超高分子量聚乙烯结晶行为及其结构性能关系的研究

发布时间：2017-08-01 18:29

  本文关键词：超高分子量聚乙烯结晶行为及其结构性能关系的研究

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【摘要】：对于半结晶聚合物超高分子量聚乙烯(UHMWPE)来说,晶体的微观结构和形态决定了材料的性能和用途,而晶体微观结构和形态是可以通过结晶过程进行调控的,同时分子量也是影响UHMWPE结晶行为的一个重要因素。所以,揭示分子量对UHMWPE结晶行为的影响,同时建立起材料性能与聚集态结构、链结构等多层次结构之间的构效关系对于UHMWPE的高性能化具有重要的指导意义。本文首先采用Avrami方程和Caze法分别对不同分子量的UHMWPE的等温和非等温结晶行为及其动力学进行了研究。研究表明,随着UHMWPE分子量的不断增加,结晶峰值温度(Tc)和t1/2随着UHMWPE分子量的增大呈现上升的趋势。同时,利用Caze法对不同结晶度范围内的UHMWPE非等温结晶行为进行分段拟合,结果表明,随着结晶度(Xc)的不断增加,n值从3左右(Xc=0～30%)逐步降低至0.5(Xc=60～80%),表明随着结晶过程的进行,晶体生长逐步受限。考察了分子量对UHMWPE力学性能的影响。结果表明,随着分子量的增加,冲击强度呈先增大后减小的趋势,断裂伸长率逐渐降低,拉伸强度、弯曲强度以及屈服强度变化不大。其次研究了两种分子量相近的UHMWPE(分别是上海联乐化工科技有限公司的SLL-5和德国Ticona公司的GUR 4150)的力学性能和耐磨性能,结果表明,两者在拉伸强度、弯曲强度、屈服模量以及耐磨性能上差异不大,但GUR 4150的简支梁冲击强度是SLL-5的3.3倍之多。为了揭示宏观性能和微观结构的关系,我们通过差示扫描量热仪(DSC)、流变仪和拉曼光谱(Raman)对UHMWPE的分子量分布、片晶厚度和中间相含量进行了分析。DSC结果表明,GUR 4150分子量分布较宽,导致片晶尺寸分布加宽,进而提高了冲击性能。流变研究表明,GUR 4150的平衡储能模量(G0’)要比SLL-5小近一个数量级,表明GUR 4150缠结度较小,进而促进了粒子间的相互融合,减小界面缺陷,并且导致在结晶过程形成的片晶厚度和晶粒尺寸较小,形成更多的晶界,从而阻碍了材料的形变,提高了冲击性能。Raman结果表明,GUR 4150中间相含量和中间相中的缚结分子含量明显大于SLL-5,极大提高了冲击性能。最后,研究了模压条件和添加成核剂对改善SLL-5冲击性能的影响。不同模压条件的研究表明,随着模压温度的不断增大,SLL-5冲击强度先减小后增大；随着压力的增加,SLL-5冲击强度呈现逐渐上升的趋势；较大的冷却速率有利于SLL-5冲击强度的提高。这说明通过优化模压条件可以达到改善UHMWPE冲击性能的效果。添加0.2%wt的聚乙烯成核剂HPN-20E后,SLL-5的结晶温度仅提高了1℃,并且SLL-5的冲击性能并未提高,反而下降了近20%,这说明添加成核剂无助于UHMWPE冲击性能的改善。
【关键词】：超高分子量聚乙烯 分子量 结晶行为 结构性能
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O632.12
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 超高分子量聚乙烯概述11-12
• 1.2 UHMWPE加工工艺研究进展12-16
• 1.2.1 模压成型12-13
• 1.2.2 柱塞式挤出成型13
• 1.2.3 螺杆挤出成型13-14
• 1.2.4 双螺杆挤出14
• 1.2.5 注塑成型14-15
• 1.2.6 凝胶纺丝15-16
• 1.3 UHMWPE流动改性研究进展16-19
• 1.3.1 高流动性树脂改性16-17
• 1.3.2 流动改性剂17-18
• 1.3.3 填料改性18-19
• 1.4 模压工艺条件对UHMWPE性能的影响19-20
• 1.5 UHMWPE结晶行为及其力学性能的研究20-25
• 1.5.1 分子量对UHMWPE结晶行为的影响21
• 1.5.2 UHMWPE结晶动力学的研究21-23
• 1.5.3 成核剂HPN-20E对聚乙烯结晶行为的影响23-24
• 1.5.4 分子量对UHMWPE力学性能的影响24-25
• 1.6 课题背景、研究内容25-26
• 1.6.1 课题背景25
• 1.6.2 研究内容25-26
• 1.7 本文创新点26-27
• 第2章 分子量对UHMWPE结晶性能和力学性能的影响27-44
• 2.1 前言27
• 2.2 实验部分27-30
• 2.2.1 实验原料27
• 2.2.2 实验仪器27-28
• 2.2.3 实验方法28-30
• 2.3 结晶理论30-31
• 2.4 结果与讨论31-40
• 2.4.1 不同分子量的UHMWPE的等温结晶行为及其动力学31-34
• 2.4.2 不同分子量的UHMWPE的非等温结晶行为及其动力学34-39
• 2.4.3 Caze法分段拟合39-40
• 2.5 不同分子量的UHMWPE的力学性能40-43
• 2.6 本章小结43-44
• 第3章 UHMWPE结构性能关系研究44-62
• 3.1 前言44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 实验原料44
• 3.2.2 实验仪器44-45
• 3.2.3 实验方法45-46
• 3.3 结果与讨论46-52
• 3.3.1 力学性能及耐磨性能46-47
• 3.3.2 密度表征47-48
• 3.3.3 红外表征48-49
• 3.3.4 初生态粒子形貌49-50
• 3.3.5 初生态粒子熔融行为50-51
• 3.3.6 初生态粒子晶体结构研究51-52
• 3.4 结构性能关系研究52-61
• 3.4.1 冲击断面形貌52-53
• 3.4.2 流变53-54
• 3.4.3 冲击样条DSC熔融行为54-56
• 3.4.4 冲击样条晶体结构及晶型研究56-58
• 3.4.5 拉曼光谱-三相结构研究58-60
• 3.4.6 模压过程UHMWPE结构变化示意图60-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第4章 模压条件及添加成核剂对UHMWPE冲击性能的影响62-72
• 4.1 前言62
• 4.2 实验部分62-64
• 4.2.1 实验原料62
• 4.2.2 实验仪器62-63
• 4.2.3 实验方法63-64
• 4.3 结果与讨论64-70
• 4.3.1 模压温度对SLL-5冲击性能的影响64-66
• 4.3.2 模压压力对SLL-5冲击性能的影响66-67
• 4.3.3 冷却速率对SLL-5冲击性能的影响67-68
• 4.3.4 HPN-20E对SLL-5结晶行为的影响68-69
• 4.3.5 HPN-20E对SLL-5冲击性能的影响69-70
• 4.4 本章小结70-72
• 第5章 全文总结72-74
• 参考文献74-82
• 致谢82-83
• 硕士期间发表的论文及参加的科研项目83

【参考文献】

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本文编号：605623