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纳米改性增强超高分子量聚乙烯复合材料研究进展摘要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种分子量超过150万､具有线性结构的热塑性工程塑料，其耐冲击性､耐磨损性､耐低温性､耐应力开裂性､抗粘附能力､自润滑性､耐化学腐蚀､无毒害性等优异的综合性能是其他聚合物材料无法比拟的｡鉴于UHMWPE优异的性能特点，其在生物医学､电子科学､建筑业､机械零件､运动器械､化工等领域具有广泛的应用；尤其在生物医学方面，由于UHMWPE优异的生理惰性，已作为人工关节､矫正外科零件､心脏瓣膜等在临床使用｡随着科技发展对聚合物材料的性能要求日益严格，对聚合物的改性增强也随之而来。
关键词：纳米改性；超高分子量聚乙烯；复合材料引言纤维增强复合材料作为复合材料行业的最重要分支，其发展基本可以追溯到20世纪40年代，当时为满足航空航天等高科技行业的迫切需要，玻璃纤维增强塑料被开发出来并成功应用。
随着60年代后碳纤维、硼纤维、芳纶等一些高性能纤维的出现，纤维增强复合材料的性能不断提升。
一、纳米改性UHMWPE复合材料（一）单相纳米材料填充改性UHMWPE单相纳米粒子填充改性UHMWPE制备复合材料，是通过表面活性剂改性纳米粒子填充UHMWPE制备纳米/超高分子量聚乙烯复合材料来改善聚合物的性能｡诸多专家学者在单相纳米材料填充改性超高分子量聚乙烯方面做了相当充分的研究，且大多以无机纳米材料填充聚合物为主｡单相填充UHMWPE的无机纳米粒子主要有Al2O3､ZnO､SiO2､TiO2､ZrO2､纳米蒙脱土（nano-MMT）､纳米羟基磷灰石（HA）､碳系纳米材料（石墨烯纳米片（GNS）､氧化石墨烯（GO）､多壁碳纳米管（MWCNT）､碳纳米纤维（CNF））等，采用单相纳米材料填充UHMWPE制备复合材料有效改善了聚合物的摩擦性能､力学性能､生物性､耐热性和导电性等｡（二）多相纳米材料填充改性UHMWPE多相纳米粒子改性超高分子量聚乙烯是通过填充不同的纳米材料进行UHMWPE的改性｡单相纳米材料填充改性后提高了聚合物的某些性能，但不一定能完全改善材料的其它应用缺陷，所以采用多相纳米粒子填充UHMWPE，通过纳米材料的协同作用来提高聚合物的综合性能｡雷毅等采用纳米Zn0和SiO2共混填充改性UHMWPE，并研究了复合材料的摩擦磨损行为，对比发现纳米ZnO和SiO2具有明显的协同效应｡张炜等采用表面改性纳米炭黑及纳米级Mg（OH）2､硼酸锌､纳米TiO2等作为阻燃剂制备了抗静电无卤阻燃型纳米/UHMWPE复合材料，既改善了超高分子量聚乙烯的热性能和抗静电性能，又提高了其阻燃性能｡二、纳米改性UHMWPE复合材料的性能（一）力学性能由于UHMWPE的硬度低，耐冲击性能较差，限制了其在很多领域的应用，所以需对UHMWPE进行增强改性提高力学性能以满足其在工程应用中的需求｡Ma Tian等通过偶联剂改性WS2填充UHMWPE制备复合纤维，显著提高了复合材料的抗冲击性，在添加量为4%（质量分数）时抗拉伸性能提高了10%｡Jin Tong等通过添加10%（质量分数）表面改性后的硅灰石纤维填充UHMWPE，最大程度地提高了复合材料的拉伸性能和抗冲击性｡Chen Yuanfeng等[7]通过液相超声分散GO与UHMWPE共混制备了GO/UHMWPE复合材料，当添加量为0.5%（质量分数）时，复合材料的屈服强度､抗拉强度和断裂伸长率等均比UHMWPE有不同程度的提升｡Stuerzel Markus等采用原位聚合法制备功能化石墨烯/超高分子量聚乙烯（FG/UHMWPE）纳米复合材料，当添加量为1.0%（质量分数）时复合材料的硬度､断裂伸长率和成核结晶度均得到不同程度的提高｡Wood Weston J等通过优化液体石蜡辅助熔混工艺制备CNFs/UHMWPE复合材料，结果显示CNFs的添加在提高复合材料硬度的同时，还使复合材料保持了纯UHMWPE的韧性和延展性｡Senatov F S等采用机械活化的纳米Al2O3填充UHMWPE，考察了纳米复合材料的力学性能，当添加量为3.0%（质量分数）时，复合材料的极限应力增大了38%，杨氏模量和硬度分别提高了1.58倍和1倍，复合材料的屈服强度和断裂伸长率也得到不同程度的提高，力学性能的改善得益于较大比表面积且形状不规则的纳米颗粒与聚合物的接触面积更大，从而增强了两者之间的附着力｡（二）电学性能聚合物具有比较高的介电常数，良好的绝缘性能，通过导电纳米材料对其改性能显著提高导电性能｡GaoJiefeng等通过液相法将MWCNTs负载至UHMWPE粉末颗粒表面形成二维导电网络，使超高分子量聚乙烯电阻率明显降低，且其渗流阀值仅为0.072%（体积分数）｡HuHongliang等制备了石墨烯包覆UHMWPE的导电复合材料，石墨烯纳米片在聚合物基体中形成导电隔离网膜结构，在0.028%（体积分数）的低渗流阀值时表现出优异的导电性｡狄莹莹等以水､乙醇和肼为混合媒介，通过超声分散方法并热压成型同样制备了具有隔离网状结构的GNS/UHM-WPE复合材料､MWCNTs/UHMWPE复合材料和MWC-NTs-GNS/UHMWPE复合材料，并对比分析了几种复合材料的导电性能以及力学性能｡结果表明：MWCNTs-GNS/UHMWPE和GNS/UHMWPE复合材料均具有低至0.148%和0.059%（体积分数）的渗流阀值，当填料含量为1.0%（质量分数）时，MWCNTs/UHMWPE复合材料的导电率高于相同填料含量的GNS/UHMWPE复合材料；多相填料填充的复合材料MWCNTs-GNS/UHMWPE的渗流阀值仅为0.039%（体积分数），表现出较高的导电性能，但随着填料含量的增加复合材料的力学性能有不同程度的降低｡（三）UHMWPE 纤维增强复合材料的制备经过本体改性的UHMWPE纤维，可以和基体树脂进行特异性结合。
超高分子量聚乙烯的特性及应用进展一、本文概述超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种独特的高分子材料，以其优异的物理性能和广泛的应用领域而备受关注。
本文旨在全面概述超高分子量聚乙烯的基本特性，包括其分子结构、力学行为、热稳定性等方面，同时深入探讨其在多个领域的应用进展，如耐磨材料、航空航天、医疗器械等。
通过对现有文献的综述和分析，本文旨在为研究者和工程师提供有关超高分子量聚乙烯的最新信息，以推动该材料在未来科技和工业领域的发展。
本文将介绍超高分子量聚乙烯的基本结构和性质，包括其分子链长度、结晶度、热稳定性等关键参数，以及这些参数如何影响其宏观性能。
随后，将重点关注UHMWPE在不同应用领域的最新进展，特别是在耐磨材料、航空航天、医疗器械等领域的创新应用。
还将讨论UHMWPE在环保和可持续发展方面的潜力，例如作为可回收材料或生物相容材料的使用。
本文将对超高分子量聚乙烯的未来发展趋势进行展望，包括新材料设计、加工技术改进、应用领域拓展等方面。
通过总结现有研究成果和挑战，本文旨在为相关领域的研究者和工程师提供有价值的参考和指导，以促进超高分子量聚乙烯在科技和工业领域的进一步发展。
二、UHMWPE的基本特性超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种线性聚合物，其分子量通常超过一百万，赋予了其许多独特的物理和化学特性。
UHMWPE具有极高的抗拉伸强度，其强度甚至可以与钢材相媲美，而其密度却远远低于钢材，这使得它成为一种理想的轻量化材料。
UHMWPE的耐磨性极佳，其耐磨性比一般的金属和塑料都要好，因此在许多需要耐磨的场合，如滑动、摩擦等，UHMWPE都有很好的应用前景。
UHMWPE还具有优良的抗冲击性、自润滑性、耐化学腐蚀性以及良好的生物相容性等特点。
这使得它在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于工程、机械、化工、医疗、体育等领域。
特别是在工程领域，UHMWPE的轻量化、高强度、耐磨等特点使得它在制造重载耐磨零件、桥梁缆绳、船舶缆绳等方面有着独特的优势。
超高分子量聚乙烯耐热性能的改善秦建华;郝绘坤;王兴隆;李文华【摘要】为了提高超高分子量聚乙烯的耐热性能,采用高岭土、碳酸钙两种材料作为填料进行耐热改性研究.通过实验,对复合材料的各种性能进行测试和分析,比较不同质量分数的填料对超高分子量聚乙烯各性能的影响.结论表明:高岭土和碳酸钙的填充明显改善了超高分子量聚乙烯的耐热性能,当填料质量分数为30％时,填充高岭土得到的复合材料的维卡软化温度为113℃,填充碳酸钙得到的复合材料的维卡软化温度为111℃,均提高30℃左右.其力学性能有不同程度的降低,当填料质量分数为10％时,复合材料的力学性能最好,之后随着添加比例的增大,其力学性能减小的速度也增加.综合考虑,填料质量分数在10％到20％之间时,能同时满足力学性能和耐热性能的需要.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2014(036)006【总页数】4页(P25-27,31)【关键词】超高分子量聚乙烯;维卡软化温度;耐热性能;高岭土;碳酸钙【作者】秦建华;郝绘坤;王兴隆;李文华【作者单位】武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TQ0 引言超高分子量聚乙烯 (简称UHMWPE)是分子量100万以上的聚乙烯，它是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，具有优良的耐磨性、耐冲击性、耐低温性、耐应力开裂性、耐腐蚀性、耐光性、抗粘附性，以及电绝缘性、自润滑性等，可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料广泛地应用于纺织、采矿、化工、包装、机械、医疗、体育等领域[1-2].虽然超高分子量聚乙烯具有非常优异的特性，但是其热变形温度偏低(85 ℃)，这限制了它在高温环境的应用.如果能够提高超高分子量聚乙烯材料的热变形温度，那么这种材料就能得到更加广泛的应用.目前,常见的改性主要是工艺改性和性能改性.工艺改性是针对超高分子量聚乙烯分子量巨大，成型过程中几乎没有流动性，为增加其成型过程中的流动性而进行的改性.性能改性是为了改善超高分子量聚乙烯某一方面或几个方面的性能而进行的改性.其中主要的改性方法有物理改性、化学改性、聚合物填充改性、自增强改性等[3].本文介绍一种通过添加无机填料进行改性的方法，由于高岭土和碳酸钙等无机材料不仅具有很高的耐热性能，而且具有较好的成型能力，所以本文选择高岭土和碳酸钙两种无机填料进行研究，研究的目的是在对超高分子量聚乙烯主要性能影响不大的基础上提高其耐热性能.1 实验部分1.1 主要原材料超高分子量聚乙烯,平均分子量约为350万,北京东方石油化工有限公司; 高岭土，熔点1 785 ℃,甘肃兰港石化公司;碳酸钙(CaCO3)，熔点1 339 ℃,市场随机购买;无水乙醇，天津市天力化学试剂有限公司.1.2 设备及仪器压力成型机：型号XLB-350-350,中国浙江湖州东方机械有限公司制造;热变形、维卡软化点温度测定仪：型号XWY-3004,济南天辰试验机制造有限公司;悬臂梁冲击试验机：型号XJU-22,承德试验机有限责任公司；拉力试验机：型号TCS-2000，高铁检测仪器有限公司；热压机：型号R3202,武汉启恩科技发展有限责任公司.1.3 试样制备将超高分子量聚乙烯干燥后分别与高岭土、碳酸钙混合,高岭土、碳酸钙所占质量比例分别为10%、20%、30%,研磨均匀，适量加入无水乙醇，120 MPa下预压10 min后，在模压机上以250 ℃温度保持一段时间后，随模冷却，制成厚度分别为2 mm和4 mm的片状试样,分别测量其维卡软化温度(℃)、拉伸强度(MPa)、缺口冲击强度 (kJ/m2)和断裂伸长率(%)，每个参数均选3～5个试样分别测量，取平均值.1.4 性能测试维卡热变形温度按GB/T1633-2000测试,负载为4 kg,升温速率120 ℃/60 min;拉伸强度按GB/T 1040-2006测试,拉伸速率为100 mm/min,试验温度室温;缺口冲击强度按GB/T 1843-2008测试,试验温度室温.2 结果与讨论2.1 耐热性能填料高岭土和碳酸钙在不同质量分数时对UHMWPE的维卡软化温度的影响如图1所示.当质量分数为10%时，维卡软化温度平均提高到105 ℃左右；当质量分数为30%时，维卡软化温度平均提高到115 ℃左右.随着填料含量的增加，材料的维卡软化温度逐渐增加，且上升趋势逐渐趋缓.图1 UHMWPE及其共混物的维卡软化温度Fig.1 Vicat softening temperature of UHMWPE and its mixtures因为填料在聚合物基体中起到了物理交联的作用，限制了高分子链的热运动，故提高了材料的维卡软化温度.由于填料对聚合物分子间作用力的影响不同，故改变程度也不同.在一定范围内，大量填料的加入则会过多的削弱分子链之间的作用力[4]，因此随着填料含量的增加，材料的维卡软化温度趋于缓和.2.2 力学性能图2为UHMWPE及其共混物的拉伸强度.从图2中可以看出，随着填料质量分数的提高，拉伸强度先升高然后又降低.在质量分数为10%左右时是比较高的，随着填料质量分数的继续增多，拉伸强度出现下降的趋势，这主要是由于大量的填料容易聚集，从而破坏材料的晶体结构，并带来更多的应力集中点而造成的[5]. UHMWPE及其共混物的断裂伸长率关系见图3.如图3所示，断裂伸长率也呈现出与拉伸强度相似的变化趋势，即略有增加然后减小.断裂伸长率与拉伸强度的变化在机理上是一样的.图2 UHMWPE及其共混物的拉伸强度Fig.2 The tensile strength of UHMWPE and its mixtures图3 UHMWPE及其共混物的断裂伸长率Fig.3 The breaking elongation of UHMWPE and its mixtures对材料的缺口冲击强度的测试结果，如图4所示.纯超高分子量聚乙烯材料具有很高的冲击强度，在实验中几乎不会被冲断.改性后的材料，随着填料质量分数的提高，缺口冲击强度呈降低趋势.因为在超高分子量聚乙烯中添加了无机材料，无机材料的性质就决定了在加热的情况下其共混物的分子之间不一定能结合的非常紧密，所以不能像纯料一样具有很好的韧性.图4 UHMWPE及其共混物的缺口冲击强度Fig.4 The notched impact strength of UHMWPE and its mixtures3 结语填充高岭土和碳酸钙对超高分子量聚乙烯的性能产生了明显的影响，使其耐热性能得到大大提高，但是其力学性能和加工性能有不同程度的降低，基本上能在力学性能和加工性能改变不大的基础上满足耐热性能的需要.a.高岭土和碳酸钙的填充都明显改善了UHMWPE的耐热性能.当质量分数为10%时，高岭土和UHMWPE的共混物的维卡软化温度为105 ℃，碳酸钙和UHMWPE的共混物的维卡软化温度为107 ℃，提高20 ℃左右；当质量分数为30%时，高岭土和UHMWPE的共混物的维卡软化温度为113 ℃，碳酸钙和UHMWPE的共混物的维卡软化温度为111 ℃，提高30 ℃左右.b.两种材料的填充均对UHMWPE的力学性能产生了一定的影响.当高岭土或碳酸钙质量分数为10%时，UHMWPE及其共混物的力学性能最好,随着添加比例的增大，其拉伸强度、断裂伸长率等力学性能减小的速度也增加，其中缺口冲击强度降低的程度最大.c.选用的两种无机填料对UHMWPE的加工性产生了不同程度的影响.添加比例越大，成型越困难.综合考虑，选用无机填料改性时，在提高UHMWPE的耐热性能的同时，为了保证聚合物具有较好的力学性能，在配比时应该选用较小比例，最好在20%以内；如果用于受力不大的工作场合时，可以增加填料比例到30%左右. 致谢本课题的研究工作获得了武汉东湖高新区“3551光谷人才计划”、武汉市科技攻关项目(201010621223)的资金资助，同时也得到武汉晓宏超高分子新材料科技有限公司的大力支持，在此表示衷心的感谢！参考文献：[1] 刘萍,王得禧.超高分子量聚乙烯的改性及其应用[J].工程塑料应用,2001,29(5)：7-9.LIU Ping,WANG De-xi.Modification of UHMWPE and itsapplication[J].Engineering Plastics Application,2001,29(5)：7-9.(in Chinese)[2] 秦建华，王辉，杨光振.超高分子量聚乙烯单螺杆挤出压力形成理论[J].高分子材料科学与工程,2007,23(2):33-40.QIN Jian-hua,WANG Hui,YANG Guang-zhen.The research in UHMWPE single screw extruding process theory[J].Polymer Materials Science and Engineering,2007,23(2):33-40.(in Chinese)[3] 明艳，贾润礼.超高分子量聚乙烯的改性[J].塑料科技,2002,148(2):31-33. MING Yan,JIA Run-li.Modification of UHMWPE [J].Plastics Technology,2002,148(2):31-33.(in Chinese)[4] 王贵恒.高分子材料成型加工原理[M].北京：化学工业出版社,2009:293-320. WANG Gui-heng.Polymer materials processingprinciple[M].Beijing:Chemical Industry Press,2009:293-320.(in Chinese) [5] 马赟喆，黄丽.玻璃微珠改性超高分子量聚乙烯的耐热性能[J].北京化工大学学报,2010,37(2)：49-52.MA Yun-zhe,HUANG Li.Heat resistance of ultra high molecular weight polyethylene compositesmodified by hollow glass bead[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology,2010,37(2)：49-52.(in Chinese)。
为了解决UHMWPE纤维与基体结合粘结性差的问题，长期以来各国的学者作了许多相关的研究，也取得了一定的进展。
一些常用的方法主要有等离子处理，电晕放电处理，辐照处理以及氧化法处理等等。
1 等离子处理等离子体处理由于仅作用在材料表面有限深度内(几个分子)，对纤维的力学性能不会有太大的影响，因而受到了人们的关注。
等离子体处理UHMWPE纤维表面的方法分为低温等离子体处理和等离子体引发接枝表面处理两种方法。
韩国的Sung In Moon，Jyongsik Jang 研究了氧气等离子处理后UHMWPE与乙烯基酯树脂的粘结性能的变化，他们发现处理后的纤维与未处理的纤维比较，横向拉伸强度提高，这表明复合体的界面粘结性能得到了改善，且通过SEM观察发现纤维表面产生很多微陷，这有利于纤维与树脂之间的机械互锁作用，同时他们用有限元分析的方法研究了UHMWPE与基体之间力的传递。
Hengjun Liu等人采用氩气对UHMWPE 纤维进行等离子处理，研究结果显示处理后的纤维耐磨性和硬度都得到了提高，同时其表面的润湿性也得到了提高。
之后的研究中他们又将UHMWPE在氧气等离子体在微波电子回旋共振系统中进行处理研究纤维性能的改变，他们发现纤维的硬度和耐磨性都得到了提高的同时纤维的表面产生了许多含氧的活性基团，增加了纤维与基体的润湿性和粘结性。
Zhang YC等人针对超高分子量聚乙烯纤维表面能低与基体结合性能差的缺点，采用了在常压下对纤维进行等离子处理改性的方法，实验中采用的纤维是表面包裹有纳米二氧化硅的UHMWPE纤维，等离子处理所用的载气为氩气和氧气的混合气体(100:1)，处理后纤维的表面能明显提高与基体的润湿角减小，通过红外光谱分析后发现在纤维表面产生了很多的含氧活性基团，大大提高了其与树脂的结合性能。
Z-F. Li等以丙烯酰胺为单体利用等离子接枝的方法处理超高分子量聚乙烯纤维，他们发现处理后的纤维的强度与原纤维相比并没有明显的变化，然而在复合材料层间剪切强度(ILSS)的测试中发现，经过接枝处理的纤维与树脂的结合强度明显高于未处理的纤维，且处理效果与处理功率和时间有关，当等离子功率为30W，处理时间为10min时，剪切强度达到最大值。
超高分子量聚乙烯的改性及摩擦磨损研究1 前言超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种新型工程塑料，1958年由德国科学家发明了UHMWPE的合成方法，到60年代末国外实现了工业化生产。
我国正式投产是在70年代末80年代初开始的，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、摩擦因数小、耐低温等优良特性。
超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性但也有许多不足：硬度低、强度低、耐热性能差、有蠕变性等，为了弥补这些不足和进一步提高其耐磨性可对其进行填料(超细玻璃微珠、二硫化钼、滑石粉、玻璃纤维、碳纤维、聚四氟乙烯)改性。
此外，应根据其应用工矿条件和要求进行不同的改性。
作者用M-200型摩擦磨损试验机进行了环(45#钢)块摩擦磨损试验研究，并在腐蚀磨损试验机上进行了超高分子量聚乙烯沙浆磨损试验。
2 实验仪器、设备及原料和添加剂2.1 原料和添加剂● 超高分子量聚乙烯：白色粉末，M-Ⅱ型，北京助剂二厂生产；● 抗氧剂：北京化工三厂生产；● 偶联剂：硅烷类，南京曙光化工总厂生产；● 超细玻璃微珠：450目，从发电厂粉煤灰筛选(图1)；图1 超细玻璃微珠的形貌(图略)●二硫化钼：200目，市售；● 碳纤维：辽宁锦州斌富隆塑料有限公司(图2)；图2 碳纤维的形貌(图略)● 聚四氟乙烯：型号7A-J(约200目)，日本三井株式会社生产(图3)；图3 聚四氟乙烯的形貌(图略)●玻璃纤维：南京化工研究院生产(见图4)；图4 玻璃纤维的形貌● 滑石粉：200目，市售。
2.2 实验设备● M-200型磨损试验机，宣化材料试验厂生产。
● MSH型腐蚀磨损试验机，宣化材料试验机厂生产，转速为低速中的高速(683r/min)。
2.3 测试仪器称重仪器：湘仪-岛津电子分析天平AEL-200，中国长沙湘仪天平仪器厂。
2.4 试件制备试件毛坯的制备采用烧结压制法，具体工艺为：把配好的原料称重装进喷洒过脱模剂的模具中，然后放进烤箱在195℃下烘80min后，取出模具放到压力机上加压，压力大小按制品上下端面面积考虑为8MPa，模具在压力机上加压的同时进行自然冷却，冷却10min～15min即可卸压开模取出制品，就完成了1个试件毛坯的加工过程。
超高分子量聚乙烯的改性与应用超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE），这可是个在材料领域里相当有分量的“角色”。
今天咱们就来好好聊聊它的改性和应用。
我记得有一次去一家工厂参观，看到工人们正在加工超高分子量聚乙烯的产品。
那场景，真的让我对这种材料有了更直观、更深刻的认识。
先来说说改性吧。
为啥要改性呢？就好比一个人有了不错的基础，但为了更出色，还得不断提升自己，超高分子量聚乙烯也是这个道理。
通过填充改性，可以在里面加入一些像玻璃纤维、碳纤维这样的“小伙伴”，增强它的强度和刚性。
这就像给它穿上了一层坚固的铠甲，让它在面对各种压力和挑战时都能从容应对。
比如说，在制造一些需要高强度的机械零件时，经过填充改性的超高分子量聚乙烯就能大显身手。
还有共混改性，把它和其他聚合物“拉到一起”，取长补短。
比如说和聚酰胺共混，能提高它的耐热性和耐磨性。
想象一下，要是汽车的某些零部件用上这种改性后的材料，是不是能跑得更稳、更久呢？再说说化学改性。
就像给它来一场“化学魔法”，改变它的表面性能，让它更容易和其他材料结合。
比如说，经过化学改性后，它在医疗领域里用于制造人工关节时，就能和人体组织更好地融合。
接下来聊聊应用。
在纺织机械领域，超高分子量聚乙烯可是“明星材料”。
因为它的耐磨性特别好，那些经常会产生摩擦的部件，用了它之后，使用寿命大大延长。
我在那家工厂里看到的纺织机械部件，表面光滑，没有一点磨损的痕迹，工人们都说，这都多亏了超高分子量聚乙烯。
在医疗器械方面，它也是大有用处。
比如制造人工关节的衬垫，不仅摩擦系数小，能让患者活动更自如，而且生物相容性好，不会引起人体的排异反应。
在矿山领域，用超高分子量聚乙烯制作的输送带，那叫一个耐用。
要知道，矿山的工作环境可是相当恶劣的，灰尘大、负荷重，但这种输送带就是能扛得住，减少了维修和更换的频率，为企业节省了不少成本。
改性超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究
改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 是到目前为止使用最广泛的高级工程塑料，由于其
优异的耐磨性能，其在摩擦磨损领域具有重要的应用价值。
随着科学技术的不断发展和应
用前景的扩大，UHMWPE的磨损性能更加受到关注。
UHMWPE有许多良好的摩擦磨损性能，包括耐磨性、耐冲击性、自润滑性和耐腐蚀性。
UHMWPE的耐磨性在频繁的滑动转换过程中具有较高的可靠性，对磨损损耗的影响较小，耐冲击性则使其在遭受冲击载荷时表现良好。
UHMWPE具有极低的摩擦系数和优异的自润滑性，磨损损耗降低，其耐腐蚀性可以大大延长其使用寿命。
为了充分发挥UHMWPE的优良性能，需要对其进行改性处理，以调节耐磨性、耐冲击
性和自润滑性质。
改性处理技术包括物理改性、化学改性和组分改性等，重点是通过控制
分子量分布，改变UHMWPE的结构和物理性能。
通过物理改性，使熔体能够获得良好的流
动性，从而改善UHMWPE的成型性和加工性，提高耐磨性和耐冲击性。
化学改性是改变UHMWPE本身结构的一种方式，能够改变其分子结构，改变其表面料属性，从而特别提高UHMWPE的耐磨性、耐冲击性和自润滑性。
组分改性是在不改变UHMWPE基本结构的基础上，通过添加合适的附加剂，改善UHMWPE的耐磨性、耐冲击性和自润滑性。
改性超高分子量聚乙烯因其优异的耐磨性能而受到科学家和工程师的高度重视。
通过
不同的改性方法，可以大大提高其磨损性能，从而使它们在工业的应用中发挥更大的价值。
■纤•纤纺广角■Cover.Articles项目支持：中国纺织工业联合会科技指导性项目，绳缆专用趨高分子量聚乙烯纤维制备及其在服役条件下的力学性能研究，2015019超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法研究进展Research Progress on Surface Modification Methods ofUltra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber文/罗峻邓华摘要：针对超高分子量聚乙烯纤维表面无极性基团、化学惰性大、表面粘接性差等缺点，国内科研工作者展开了积极探究。
基于近几年有关超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法的文献报道，本文介绍了4种常用飾表面改性方法，包括等离子休改性、化学试剂改性、辐射接枝改性和电荤放电改性。
通过对超高分子量聚乙烯纤维表面改性，进一步拓宽了超高分子量聚乙烯纤维在材料领域的应用。
关键词：超高分子量聚乙烯纤维；改性；粘接性能；力学性能开放科学（资源服务）标识码（OSID）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维又称为高强高模聚乙烯纤维或者直链聚乙烯纤维.通常是平均分子量在150万以上的线性聚合物，与碳纤维.芳纶纤维合称为三大高性能纤维。
UHMWPE纤维具有高比强度、低密度的 特性.在相同的重量下UHMWPE纤维的强度约为钢材的15倍.相同直径下重量只有钢铁的1/6.同时还具有耐光性.耐久性.耐低温性.耐化学腐蚀性.抗冲击以及生物相容性和介电常数低等优异特性.在国防军工.安全防护、海洋产业.航空航天.功能服装等领域得到广泛运用。
由于UHMWPE纤维分子链为线性结构.分子链上只有碳和氢两种元素.表面基本无极性基团.且分子结构非常紧密.具有高结晶度、高取向度，造成其表面能低.化学惰性大、吸湿性差.不易染色、界面粘接性能差.在很大程度上限制了UHMWPE纤维在材料领域的推广应用。
因此.通过对UHMWPE纤维表面进行改性以改善纤维界面粘接性能.进而改善UHMWPE纤维自身的不足.得到区别于UHMWPE纤维表面的其他性能。
超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术研究现状超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE）纤维是一种具有优异力学性能和化学稳定性的合成纤维材料。
在工业领域中，UHMWPE纤维被广泛应用于防弹衣、绳索、导热材料等领域。
为了进一步提高其性能和应用范围，需要对UHMWPE纤维进行表面改性。
本文将探讨目前UHMWPE纤维表面改性技术的研究现状。
目前，UHMWPE纤维的表面改性技术主要包括物理方法和化学方法两大类。
物理方法主要采用机械方法对纤维表面进行改性，常见的方法包括高能电子辐照、等离子体处理和机械磨削。
高能电子辐照是将纤维暴露于高能电子束下，通过辐射损伤使表面产生断裂和氧化，从而使纤维的表面粗糙化。
等离子体处理是在高能等离子体气体环境中将纤维暴露于电离辐射下，通过化学反应和能量转移使纤维表面产生化学修饰基团。
机械磨削是使用机械研磨方法对纤维表面进行刮磨，以去除表面的污染物和氧化层，增加表面粗糙度。
这些物理方法可以改变纤维表面形态结构和化学成分，提高纤维的附着力和润湿性。
化学方法主要采用表面活性剂和化学修饰剂对纤维表面进行改性，常见的方法包括化学气相沉积、溶液浸渍和电沉积等。
化学气相沉积是在高温和高真空环境中将有机气体分解成气相自由基或阳离子，使其与纤维表面反应生成化学修饰层。
溶液浸渍是将纤维浸泡在含有表面活性剂或修饰剂的溶液中，使其通过吸附和化学反应与纤维表面相互作用，形成化学修饰层。
电沉积是将纤维作为阳极或阴极，通过电解液中的金属离子或有机分子的氧化还原反应，使纤维表面生成金属膜或有机膜。
这些化学方法可以在纤维表面形成具有特定功能的薄膜或修饰层，如抗菌、耐磨、防静电等。
总结起来，目前UHMWPE纤维表面改性技术主要包括物理方法和化学方法，通过改变纤维表面形态结构和化学成分来提高纤维的性能和应用范围。
虽然已取得一定的研究进展，但仍存在一些挑战和待解决的问题。
超高分子量聚乙烯（HUMWPE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，具有其它工程塑料所无法比拟的抗冲击性、耐磨损性、耐化学腐蚀性、耐低温性、耐应力开裂、抗粘附能力、优良的电绝缘性、安全卫生及自身润滑性等性能，可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料，在纺织、采矿、化工、包装、机械、建筑、电气、医疗、体育等领域具有广泛的应用。
虽然UHMWPE具有许多优异的特性，但也有许多不足，如其熔融指数（接近于零）极低，熔点高（90-210°C）、粘度大、流动性差而极难加工成型,另外与其他工程塑料相比，具有表面，硬度低和热变形温度低、弯曲强度和蠕变性能较差，抗磨粒磨损能力差、强度低等缺点，影响了其使用效果和应用范围。
为了克服UHMWPE的这些缺点，弥补这些不足，使其在条件要求较高的某些场所得到应用，需要对其进行改性。
目前，常用的改性方法有物理改性、化学改性、聚合物填充改性、UHMWPE自增强改性等。
改性的目的是在不影响UHMWPE主要性能的基础上提高其熔体流动性、或针对UHMWPE自身性能的缺陷进行复合改性，如改进熔体流动性、耐热性、抗静电性、阻燃性及表面硬度等，使其能在专用设备上或通用设备上成型加工。
1 物理改性所谓物理改性是指把树脂与其它一种或多种物料通过机械方式进行共混，以达到某种特殊要求，如降低UHMWPE的熔体粘度、缩短加工时间等，它不改变分子构型，但可以赋予材料新的性能。
目前常用的物理改性方法主要有用低熔点、低粘度树脂共混改性、流动剂改性、液晶高分子原位复合材料改性以及填料共混复合改性等。
它是改善UHMWPE熔体流动性最有效、最简便以及最实用的途径。
1.1 用低熔点、低粘度树脂共混改性由于HDPE、LDPE、PP、PA、聚酯、橡胶等都是低熔点、低粘度聚合物，它与UHMWPE混合形成共混体系，当共混体系被加热到熔点以上时，UHMWPE树脂就会悬浮在这些共混剂的液相中，形成可挤出、可注射的悬浮体物料。
其中使用较多的是HDPE和LDPE。
UHMWPE与LDPE或HDPE共混可使其成型加工性能获得显著改善，但由于加入共混剂后的体系在冷却过程中会形成较大的球晶，球晶之间存在着明显的界面，在这些界面上存在着由分子链排布不同引起的内应力，由此会导致裂纹的产生，所以与基体聚合物相比，共混物的拉伸强度常常有所下降。
当受到外力冲击时裂纹会很快地沿球晶界面发展而最后导致破碎，引起冲击强度的下降。
所以用LDPE共混时会使拉伸强度、挠曲弹性等力学性能有所下降。
用HDPE共混时，会引起冲击强度、耐摩擦等性能的下降。
为使共混体系的力学性能维持在较高水平，可以采用加入适量成核剂如硅灰石、苯甲酸、苯甲酸盐、硬脂酸盐、己二酸盐等的方法。
这些物质的加入有助于阻止共混后材料力学性能的下降。
例如在UHMWPE/HDPE共混体系中加入少量粒径为5-50nm的成核剂硅灰石就可很好地补偿机械性能的降低。
也可以采用两步共混法，即先在高温下将UHMWPE熔融，再降到较低温度下加入LDPE进行共混，可得到分布较均匀的共晶共混物。
用溶液共混法也能形成共晶的UHMWPE/LLDPE共混物。
这些方法均可以确保共混后材料的加工流动性增加且不降低材料的拉伸强度、挠曲弹性、冲击强度以及耐摩擦等性能。
在PP/UHMWPE共混体系中，PP对UHMWPE有明显的增韧作用。
UHMWPE与含乙烯链段的PP共聚物共混，共混体系的亚微观相态为双连续相，2种分子共同构成一种共混网络，其余UHMWPE构成一个网络，二者交织成为一种"线性互穿网络"。
其中共混网络在材料中起到骨架作用，为材料提供机械强度，受到外力冲击时，它会发生较大形变以吸收外界能量，起到增韧的作用，形成的网络越完整，密度越大，则增韧效果越好。
北京化工大学研究发现，利用四螺杆挤出机效果很好。
另外，UHMWPE也可与橡胶形成合金，获得比纯橡胶更佳的耐摩擦性、拉伸强度和断裂伸长率等。
1.2 用流动改性剂改性流动改性剂可以促进长链分子的解缠，并在大分子之间起润滑作用，改善大分子链间的能量传递，链段相对滑动变得容易，从而改善聚合物的流动性。
流动改性剂的选择标准是分散性好，能与HUMWPE相容且热稳定性好。
如碳原子数在22以上的脂肪族碳氢化合物及其衍生的脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯、脂肪醛、脂肪酮、脂肪族酰胺脂肪硫醇等。
常用的流动性改性剂是固体石蜡或者石蜡提取物（用量小于10%）、聚乙烯蜡（用量小于15%）、以及脂肪族聚酯等。
北京化工大学使用特殊复合流动改性剂MS2,在专门研制的HUMWPE单螺杆挤出机上实现了连续挤出，且产品各项性能改变不大，效果良好，已经实现工业化生产，使用的HUMWPE粘均分子量达到2.85x106，添加的复合流动改性剂一般用量小于5%，其加工温度(100-240°C)显著降低，螺杆转速可达到35r/min，能顺利挤出各种规格的管材与棒材。
青岛化工学院通过采用硬脂酸钙(CaSt2)和内、外润滑剂改性HUMWPE进行加工性能的研究，结果表明，CaSt2可显著地改善HUMWPE的加工性能，而且不会引起拉伸强度和冲击强度的下降，内外润滑剂并用体系的改性效果次之，而单用内润滑剂改性效果最差。
此外，将15-35份该复合润滑剂与UHMWPE共混，可提高UHMWPE的加工性能，且不改变UHMWPE的基本性能。
用苯乙烯及其衍生物改性UHMWPE,除可改善加工性能使制品易于挤出外，还可保持其优良的耐摩擦性和耐化学腐蚀性；1,1-二苯基乙炔、四氢化萘也可使UHMWPE获得优良的加工性能，同时可使材料具有较高的冲击强度和耐磨损性。
1.3 液晶高分子原位复合材料改性液晶高分子原位复合材料是指热致液晶高分子(TLCP)与热塑性树脂的共混物，这种共混物在熔融加工过程中，由于其分子结构的刚直性，在力场作用下可自发地沿流动方向取向，产生明显的煎切变稀行为，并在基体树脂中原位就地形成具有取向结构的增强相，即所谓的就地成纤，从而起到增强热塑性树脂和改善加工流动性的作用。
用TLCP对HUMWPE进行改性，不仅可以提高加工时的流动性，而且采用通常的热塑加工工艺及通用设备就能方便地进行加工，可保持较高的拉伸强度和冲击强度，耐磨性也有较大的提高，不足之处是加工温度高达250-300C。
1.4 填料共混复合改性采用填料对HUMWPE进行填料共混复合改性的目的是改善HUMWPE的蠕变性、弯曲强度、刚度、硬度、热挠曲、热变形温度和尺寸稳定性等。
常用的掺杂填料有玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、炭黑、层状硅酸盐等，一般情况下，在HUMWPE中填料的最大填充量不得超过30%，经偶联剂处理的填料充量可以达到50%-75%，其改善程度取决于填料的性质，并和填充量、填料的形态、粒度及其分布以及聚合物的分子量有关。
在HUMWPE中添加经过偶联剂处理的二硫化钼、石墨、石蜡、超细炭黑、超细玻璃微珠、碳纤维、聚四氟乙烯等，均可以降低材料的摩擦系数，提高耐磨性，起到减磨、耐磨的作用。
清华大学采用三氧化二铝、二氧化锰、炭黑和玻璃微珠作为填料对改善HUMWPE的表面硬度、热变形温度及耐磨性能进行了研究。
结果发现，适量的玻璃微珠可使HUMWPE耐磨性提高约40%，在缺口冲击强度保持率同样为70%时，可提高热变形温度30-40C，但上述填料的加入均导致缺口冲击强度下降，随着填料含量的增加，炭黑填充的UHMWPE的缺口冲击强度下降较快，玻璃微珠下降较为缓慢，当玻璃微珠含量在40%以下时，冲击强度还能保持相当高的数值(60kJ/m2以上)，用纳米管填充UHMWPE发现，1%碳纳米管就可提高UHMWPE的冲击强度20%-40%，并有增韧效果，0.3%含量就可达到抗静电要求。
中国矿业大学采用二硫化钼、铜粉和超细玻璃微珠作为填料，发现超细玻璃微珠可使复合物摩擦系数略有增加，但能大大提高耐磨性和散热性；二硫化钼能使摩擦系数明显减小，减少发热；铜粉对摩擦系数没有影响，但有利于热传导，并能减少粘弹体的滞后能耗生热．粉煤灰和硅藻土可提高材料的耐磨性和热变形温度，但冲击强度会有所下降。
铁可用来改善UHMWPE的热传导性，还可改善UHMWPE的抗静电性。
添加聚硅酮、MoS2、石墨和石蜡也可降低摩擦系数•有人曾对UHMWPE/短玻璃纤维(SGF)复合材料进行过研究，结果发现，复合后的材料拉伸强度和拉伸弹性模量均有较大提高，但冲击强度和伸长率却有较大幅度的降低她们还发现随着玻璃纤维含量的增加，屈服塑性流动性逐渐变小。
此外，也有人曾用10%的聚四氟乙烯(PTFE)填充UHMWPE,结果是复合材料的拉伸弹性模量增加，并使磨耗率增加40%，同时摩擦系数也有下降•其原因是在复合材料的磨损表面有絮片形状的PTFE。
安徽省化工研究院采用脂肪族和芳香族溴系阻燃剂混合使用，以三氧化二锑作为助阻燃剂，添加黑色复合抗静电剂进行抗静电改性；用一种低分子量改性剂与高聚物树脂复配的复合流动改性剂进行流动改性，开发的防静电阻燃UHMWPE材料的氧指数大于27，表面电阻率小于3xl06Q.m。
清华大学在UHMWPE中加入4%的膨化石墨使体系的表面电阻率达到2.5x106Q.m,用含有4%抗静电剂和一种含量为3%的协同剂改性时，表面电阻率小于8.2x107Q.m（满足不大于lxlO9Q.m的标准规定要求）。
中科院化学所研究了用纳米级层状硅酸盐改性UHMWPE，由于层状硅酸盐的片层之间结合力相对较弱，摩擦系数很小，利用片层之间的相对滑动可提高UHMWPE熔体的流动性，从而改善其加工性能，且片层内部结构紧密，刚度很高，在二维方向上对UHMWPE的性能有一定增强作用。
2 化学改性化学改性主要包括化学交联改性和辐射交联改性两种方法。
2.1.化学交联改性化学交联改性是通过化学方法改变树脂分子结构或分子形态使树脂获得新的性能。
采用该法不仅能够改变一种树脂的性能，而且可以制造出新品树脂材料。
通过交联，UHMWPE的结晶度下降，被掩盖的韧性又表现出来。
它又可分为过氧化物交联和偶联剂交联两种方法。
（1）过氧化物交联。
UHMWPE经过氧化物交联后有体型结构却不是完全交联，因此具有热可塑性和优良的硬度、韧性以及耐应力开裂等性能。
清华大学采用过氧化二苯甲酰（DCP）为交联剂对超高分子量聚乙烯进行交联改性研究，DCP的用量一般控制在1%以内，当DCP用量为0.25%时，冲击强度可提高48%。
随着DCP用量的增加，热变形温度也提高。
（2）偶联剂交联。
偶联剂主要有乙烯基硅氧烷和丙烯基硅氧烷这两类硅烷偶联剂。
常用的有乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷。
偶联剂通常由过氧化物引发，常用的是DCP，催化剂为有机锡衍生物。
由于过氧化物也发生交联，为控制交联度，应严格控制过氧化物用量。
