超高分子量聚乙烯的熔融缺陷问题和亚稳态加工

The project aims to explore the fusion defects of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) products, analyse the effects of various factors on the fusion defect formation of products and reveal their essence and law. Through processing UHMWPE in the metastable state with high chain mobility, the feasibility of using metasibility phenomenon to process UHMWPE is explored in order to reduce fusion defects in the products of UHMWPE.The influencing factors of the phase stability of UHMWPE and the inducing conditions of the phase transition are investigated. The statistics laws between the structure of molecular chains and the metastable state are investigated from the molecular level by molecular dynamics simulation of polymer chain in the various state of the structure and mobility.The relationship between the phase transition and the process conditions is estabilitied and the effective controlling methods are developed to enhance the product performance. The relationship between the fusion defects and the product performance is explored, imploving wear resistance of UHMPWE as artificial joint materials.The research will provide the theoretical basis on the UHMWPE processing and its application, having an importance theoretic significance and application prospects.

本项目旨在探索超高分子量聚乙烯制品中存在的熔融缺陷问题，分析影响超高分子量聚乙烯制品熔融缺陷形成的各种因素，揭示熔融缺陷形成的本质和规律。通过在链流动性高的亚稳态中间相状态下加工成型超高分子量聚乙烯，探索亚稳态相变在超高分子量聚乙烯成型加工中的应用，解决制品中存在的熔融缺陷问题，分析影响超高分子量聚乙烯相稳定性的因素和触发相变的条件。利用分子动力学模拟高分子链在各种状态下的结构和运动，从分子层次探讨分子链结构与亚稳性的统计规律，确立相变与加工工艺条件的关系并建立有效的调控手段，探明熔融缺陷与制品性能之间的关系，实现制品的性能优化，解决其作为人工关节耐磨性不足的问题。该项目的研究将为超高分子量聚乙烯的成型加工及其应用打下理论基础，具有重要的理论意义和应用前景。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有优异的生物相容性、化学稳定性，冲击强度及耐磨损性能高、摩擦系数低，广泛应用于人工关节、齿轮及耐磨管道等领域。但UHMWPE极长的分子链和缠结密度导致其熔体粘度高、分子链运动及自扩散缓慢，在加工过程中容易造成制品固结不完善，导致制品内部存有大量的熔融缺陷。为了解决这个问题，需要对超高分子量聚乙烯熔融缺陷的形成机理及熔融缺陷对制品性能影响有更深入的理解，并在加工过程中采取有效的手段来减少熔融缺陷的形成。.本项目基于提高界面分子链段的扩散能力和增强颗粒界面分子链间的相互作用力可以减少制品中的熔融缺陷并提高UHMWPE的力学性能的假设，通过将UHMWPE与PW熔融共混、在温度窗口下加工UHMWPE和对UHMWPE粉末进行丙烯酸接枝改性三种方法，来达到改善UHMWPE制品中缺陷的目的。项目取得的主要研究结果如下：.1.少量PW的加入使得UHMWPE制品断面的熔融缺陷减少、密度增加，拉伸强度及拉伸断裂伸长率增加，摩擦磨损性能提高。低分子量PW的加入，可以提高UHMWPE制品的力学性能和摩擦磨损性能，改善UHMWPE制品的熔融缺陷。PW的加入使得UHMWPE分子链间缠结程度降低。结合对UHMWPE/PW共混物的力学分析，可以认为PW的加入使得UHMWPE分子链缠结程度的降低，其分子链运动及自扩散能力提高。在UHMWPE颗粒内部，由于UHMWPE链段运动活性提高，分子链穿越颗粒界面的时间相对缩短，颗粒间熔融界面减少，UHMWPE制品中的熔融缺陷得到改善，使得制品的力学性能和摩擦磨损性能提高。.2.采用水相接枝的方法，以过氧化二苯甲酰作为引发剂,在UHMWPE粉体上接枝聚丙烯酸（AA）。采用接触角、FTIR和化学滴定方法对接枝物（UHMWPE-g-AA）进行结构表征，结果表明AA确实接枝到了UHMWPE分子链上，但接枝率较低（0.2%），改性后的UHMWPE接枝率与AA含量呈正比。接枝后的UHMWPE分子间作用力变大；UHMWPE制品内部熔融缺陷通枝丙烯酸表面改性得到改善。表明提高UHMWPE颗粒间分子链段相互作用力，在一定程度上可以减少制品中的熔融缺陷，提高其力学性能。.3.采用高压毛细管流变仪加工超高分子量聚乙烯,研究发现在狭窄的加工温度范围内（168-174℃），UHMWPE熔体流动出现亚稳性现象，即挤出压力突降，熔体粘度出现极小值, 且熔体