超高分子量聚乙烯辐射效应与改性研究
王洪龙
学位类型博士
导师吴国忠
2017
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词超高分子量聚乙烯 辐射效应 润湿性 抗蠕变性 耐磨性
摘要超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)化学结构简单、生物相容性突出、耐腐蚀、耐磨损,综合性能优异,被广泛应用于医疗、渔业、防护、工程等领域。UHMWPE也存在一些性能不足,比如表面能低、抗蠕变性差、耐温性低,此外耐磨性也有待提高,这限制了其在复合材料、工程领域的部分应用。因此,通过化学或物理方法改善其表面性质、提高抗蠕变性及耐磨性具有重要意义。辐射改性是一种有效改变高分子材料性能的方法,为此本论文以UHMWPE辐射效应为立足点,详细研究了UHMWPE的辐射氧化、接枝和交联,利用辐射氧化或辐射接枝提高UHMWPE表面润湿性,利用辐射交联提高UHMWPE抗蠕变性和耐磨性,另外借助共混辐射改性多壁碳纳米管(MWCNTs)改善了UHMWPE的力学性能。具体研究内容及结果如下:(1)、UHMWPE粉末的辐射氧化采用γ射线和电子束(EB)在空气中对UHMWPE粉末样品进行辐照,详细研究了粉末接受射线辐照后化学结构、润湿性和热稳定性变化情况,比较了吸收剂量和剂量率对材料结构、性质变化的影响并对氧化裂解程度进行计算。结果表明:UHMWPE粉末在空气中受γ射线/EB辐照后,裂解占主导地位;吸收剂量和剂量率对氧化裂解程度有显著影响。在低剂量率、高剂量条件下辐射氧化裂解更为严重,γ射线辐照300 kGy的样品可氧化裂解完全;此外,低剂量率辐照引发的氧化裂解程度可根据氧气扩散速度与剂量率进行估算。虽然UHMWPE粉末受到高剂量辐照后氧化裂解严重,但其热稳定性、润湿性变化较小。单纯辐射氧化对UHMWPE表面性质影响不大。(2)、UHMWPE粉末/薄膜预辐射接枝丙烯酸(AA)采用预辐射接枝方法,将γ射线辐照的UHMWPE粉末/薄膜在1 wt%AA溶液中进行反应,接枝少量AA以改善其亲水性。详细研究了UHMWPE粉末/薄膜受γ射线辐照、接枝AA、氢氧化钠(NaOH)中和处理后化学结构、表面润湿性变化情况。结果表明:UHMWPE粉末/薄膜表面成功接枝了AA,且粉末样品更有利于接枝反应进行,接枝少量AA后样品表面润湿性明显提高,中和处理进一步提高了润湿性。接枝6 wt%AA的粉末样品,用NaOH中和处理后可在水溶液中分散,表现出良好的亲水性。最终,通过接枝少量AA的方式制备了亲水性UHMWPE粉末。(3)、交联UHMWPE片材蠕变行为研究采用γ射线辐照和真空退火方式制备了交联的UHMWPE片材,详细研究了片材交联后凝胶含量、结晶度、蠕变和力学性能的变化。结果表明:UHMWPE片材辐射交联后凝胶含量、结晶度增加,抗蠕变性大幅提高,力学性能亦明显改善;300 kGy辐射交联的UHMWPE片材在270°C、0.06 MPa条件下拉伸4 h后依旧保持良好形貌,其杨氏模量亦由原始UHMWPE片材接近400 MPa增加到1400 MPa,增加幅度接近250%。此外,退火处理增加交联有利于片材抗蠕变性和模量提高。最终,通过辐射交联制备了具有良好抗蠕变性的UHMWPE板材。(4)、UHMWPE/X-UHMWPE复合材料摩擦行为研究采用辐射交联和共混方法将交联UHMWPE(X-UHMWPE)添加到常规UHMWPE中制备复合材料,详细研究了X-UHMWPE本身性质及复合材料摩擦行为。结果表明:UHMWPE粉末辐射交联后加工性能下降,高剂量辐照的样品难以熔融;在UHMWPE中添加少量X-UHMWPE使复合材料综合性能大幅改善,耐磨性大幅提高并保持较好延展性。如添加25 wt%150 kGy辐射交联的X-UHMWPE到常规UHMWPE中制备的复合材料,相对于原始UHMWPE而言,其耐磨性提高130%并保持90%的拉伸强度和70%的延展性。(5)、UHMWPE/MWCNTs复合材料力学行为研究采用γ射线辐照和共混方式将原始及经γ射线辐照(60 kGy)的MWCNTs添加到UHMWPE中制备复合材料,详细研究了MWCNTs经γ射线辐照(60 kGy)后结构及复合材料力学性能的变化。结果表明:MWCNTs经γ射线辐照后表面化学结构发生变化、缺陷增加但形貌变化微小;添加少量辐射改性的MWCNTs可有效提升复合材料力学性能,如添加2 wt%γ射线辐射改性的MWCNTs可提高20%的屈服强度;但引入少量MWCNTs难以有效提升复合材料的导热性质。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/27552
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
王洪龙. 超高分子量聚乙烯辐射效应与改性研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2017.
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