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。
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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。帝斯曼按照传统复合材料行业常规制备工艺，以经过改性的UHMWPE纤维制成复合材料行业习惯使用的织物，与不同的基体树脂制成层板或三明治结构的复合材料。终端用户在不需要改变使用习惯和使用条件的情况下，使用帝斯曼提供的特种织物和配套的树脂体系，即可以和原有的玻纤或者碳纤体系结合使用，极大地提升复合材料制品在减重、增强、增韧、抗冲击等方面的优势。
结束语
纳米填充聚合物可改善导电性能，不仅能代替贵金属基复合材料在电子工业领域的应用，也为新材料的发展应用提供了新思路｡随着新技术新思路的发展进步，研制更多更廉价的纳米填料改性UHMWPE，将使复合材料更好地应用在人工关节等诸多人体元器件中，尽可能提高生物材料的安全性，让更多的材料走出实验室走向产业化｡开发出性能更优异的纳米材料，使用微量的填料填充且大幅提高材料的多重性能是复合材料发展的大势所趋｡
参考文献
[1] 陈元锋.氧化石墨烯增强超高分子量聚乙烯复合材料的性能研究[D].兰州：兰州理工大学，2012：22－23．
[2] 黄安民，苏荣锦，刘燕青. 纳米SiO2包覆SiC填充改性UHMWPE的热性能[J].塑料工业，2012，40（4）：48.
论文作者:杨军
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/12
标签：复合材料论文; 纳米论文; 性能论文; 聚合物论文; 多相论文; 纳米材料论文; 分数论文; 《基层建设》2017年第16期论文;