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《上海交通大学》 2013年
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超高分子量聚乙烯耐磨性和导热性能的研究

吴新锋  
【摘要】:超高分子量聚乙烯(UHMWPE或UPE)以其优越的物理机械性能如抗冲击性、耐磨损性、自润滑性、无毒性和耐低温性等性能而应用于医疗、采矿业、油气资源开发、纺织、化工及体育运动器械等领域,特别是在人工关节和耐磨管道方面的应用。但是在使用过程中,一方面因为UPE本身是线性结构,另外一个方面因为导热系数低,磨擦生热使材料温度升高,UPE仍然容易发生蠕变和强度疲劳而影响材料的磨擦等性能。因此本论文从两个大的方面对UPE进行改性:(1)通过添加辐照敏化剂进行辐照交联的方法使UPE形成交联网络,改变UPE的线性结构,使UPE不易产生塑性变形等蠕变现象。(2)提高UPE的导热系数,把因磨擦生热而产生的热量导出,从而降低因温度升高而导致的蠕变,导热部分主要研究包括:UPE本征导热;比较内容中包括添加Al_2O_3制备UPE/Al_2O_3、LLDPE/Al_2O_3和Epoxy/Al_2O_3复合材料;添加碳材料(石墨NG、碳纤维CF和石墨烯GS)制备UPE/NG、UPE/CF和UPE/GS复合材料。具体研究内容及结论如下: 1. UPE、TMPTMA/UPE和TPGDA/UPE复合材料 通过引入交联助剂TMPTMA和TPGDA到UPE中,后经电子束辐照交联,可保证在降低辐照剂量的同时提高UPE材料的交联程度。通过FTIR和溶胀平衡测试、DSC、电子拉力机、磨擦试验机、SEM对辐照前后的材料的结构、凝胶含量、交联点间分子量、结晶度、力学性能、磨擦性能、磨擦形貌进行了表征和研究。主要结论如下: (a) FTIR和凝胶含量测试结果表明复合材料中均发生了交联反应,TPGDA/UPE和TMPTMA/UPE的凝胶含量均高于纯UPE的凝胶含量,TMPTMA和TPGDA的加入有利于在降低辐照剂量的同时提高UPE的交联程度。 (b)辐照后材料的结晶度均有所增加,而且TMPTMA/UPE和TPGDA/UPE的结晶度高于UPE的结晶度,说明TMPTMA和TPGDA这两种交联助剂小分子的加入有利于UPE结晶。 (c) UPE材料结晶度的提高和交联度的提高有利于UPE磨擦性能的提高,如1%TMPTMA/UPE(100kGy)和1%TPGDA/UPE(100kGy)的磨损率分别为1.89×10-7mm3/(N m)和4.28×10-7mm3/(N m),分别为UPE(100kGy)磨损率(4.28×10-7mm3/(N m))的44.2%和100%。表明TMPTMA对于降低UPE的磨损率是有效的,而TPGDA因为增塑作用却几乎没有作用。SEMs的结果也表明1%TMPTMA/UPE(100kGy)的表面最光滑,溶胀平衡实验结果也表明1%TMPTMA/UPE(100kGy)的交联点间分子量(Mc=3141g/mol)低于UPE(100kGy)的交联点间分子量(Mc=5055g/mol)。 2. UPE本征导热 通过控制降温程序的方法提高UPE材料的本征导热性能。通过DSC法研究了UPE材料的熔融重结晶过程,主要结论如下: (a)降温速率、保温温度和保温时间均会影响材料的结晶,降温速率越慢,在125℃保温,且保温时间越长越有利于UPE材料结晶度的提高和结晶的规整性。 (b)通过DSC法研究发现随机冷却最有利于UPE材料结晶度的提高和熔点的提高,也有利于材料密度的增加和导热系数的提高,拉伸强度有所提高。随机冷却的UPE的导热系数为0.593W/(m K)比10min水压冷的UPE材料的导热系数0.503W/(m K)高17.9%。 (c) UPE导热系数的提高是由于UPE中的一个一个球晶连成的晶桥来实现的,即导热提高的机理为结晶晶桥导热机理,随机冷却的方式相当于拓宽了晶桥的宽度,从而有利于导热声子的传递,导热系数提高。 3. UPE/Al_2O_3、LLDPE/Al_2O_3和Epoxy/Al_2O_3复合材料对比性研究 通过在乙醇熔液共混热压法(UPE和Al_2O_3的粉末混合、包覆、热压法)制备了UPE/Al_2O_3复合材料,并对UPE/Al_2O_3复合材料进行了退火热处理,哈克密炼法制备了LLDPE/Al_2O_3复合材料,真空浇注法制备了Epoxy/Al_2O_3复合材料,研究高结晶材料和低结晶材料、结晶材料和非晶材料、热处理对材料导热性能的影响。通过SEM、TGA、DSC、导热仪、介电谱仪和高阻计对形成的复合材料的分散性、热性能、结晶情况或玻璃化转变温度、导热系数、介电性能和电阻率。主要结论如下: (a)本征导热高的基体,形成的复合材料的导热系数也高。DSC测试表明树脂基体结晶度大小次序为LLDPEUPEUPE (热处理),复合材料的导热系数次序为LLDPE/Al_2O_3UPE/Al_2O_3UPE/Al_2O_3(热处理)。 (b)热处理可以提高结晶复合材料的结晶度和结晶规整性,同时可以提高材料的导热系数。热处理后的UPE/Al_2O_3(100phr)的熔融热比热处理前分别提高了18.5%,熔点提高了3.8℃,导热系数可以提高到了1.960W/(m K),比处理前的导热系数1.554W/(m K)高出约35.4%。 (c)无定形聚合物Epoxy的导热系数小于结晶聚合物PE的导热系数,添加相同份数的Al_2O_3填料后导热系数增加的倍数也小。UPE/Al_2O_3(12.0vol%)、LLDPE/Al_2O_3(12.0vol%)和Epoxy/Al_2O_3(13.8vol%)三种复合材料的导热系数分别为1.160W/(m K)、0.909W/(m K)和0.425W/(m K),分别比各自树脂基体的导热系数提高了132.0%、102.4%和72.8%。 (d)添加Al_2O_3后,复合材料的热稳定性能都有所提高。UPE/Al_2O_3(100phr)、LLDPE/Al2O(3100phr)和Epoxy/Al_2O_3(100phr)的5%热失重温度为467℃、461℃和366℃,分别比纯基体提高了11.5℃、13℃和34℃。三种复合材料均获得了较好介电性能和电性能。 4. UPE/NG、UPE/CF和UPE/GS复合材料 用改性的Hummers法制备了氧化石墨烯,氧化石墨烯在水-乙醇溶液的混合液中和UPE混合,水合肼还原,然后再通过热压的方法制备了UPE/GS复合材料。通过在乙醇溶液混合和热压成型的方法制备了UPE/NG、UPE/CF复合材料。研究三种高导热高导电碳材料对于UPE材料导热导电性能的影响。主要结论如下: (a)利用FT-IR、XRD等手段对石墨烯进行了结构表征;利用AFM和TEM对石墨烯形貌进行了表征;用TGA方法研究了其热稳定性,结果表明制备了石墨烯材料。 (b)复合材料越致密、导热晶体结构越规整越有利于导热通路的形成。复合材料的导热性能次序为:UPE/NGUPE/CFUPE/GS,这与复合材料的结构有关,UPE/NG的结构规整,材料密度随着填料的增加而逐渐增加;UPE/CF复合材料的结构整体上规整,但还是有有一定的团聚现象,但宏观上的TGA测试还是比较均匀的,材料的密度变化不大;UPE/GS复合材料的密度随着GS的增加反而是下降的,GS的加入引入了很多空隙。UPE/NG(60phrNG)、UPE/CF(60phr CF)和UPE/GS(10phr GS)的导热系数为分别为3.257W/(m K)、0.778W/(m K)和0.52W/(m K),分别比UPE的导热系数提高了556.7%、56.9%和4.8%。 (c)填料为10phr时,复合材料的导电次序为UPE/CFUPE/GSUPE/NG。电导率次序和导热性能次序不一样,导电机理为电子导电,电子可以很容易地跨越界面壁垒,受界面影响不大;而导热机理为逾渗理论,且导热主要以声子导热为主,导热声子很难跨越界面壁垒,受界面影响较大。所以说并不能把导热机理等同于导电机理。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O632.12

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