寧波材料所在超高分子量聚乙烯改性及其應用方面獲進展

發布時間：2012-12-09 10:37 原文鏈接：寧波材料所在超高分子量聚乙烯改性及其應用方面獲進展

　　超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種平均分子質量在百萬以上的聚乙烯材料，它的分子鏈為線性結構，具有優越的耐磨性、超高模量、高韌性、自潤滑、耐環境應力開裂、化學穩定、抗疲勞、摩擦系數小等優點。UHMWPE優異的物理機械性能使它廣泛應用于機械、運輸、紡織、造紙、礦業及化工等領域。

　　合成纖維，特別是聚烯烴纖維，由于本身電阻率很大、介電常數和介電損耗較小，造成電絕緣性好容易積累靜電，這對其在某些特殊領域內使用帶來不便，甚至會造成安全問題。而導電纖維的電阻率降低到和半導體或金屬相同數量級，則呈現出優良的導電效果和電磁屏蔽效果，在電子、航天航空、軍事等特殊領域有廣泛的應用價值。當前導電纖維或抗靜電纖維常規制備方法主要包括：摻雜導電物質，表面涂敷或吸附可導電物質和表面鍍金屬。然而，摻雜導電物質會破壞纖維本身的性能，表面涂敷或吸附導電物質得到的纖維導電性不好而且導電層易脫落，化學鍍金屬雖然能得到導電性很好的纖維，但前處理工藝步驟過于復雜，而且使用重金屬離子活化敏化纖維易污染環境。UHMWPE纖維高度結晶表面光滑，只有在高溫(大于100℃)下才能被十氫化萘或石蠟油等溶解。而且分子鏈中無極性基團，造成纖維表面極其惰性，難吸附其他物質。因而不能用粗化、活化和敏化方法處理纖維來進行化學鍍，也很難在表面涂敷或吸附上導電物質。

　　多巴胺類聚合物幾乎可以黏附在所有材料表面，讓多巴胺類物質在UHMWPE纖維表面聚合生成一層多巴胺類聚合物，從而達到活化效果。纖維經活化后表面富含羥基和胺基，可大量吸附金屬離子，金屬離子同時被多巴胺類聚合物和還原劑還原，使得纖維表面生成金屬層，制得導電纖維。針對現有導電纖維制備方法的不足，中科院寧波材料所科研人員利用多巴胺類聚合物強黏附作用活化表面，用化學鍍實現表面金屬化，獲得一種可導電、抗靜電且性能優越超高分子量聚乙烯纖維，整個過程對環境友好無污染。鍍銀纖維具有優異的導電性能，其線電阻僅為0.15Ω/cm，可作為導線直接連接在電路中，同時還具備纖維本身高強力學性能，可應用于外太空、深海等極端環境中。相關研究結果發表在Journal of Applied Polymer Science(doi: 10.1002/app.38228)，同時申請國家發明ZL1項(申請號：201110175021.3)。

　　UHMWPE分子鏈的結構單元為-CH2-，表面無極性基團，表面能低，加工過程中添加劑等雜質在表面形成弱邊界層，這些因素都造成UHMWPE表面惰性，與其他樹脂之間的相容性很差，限制了它在復合材料方面的應用。因此，對UHMWPE粉末表面進行改性，提高它與其他樹脂之間的相容性以及增大它的表面粘結性能，是一項具有重要意義的研究課題。針對現有的UHMWPE表面改性方法的不足，研究人員利用界面縮聚改性UHMWPE表面的方法，在UHMWPE粉末表面生成一層聚脲和/ 或聚氨酯和/或聚酰胺薄膜，從而有效地改善UHMWPE粉末表面的相容性和粘結性，同時不改變UHMWPE粉末本身性能。另外，本發明的UHMWPE 粉末表面改性方法操作簡單、對設備要求低、處理速度快而且處理效果好，是一種易于進行工業化生產的UHMWPE粉末表面改性方法，相關技術已獲得國家發明ZL授權(授權號：201110158646.9.)。

　　為了提高環氧樹脂的耐磨性能，利用多巴胺氧化自聚合性質，對UHMWPE粉末進行表面改性，制備得到改性粉末，并添加至環氧樹脂中制備成耐磨涂層，同時與添加未改性UHMWPE的環氧涂層對比。原始的環氧涂層由于黏著磨損和疲勞磨損的綜合作用，造成嚴重磨損，但添加了UHMWPE粉末后，環氧涂層的磨損狀況發生了變化。UHMWPE的耐磨性極佳，環氧樹脂相對于它來說是易被磨損物質，起到磨粒磨損作用。同時粉末自潤滑性很好，又可以起到潤滑作用。當涂層產生磨損時，未改性粉末容易被剝離出來，少量剝離出來的粉末在轉移膜和涂層表面之間起到潤滑劑的作用，自潤滑作用占主導，減緩了磨損，因而磨損率較低。多巴胺有效改善了UHMWPE粉末表面惰性，增強粉末與環氧樹脂之間的相容性，使得粉末不易被剝離出來。添加UHMWPE粉末可以穩定環氧涂層的摩擦，降低摩擦系數和磨損率。改性粉末的總體效果優于未改性的粉末，在降低摩擦系數和磨損率同時，還增強涂層的抗沖擊韌性。而相關研究結果發表在《摩擦學學報，32(2012)435-443》上。另外UHMWPE經表面改性提高了與其他材料的表界面結合能力，由于其高韌、高強、耐候、高耐磨在海洋材料中得以應用。

　　上述研究工作得到了國家高技術研究發展計劃項目(863)的支持，項目編號：(2009AA034605)。