超高分子量聚乙烯抗静电片材的制备及性能

郑花平

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摘要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种黏均分子量超过150万的热塑性工程塑料，因其极高的分子量和高度缠结的分子结构，赋予了其一般工程塑料无法比拟的优异性能，可以代替碳钢、不锈钢等在电子科学、建筑业、机械零件、运动器械、化工、医疗、体育等领域具有广泛的应用。基于此，本篇文章对超高分子量聚乙烯抗静电片材的制备及性能进行研究，以供参考。

关键词：超高分子量；聚乙烯；抗静电片材；制备及性能

引言

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和碳纤维、芳纶纤维三者并称世界三大高性能纤维材料，也是我国“十一五”规划开始重点发展的高科技项目和国家鼓励发展的特种纤维。碳纤维和芳纶纤维发展较早，国外(主要是日本和美国)的技术水平和产能均领先于我国，UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，2019年，国内UHMWPE纤维行业总产能4.10万吨，占全球总产能的60%以上。UHMWPE纤维的分子量通常在150万以上，分子主链为亚甲基相连的“C−C”结构，不含侧基，支链较少，对称性和规整性好。经过超倍拉伸之后，纤维内部的大分子链充分伸展排列，形成高度结晶和高度取向的超分子结构，这种特殊的结构赋予了UHMWPE纤维众多特殊性能，如超高的强度和模量和优异的化学稳定性等。

1超高分子量聚乙烯(UHMW－PE)管材的性能

1)优异的耐磨性能:UHMW－PE具有优异的耐磨性能，其管道制品广泛用于冶金、矿山、化工行业的尾矿输送。相较于传统的钢管，UHMW－PE管道的耐磨程度是其7倍，使用寿命更是超过钢管3倍以上。2)超强的抗冲击性能:UHMW－PE材料具有超强的抗冲击性能。在相对分子质量为150万～350万时，随相对分子质量的增加，抗冲击性能显著增加。在相对分子相对量达到350万时，材料的抗冲击性能达到最大值，然后随着相对分子质量的增加，材料的抗冲击性能缓慢下降。3)抗低温脆变性能:UHMW－PE材料在温度显著下降时几乎不发生脆变效应，热变形温度高出普通料十几度，而冷脆温度几乎没有下限。在液氮中(－195℃)也能保持优异的冲击强度，相关制品可用于液氮的输送与储存，是目前唯一可在接近绝对零度的温度下工作的一种工程塑料。4)耐腐蚀性:UHMW－PE是一种饱和分子团结构，稳定的分子结构赋予材料非常稳定的化学性能。UHMW－PE制品可耐各种腐蚀性介质和有机溶剂的侵蚀，比聚乙烯、聚丙烯、尼龙、ABS等塑料具有更强耐化学腐蚀性。5)自润滑性:UHMW－PE材料表面摩阻系数为(0.05～0.07)，吸水率小于0.03%，几乎不吸水。极低的摩阻系数与吸水率使UHMW－PE具有很好的自润滑性和抗结垢性能，在尾矿输送中可有效降低输阻力。同等工况条件下，使用UHMW－PE管道进行尾矿输送，输送成本可有效降低30%。

2实验部分

2.1主要原料及仪器

UHMWPE：S09，Mw=2×106；咪唑类离子液体IL,1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯；气相二氧化硅(SiO2)：HL-380。ERE拉伸流变挤出实验设备：ERE-30；静电测试仪：SIMCOFMX-004；摩擦系数测定仪：GM4；万能试验机：Insight50；摆锤冲击试验机：XC-22D；差示扫描量热仪(DSC)：TAQ200；扫描电子显微镜(SEM)：JSM-6390。

2.2测试与表征

（1）摩擦电压测试：依据SJ/T10694-2006，使用非接触式静电电压表FMX-004测试摩擦起电电压。摩擦起电机的摩擦电极呈圆柱状，直径为55mm、质量1kg，并用高绝缘尼龙布(表面电阻不低于1013Ω)包裹以增加摩擦系数。测试时，开动摩擦起电机使摩擦电极与被测物体摩擦，单向摩擦20次(时间20s)停止，10s内用FMX-004测试摩擦轨迹起电电压。反复测试5次取平均值。（2）熔融结晶行为分析：按照ASTMD3418-15，使用DSC测试材料熔融结果过程中的热行为。取约10mg样品，在氮气气氛下，先由25℃升温到200℃以消除热历史，以10℃/min的速率降温到常温，分析其降温过程的热行为；再以10℃/min的速率升温到200℃，分析其熔融过程的热行为。（3）拉伸强度测试：按照GB/T1040.2-2006，使用万能试验机测试样品的拉伸强度，拉伸速度为50mm/min。（4）悬臂梁缺口冲击强度测试：按照GB/T1843-2008，使用摆锤冲击试验机测试样品的悬臂梁缺口冲击强度，测试摆锤为11J。

3电晕放电

将纤维置于电晕放电装置的高频高电压电场中，引发空气电离而对纤维进行表面处理的方法为电晕放电法。电晕放电法可以对UHMWPE纤维表面进行刻蚀，提高纤维表面的粗糙度，通过提高纤维与树脂的机械联锁效应以提高两界面的粘结性。使用常压空气电离法对UHMWPE纤维进行处理，随后涂覆硅烷偶联剂，短时间(5s)的电晕放电处理可以在UHMWPE纤维表面引入含氧基团，有效提高纤维的硬度、模量和表面粗糙度，继续加长处理时间会导致纤维的力学性能下降。电晕放电的劣势在于处理时间稍有延长即可能对UHMWPE纤维的力学性能造成较大损失，较难控制，表面引入的官能团保持率不高；工艺为间歇性，无法适应工业生产连续化的需求，难以投入实际的生产之中。

4结果分析

在室温环境下测试同等体积大小、不同的PEUHMW复合片材的体积电阻，复合材料的导电特性都是随着导电填料的增加，体积电阻下降；导电填料含量较少时，填料粒子孤立地分布在基体树脂中，填料粒子间被树脂基体阻隔，无法形成导电通路；当导电填料的含量继续增加达到一定值时，体积电阻迅速下降，导电性能迅速提升，此时填料粒子可以串联成通路甚至形成网络通路，使得复合材料由绝缘体转变为导电体；而后随着导电填料添加量的进一步增加，体积电阻又缓慢下降，并逐渐达到饱和，这一现象符合渗流理论，体积电阻呈多个数量级下降时的导电填料含量，即为渗流阈值。模压片材PE-UHMW/HCCB的渗流阈值为HC‐CB的添加量达到4%时，而PE-UHMW/HCCB单螺杆挤出片材在HCCB质量分数达到8%时，体积电阻依然高达109Ω左右，由此可确认PE-UHMW/HCCB单螺杆挤出片材的渗流阈值大于8%。PE-UHMW熔体黏度大，在模压受热过程中熔体间不易产生流动，导电剂在整个复合材料体系中的相对位置不会变化，依然为隔离分散式的复合材料，导电填料依然主要分布在聚合物颗粒之间的界面上，保持了隔离分散的状态。而对于挤出过程，树脂塑化，在螺杆及模具流道中受到各方的剪切作用力，导致导电填料在整个PEUHMW复合材料体系中的相对位置发生改变，且根据相似相容原理，在相对位置发生变化过程中，无机的导电填料之间容易发生聚集，进而呈现不均匀的分布状态。因而对于同种导电填料，模压工艺制备的片材均比单螺杆挤出成型片材的渗流阈值更低。

结束语

未来的研究需要聚焦于改性效果更好、步骤更加简洁、更加适合工业化生产的改性方式，在不损失或较小损失UHMWPE纤维本身力学性能的前提下，提高其界面抗静电性能，以提高材料整体的抗静电性能。

参考文献

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