超高分子量聚乙烯高溫環(huán)境抗沖擊能力研究

李 藝，周 慶，賀思敏，王 窈，張 龍

超高分子量聚乙烯高溫環(huán)境抗沖擊能力研究

李 藝，周 慶，賀思敏，王 窈，張 龍

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

為研究超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）在高溫環(huán)境下的熱性能和力學(xué)特性，對不同高溫處理1h后的UHMWPE進(jìn)行了SEM、DSC以及XRD分析。結(jié)果表明：150℃處理后纖維表面和斷面已失去原有結(jié)構(gòu)，XRD衍射峰峰值明顯降低；DSC結(jié)果顯示，與高溫試驗前及其它高溫處理后有2個較大的吸熱峰不同，150℃處理的樣品僅有1個吸熱峰，且峰值較低。對纖維包覆成的CDF進(jìn)行爆轟性能試驗，結(jié)果表明150℃處理后的樣品抗沖擊強度嚴(yán)重下降，已不能滿足CDF的要求。

超高分子量聚乙烯纖維；高溫；CDF；DSC；XRD

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維具有耐磨、疲勞強度高、結(jié)構(gòu)強度高、抗拉強度高（3.0GPa）、彈性模量高（953.0GPa）、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)異的性能[1-2]，這些優(yōu)異的性能使UHMWPE能夠廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[3-5]。有些應(yīng)用環(huán)境條件非常惡劣，如在CDF（CDF）應(yīng)用中時常需要面對120℃左右的高溫，然而對UHMWPE纖維在高溫環(huán)境下的熱性能和力學(xué)性能的研究較少。Medel F. 等[6]針對GUR 1050的抗壓模量下制備的UHMWPE樣品，進(jìn)行120℃熱退火處理不同時間，研究了其表面結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化性能； Liron Shavit-hadar 等[7]研究了不同壓力下熔化和結(jié)晶過程對UHMWPE表面結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能、取向排列等的影響規(guī)律。本研究對UHMWPE分別進(jìn)行100 ℃、120℃、140℃和150℃的1h高溫處理，對熱處理前后的樣品分別進(jìn)行掃描電鏡、DSC分析、X射線衍射分析以及爆轟性能測試，系統(tǒng)地研究不同高溫環(huán)境對UHMWPE熱性能和力學(xué)性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

UHMWPE從北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)有限公司采購，品級：FT-113，規(guī)格：400D/180F。為研究高溫環(huán)境對纖維性能的影響，分別對纖維進(jìn)行100℃、120℃、140℃和150℃高溫處理1h，1h后自然降溫至室溫。

1.2 測試與分析

采用德國Zeiss公司的掃描電鏡對樣品表面和斷面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試。采用netzsch公司的 sta 449C進(jìn)行試樣的DSC分析，試驗樣本量2mg，升溫速率5℃/min，通N2保護(hù)。用英國Oxford公司的EDX進(jìn)行試樣的XRD分析。

1.3 CDF制備

CDF由炸藥（HNS-II）、金屬殼（Ag）、擠塑層（聚乙烯）和纖維包覆層（聚四氟乙烯）組成，如圖1所示。

圖1 CDF結(jié)構(gòu)示意圖

CDF線裝藥密度為0.36g/m，藥芯直徑為φ0.55mm，銀殼外徑為φ1mm，包覆層外徑為φ5.5mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM測試

不同溫度處理后樣品表面微觀結(jié)構(gòu)見圖2，不同溫度處理后樣品斷面微觀結(jié)構(gòu)見圖3。

由圖2~3可見，處理前纖維表面光滑，斷面呈層狀結(jié)構(gòu)，100℃和120℃處理后纖維表面出現(xiàn)不同程度的溝槽和麻點，但是100℃處理后纖維的斷面仍然是較為致密的結(jié)構(gòu)，而120℃處理后纖維的斷面卻呈現(xiàn)顆粒狀分布，140℃和150℃處理后纖維大部分已經(jīng)熔化，將140℃處理后的纖維剝離，斷面仍能清晰地看到條紋狀結(jié)構(gòu)，表面溝槽加深，而150℃處理后的纖維表面和斷面均已失去了原有的結(jié)構(gòu)。

圖2 不同溫度處理后樣品表面微觀結(jié)構(gòu)

2.2 DSC分析

圖4為不同溫度處理后樣品的DSC曲線。通過DSC分析，發(fā)現(xiàn)100℃、120℃和140℃處理1h后，DSC曲線仍有2個較大的吸熱峰，且2個峰值較處理前的145.5℃（折疊鏈結(jié)晶的熔融）和152.8℃（伸直鏈結(jié)晶的熔融）基本未發(fā)生變化，樣品的吸熱量隨著處理溫度的升高略有降低。而150℃處理1h后，DSC曲線僅有1個吸熱峰，且峰值較低（133.5℃），吸熱量是處理前的50%，這表明150℃處理時纖維基本已經(jīng)全部熔化，失去了原有的晶體結(jié)構(gòu)。

圖4 不同溫度處理后樣品的DSC曲線

2.3 XRD分析

圖5為不同溫度處理后樣品的XRD曲線。由文獻(xiàn)[8]可知，UHMWPE纖維在2為21.6℃、24.0℃出現(xiàn)（110）和（200）晶面的特征衍射峰。

圖5 不同溫度處理后樣品的XRD曲線

由圖5可知，高溫處理后衍射峰的位置基本沒有發(fā)生變化，100℃和120℃處理后樣品衍射峰的大小也基本未發(fā)生變化，而140℃和150℃處理后樣品衍射峰值明顯降低。這是由于高溫使UHMWPE纖維晶區(qū)熔化，晶面相對強度降低所致。

2.4 CDF抗沖擊性能

為了研究高溫環(huán)境對CDF UHMWPE包覆層抗沖擊強度的影響，對CDF（裝藥HNS-II）進(jìn)行120℃、140℃、150℃高溫處理1h，1h后自然降溫至室溫。對處理前后的CDF進(jìn)行爆轟性能試驗，每種試樣為10發(fā)，采用8#軍用雷管起爆。試驗后120℃和140℃處理后的產(chǎn)品包覆層結(jié)構(gòu)完整，而150℃處理后的產(chǎn)品包覆層被炸穿，如圖6所示。

圖6 不同溫度處理樣品爆轟后狀態(tài)

分析認(rèn)為，雖然140℃處理后纖維部分熔化，晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變，但是斷面形貌結(jié)構(gòu)仍基本能夠維持，纖維包覆層的抗沖擊強度仍高于CDF爆轟波的沖擊能力，因此纖維包覆層仍能夠保持完整性。而150℃處理后纖維基本已完全熔化，表面和斷面形貌均已不復(fù)存在，晶面強度明顯降低，抗沖擊性能嚴(yán)重降低，以致于不能抵抗沖擊波的沖擊作用。

3 結(jié)論

本文對不同溫度環(huán)境下UHMWPE的SEM、DSC和XRD進(jìn)行了分析。100℃和120℃處理后纖維的表面和斷面仍能保持原有的致密結(jié)構(gòu)，而140℃處理后纖維表面已呈熔融狀態(tài)，斷面仍呈現(xiàn)清晰的層狀結(jié)構(gòu)，150℃處理后纖維表面和斷面均已呈熔融狀態(tài)，XRD衍射峰明顯降低，DSC曲線也僅有1個峰值較低的吸熱峰。這是由于高溫環(huán)境使纖維晶區(qū)熔化，纖維晶區(qū)的熔化直接導(dǎo)致了150℃高溫處理后的CDF纖維包覆層不能抵抗沖擊波的沖擊作用，爆轟試驗中出現(xiàn)穿孔。

[1] Sui G, Zhong WH, Ren X, Wang XQ, Yang XP. Structure, me-chanical properties and friction behavior of UHMWPE/HDPE/ carbon nanofibers[J].Mater Chem Phys,2009(115):404 -12.

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Study on the Impact-resistance Strength of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber under High Temperature

LI Yi, ZHOU Qing, HE Si-min, WANG Yao, ZHANG Long

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900)

In order to investigate the effect of high temperature annealing process on the thermal property and impact-resistance strength of ultrahigh molecular weight polyethylene(UHMWPE) fibers, various characterizations were performed for the UHMWPE annealed under different high temperatures for 1h. The scanning electron microscope results indicated that the UHMWPE was fully melt and the surface and cross section structure was destroyed by heating at temperature of 150°C, the differential scanning calorimetry and X-ray diffraction characterization indicated that both the thermal stability and strength of the crystal plane of UHMWPE fibers were reduced after the high temperature treatment of 150°C. Moreover, the detonation properties of confused detonating fuse coated by UHMWPE were tested, the test result showed that the impact-resistance strength of samples heated at 150°C decreased obviously, which is very important for the practical application of confused detonating fuse.

Ultrahigh molecular weight polyethylene；High temperature；Confused detonating fuse；DSC；XRD

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.014

1003-1480（2020）01-0055-03

2019-11-20

李藝（1977 -），女，碩士研究生，主要從事沖擊片雷管設(shè)計與試驗研究。