低缠结超高分子量聚乙烯的制备及其与聚烯烃共混

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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指重均分子量超过1*106g/mol的高分子量聚乙烯。由于其制品具有其它材料无可比拟的耐冲性、耐磨性以及自润滑性等特性,现已经被广泛应用于各个领域。目前UHMWPE的常用加工方法主要有挤出成型法、模压成型法和注塑成型法等方法。但是,由于商用UHMWPE的分子量大、链缠结程度高,使得其加工过程能力耗费巨大,且污染严重。于是,从根本上减少UHMWPE基体粉料的链缠结成度,降低其加工难度,并最终达到绿色加工的目的,是UHMWPE相关研究的重要方向之一。  受到“挤出聚合”的启示,本文尝试将乙酰丙酮铁(Fe(acac)3)与双亚胺基吡啶配体(Cat-Fe)催化剂负载于介孔分子筛MCM-41载体上,以期利用MCM-41内部纳米孔道所提供的受限空间限制聚乙烯分子链的缠绕,制备低缠结 UHMWPE。同时,希望通过对低缠结 UHMWPE与高密度聚乙烯(HDPE)共混性能的研究,进一步探讨低缠结UHMWPE在实际中的具体应用。围绕低缠结UHMWPE的制备和共混,本论文主要进行了如下三个方面的工作:  一、将Cat-Fe催化剂负载在介孔分子筛MCM-41载体上,得到负载型催化剂Cat-Fe/M。通过相应的聚合实验,探讨了Cat-Fe/M的最佳聚合条件。进一步,通过控制聚合时间,制备了不同链缠结程度的UHMWPE。研究表明:Cat-Fe/M最佳反应温度为30℃,最佳[Al]/[Fe]为1260;所制备的聚合物分子量可以达到106g/mol以上。动态流变学测试表明,与商业UHMWPE相比,聚合产物具有更高的tm和更低的G0N,表明聚合产物具有较低的分子链缠结程度。同时,聚合时间越长,聚合物具有更高的tm和更低的G0N,表明聚合产物在聚合初期更易形成分子链缠绕结构。  二、上一章实验结果表明,由于Cat-Fe/M在聚合初期活性的衰减速度较快,导致聚合产物链缠结程度高。因此,通过物理相转换的方法,我们在Cat-Fe/M表面包裹上一层不同含量的聚苯乙烯-丙烯酸共聚物(poly[styrene-co-(acrylic acid)],PSA),制备出PSA添加量分别为10wt%、20wt%和30wt%的有机/无机复合载体催化剂Cat-Fe/M/PSA,以期通过催化剂表面PSA所提供的单体扩散阻力来调控聚合初期的催化剂活性的释放速率,进一步降低聚合初期UHMWPE初生粒子的分子链缠结程度。聚合物动态流变学测试显示,与其他聚合物相比,当PSA的含量为20%时,其聚合产物具有更高的tm和更低的G0N,表明此聚合物分子内部具有更低的链缠结程度;  三、为了探究UHMWPE内部分子链缠结程度对HDPE性能的影响,我们将自制的低缠结UHMWPE及与其分子量相近的商业UHMWPE分别和HDPE进行共混密炼。对低缠结UHMWPE与HDPE共混物(HSPE)以及商业UHMWPE与HDPE共混物(HCPE)的流变性能、热学性能等性能做了详细的研究。结果表明:由于两种UHMWPE具有不同的初始链缠结程度,其动态流变性能、热学性能以及内部结晶结构显示出较大的差异,并最终导致共混样品相关力学性能的不同。具体表现为,在相同UHMWPE组分含量下,HSPE比HCPE具有更高的拉伸强度以及拉伸模量,但HCPE显示出更高的断裂伸长率。  综上所述,我们利用MCM-41负载型催化剂Cat-Fe/M,通过“挤出聚合”制备出了低缠结的UHMWPE。进一步,我们在Cat-Fe/M表面包覆一层PSA,制备得到有机/无机复合载体型催化剂Cat-Fe/M/PSA,利用该催化剂外表层PSA所提供的乙烯单体扩散阻力调控催化剂的初始聚合活性,制备出了缠结程度更低的UHMWPE。最后,通HDPE的共混实验我们发现,与商业UHMWPE相比,实验室所制备的低缠结UHMWPE可以更大程度地提高共混物的拉伸强度及拉伸模量。
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