c to f r m e l t i n go nt h ep r o p e r t i e so f u h m w p e 3 7 4 2 1e f f e c to f r e m e l t i n go nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u h m w p e 3 8 4 。2 。2e f f e c to f r e m e l t i n go nt h eh a r d n e s so f u h m w p e 。，3 8 4 2 3e f f e c to f r e m e l t i n go nt h ef r i c t i o n a la n dw e a rp r o p e r t i e so f u h m w p e 3 9 4 2 ，4f i t ra n a l y s i s ，3 9 4 2 5x r d a n a l y s i s 4 1 4 2 6d s ca n a l y s i s 4 4 4 3e f f e c to f 7i r r a d i a t i o na n di n o r g a n i cf i l l e r so nt h ef p r o p e r t i e so f u h m w p e 4 6 4 3 1e f f e c to f7i r r a d i a t i o na n di n o r g a n i cf i l l e r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu h m w p e ，z j 7 4 3 2e f f e c to f7i r r a d i a t i o na n di n o r g a n i cf i l l e r so nt h eh a r d n e s s o fu h m w p e 4 8 4 3 3e f f e c to f 丫i r r a d i a t i o na n di n o r g a n i cf i l l e r so nt h ef r i c t i o n a la n dw e a rp r o p e r t i e so f x v i i c o n t e n t s u h m w p e 4 8 4 4s e mo f w e a rs u f a c e 4 9 4 5c o n c l u s i o n s 5 1 c h a p t e r 5s t u d i e so nt h ep r o c e s s i n go fu h m w p e 5 3 5 1e f f e c to f c o m p r e s s i o nm o l d i n gp r e s s u r eo nt h ep r o p e r t i e so f u h m w p e 5 3 5 2e f f e c to f c o m p r e s s i o nm o l d i n gt e m p e r a t u r eo nt h ep r o p e r t i e so f u h m w p e 5 5 5 3e f f e c to f c o o l i n gr a t eo f e x t r u s i o nd i eo nt h ep r o p e r t i e so f u h m w p e 5 6 5 4d i f f e r e n c ep r o p e r t i e sb e t w e e nt h ec o m p r e s s i o nm o l d i n gs a m p l ea n dt h ee x t r u s i o n s a m p l e 5 8 5 5c o n c l u s i o n s 6 0 c h a p t e r6c o n c l u s i o n s 6 1 6 1m a i nr e s e a r c hr e s u l t s 6 1 6 2i n n o v a t i o no f t h i sw o r k 6 2 6 3t o p i cn e e d e df o rf u t u r es t u d y 6 2 l t e f e r e n c e 。6 3 a c k n o w l e d g e m e n t 6 6 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b l i s h e dp a p e r 6 7 a u t h o r 。6 8 x v i i i 符号说明 k 五 召 乡 d 盯e l 乙o a h a s 缩写 u h m w p e a s t m p e p t f e p a 6 6 p o m o m m t n 2 d s c x r d s e m f i t r m r a d k g y 符号说明 谢乐常数 入射x 射线波长，a m 积分半宽高，r a d 布拉格衍射角，。 垂直于晶面( h k l ) 方向的晶粒尺寸，a m 结晶折迭链的表面自由能，j c m 。2 u h m w p e 试样的真实熔融温度，k u h m w p e 的平衡熔点，k 1 0 0 结晶u h m w p e 试样的熔融热，j c m 。3 熔融熵 超高分子量聚乙烯 美国材料试验协会标准 聚乙烯 聚四氟乙烯 聚酰胺6 6 聚甲醛 有机纳米蒙