[摘要] 簡(jiǎn)要介紹了輻照交聯(lián)基本反應(yīng)及原理,評(píng)述了在輻照作用下聚乙烯結(jié)構(gòu)尤其是結(jié)晶形態(tài)的變化,討論了輻照交聯(lián)對(duì)聚乙烯機(jī)械力學(xué)性能的影響,并展望了輻照交聯(lián)聚乙烯研究及應(yīng)用前景。
progressinstudyofcrosslinkingofpolyethylenebyirradiation
zhangjianfeng1 zhengqiang1 zhengcaixia1 yixiaosu1、2
(1departmentofpolymerscienceandengineering,zhejinguniversity)
(2nationalkeylaboratorfyofadvancedcomposites)
[abstract] themosttypicalapplicationofirradiationtechniqueinpolymericmaterialsisthecrosslinkingofpolyethylene.theprincipleofirradiationdealingwiththechangeofpolyethylenestructure,particularlythechangeofcrystallinemorphologyisintroduced.theeffectofcrosslinkingbyirradiationonmechanicalpropertiesofpolyethyleneisalsodiscussed.
keywords polyethylene irradiation crosslinked crystallization
1 前言
聚乙烯是一種廣泛應(yīng)用于日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高分子。作為半晶材料,其性能強(qiáng)烈依賴于內(nèi)部的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。聚乙烯鏈的規(guī)整性賦予其良好的結(jié)晶能力,結(jié)晶度可在很大范圍內(nèi)變化。另一方面,鏈與鏈之間缺乏緊密的結(jié)合力,使得整個(gè)聚乙烯材料在經(jīng)受外力及環(huán)境溫度影響時(shí)產(chǎn)生較低的變形或發(fā)生破壞,限制了其應(yīng)用。因此根據(jù)實(shí)際應(yīng)用范圍和目的,有必要對(duì)聚乙烯進(jìn)行改性,交聯(lián)被認(rèn)為是行之有效的方法。聚乙烯的交聯(lián)主要采用化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)。化學(xué)交聯(lián)主要以過氧化物和硅烷作交聯(lián)劑。物理交聯(lián)則主要為諸如核放射性源60co、137cs及中子、電子等高能粒子的輻射或輻照交聯(lián)。1952年charsby[1]發(fā)現(xiàn)輻照后的聚乙烯產(chǎn)生了交聯(lián),從此聚乙烯的交聯(lián)研究蓬勃展開。高能輻射裝置的迅速發(fā)展客觀上也為輻射交聯(lián)的研究提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前,輻照技術(shù)及手段的應(yīng)用程度已被作為衡量一個(gè)國(guó)家高技術(shù)應(yīng)用水平的標(biāo)志之一。輻射在高聚物中的應(yīng)用主要為輻射聚合及輻射交聯(lián)。高聚物經(jīng)輻射后性能產(chǎn)生較大變化,主要與內(nèi)部發(fā)生的交聯(lián)和降解有關(guān)。
化學(xué)交聯(lián)與輻射交聯(lián)從實(shí)施方法到性能的改變均有所不同?;瘜W(xué)交聯(lián)由于采用交聯(lián)劑,來源豐富易得,得到較廣泛的應(yīng)用。隨著聚合物交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行,不斷增高的熔體粘度使交聯(lián)劑在基體中的分散性較差,出現(xiàn)不均勻交聯(lián),局部發(fā)生“焦燒”現(xiàn)象?;瘜W(xué)交聯(lián)劑尤其是過氧化物類的分解溫度與聚合物的熔融溫度較近,在加工時(shí)不可避免地使過氧化物受損失,難以控制交聯(lián)度;而硅烷交聯(lián)劑的分解需水做引發(fā)劑,由于水分的侵入,材料介電性能劣化,在一定程度上限制了其應(yīng)用。輻射交聯(lián)采用輻射源發(fā)出的高能射線能均勻地作用在材料上,聚合物的交聯(lián)分布均勻,并且交聯(lián)度易于控制,滿足對(duì)聚合物交聯(lián)情況要求較高的場(chǎng)合。輻照交聯(lián)的另一獨(dú)到之處在于無需添加交聯(lián)劑,可得到高純度交聯(lián)產(chǎn)物,尤其在醫(yī)用高分子材料及其領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用前景。但是,不同種類的聚合物受射線作用時(shí)的結(jié)果不同。通常輻照作用下聚合物既可發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),也可發(fā)生降解反應(yīng)。據(jù)此,聚合物可分為輻射交聯(lián)型及輻射降解型。嚴(yán)格講,輻照時(shí)交聯(lián)反應(yīng)與降解反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的競(jìng)爭(zhēng)過程。即使是輻射交聯(lián)型的聚合物,其內(nèi)部輻射交聯(lián)與輻射降解也是同時(shí)進(jìn)行的,只不過交聯(lián)占優(yōu)而已。交聯(lián)與降解的發(fā)生以及二者競(jìng)爭(zhēng)比率除與高聚物本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外也與所施加的輻射劑量、劑量率、輻射環(huán)境(溫度、氣氛)等有關(guān)。迄今,將輻射交聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于高聚物材料交聯(lián)過程的zui典型實(shí)例是聚乙烯的輻射交聯(lián)。輻照交聯(lián)聚乙烯呈現(xiàn)一系列優(yōu)異的化學(xué)和物理機(jī)械性能(耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、適宜的模量、耐應(yīng)力開裂的顯著改善等)。近年來,有關(guān)聚乙烯輻照交聯(lián)理論和應(yīng)用研究不斷深入,為輻照技術(shù)在新材料制備與改性開拓了新途徑。本文對(duì)其輻照反應(yīng)基本原理、輻照對(duì)聚乙烯結(jié)構(gòu)、性能的影響以及應(yīng)用前景進(jìn)行評(píng)述。
2 基本原理
2.1 交聯(lián)反應(yīng)過程
聚乙烯經(jīng)高能輻射時(shí),除在側(cè)基或ch上產(chǎn)生自由基外,大分子鏈被打斷成為活性自由基,自由基之間相互結(jié)合生成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。交聯(lián)后的分子鏈可形成h及y(或t)的體型結(jié)構(gòu)[2]。交聯(lián)反應(yīng)過程與聚合物結(jié)構(gòu)間的關(guān)系按照輻射劑量由低到高,可分為以下四個(gè)階段[3]:
(1)交聯(lián)的起始階段主要受末端基團(tuán)的影響,表現(xiàn)為有序交聯(lián);
(2)交聯(lián)主要發(fā)生在無定形區(qū)域,呈現(xiàn)無規(guī)交聯(lián);
(3)交聯(lián)程度的進(jìn)一步提高,晶區(qū)表面的分子鏈參與交聯(lián),整個(gè)交聯(lián)過程表現(xiàn)為無規(guī)交聯(lián);
(4)待晶區(qū)*熔融消失后,整個(gè)體系又成為無定形形態(tài),這個(gè)階段的交聯(lián)呈無序性。
此外,輻照后效應(yīng)是輻照交聯(lián)方法的另一特征,即大分子鏈自由基運(yùn)動(dòng)能力較差,相互結(jié)合的機(jī)會(huì)相對(duì)減少,輻照后的聚乙烯放置一段時(shí)間后仍存在未失活的自由基。輻照后適當(dāng)熱處理,增加自由基的活動(dòng)能力反應(yīng)仍可繼續(xù)進(jìn)行。將輻照后的聚乙烯在其溶劑中漂洗,洗去表面的自由基,能消除輻照后效應(yīng)。
2.2 交聯(lián)對(duì)結(jié)晶的影響
charlesby[1]首先觀察到輻照聚乙烯會(huì)引起其結(jié)晶度的變化,即不透明的聚乙烯經(jīng)輻照后逐漸成為透明。x射線衍射的結(jié)果[4]表明結(jié)晶峰減小,無定形成分增加,并且晶粒尺寸變小。dsc分析[5~8]發(fā)現(xiàn),聚乙烯的熔融焓在低劑量(1~2mgy)輻照時(shí)幾乎不受影響。隨著劑量增加,熱焓降低。但輻射劑量在0~0.2mgy,存在一zui低熱焓值,這也表明結(jié)晶度(與之對(duì)應(yīng)的密度)存在極小值[9,10]。rijke[11]也發(fā)現(xiàn)在低劑量(0.1mgy)輻照高密度聚乙烯時(shí)存在熱焓zui低值,并認(rèn)為這是由于交聯(lián)程度的提高誘使初始結(jié)晶的缺陷減少,同時(shí)使已生成的片晶厚度變薄,形成不完善的晶格。mateev[12]用溶膠-凝膠法分析了電子束(eb)輻照低密度聚乙烯薄膜對(duì)分子結(jié)構(gòu)和交聯(lián)參數(shù)的影響。認(rèn)為eb輻照導(dǎo)致晶界間的無定形區(qū)的伸直鏈部分產(chǎn)生新的結(jié)晶。同時(shí)發(fā)現(xiàn),隨輻照的束流強(qiáng)度提高,交聯(lián)度增大的同時(shí)輻照過程中的降解程度也增大,低強(qiáng)度(ie=1ma)束流輻照將使結(jié)晶度提高。這是由于晶界間的無定形部分的伸直鏈參與結(jié)晶生成新的結(jié)晶區(qū),晶界間的伸直鏈的產(chǎn)生是由于制樣過程中的非等溫結(jié)晶以及拉伸作用引起的。此外,輻照引起伸直鏈的斷裂,形成大分子自由基,這些末端活性的自由鏈相互結(jié)合的機(jī)率較低,并且存在局部有序的可能,導(dǎo)致二次結(jié)晶。但輻照劑量越高,晶界上的自由基過量產(chǎn)生,晶區(qū)開始熔融,結(jié)晶度下降。晶區(qū)的熔融與新晶區(qū)的生成是相互競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)力學(xué)過程。晶區(qū)的交聯(lián)始于晶區(qū)的無定形化,無定形化又是從晶區(qū)表面開始、隨輻照劑量增加而向內(nèi)擴(kuò)展的。markovic[13]對(duì)輻照后的聚合物重新熔融發(fā)現(xiàn)總結(jié)晶度進(jìn)一步減少。同時(shí),對(duì)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與輻射關(guān)系的研究結(jié)果表明,結(jié)晶過程有兩種不同機(jī)理,分別對(duì)應(yīng)于交聯(lián)鏈及未交聯(lián)鏈。王國(guó)英[14]用廣角x射線衍射(waxd)分析輻照后經(jīng)熔融再等溫結(jié)晶4h的高密度聚乙烯,得到了聚乙烯晶胞參數(shù)隨輻射劑量變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)微晶在三維空間各個(gè)方向上的尺寸都隨輻射劑量的增大而減小。說明輻照對(duì)非晶區(qū)、片晶內(nèi)部微晶之間的非晶區(qū)以及微晶內(nèi)部均有破壞作用,從而提出了“片晶內(nèi)部破壞機(jī)理”。即認(rèn)為交聯(lián)和破壞均可在晶區(qū)內(nèi)部發(fā)生。經(jīng)輻照的低密度聚乙烯,其結(jié)晶度、熔融熱焓在低劑量時(shí)幾乎沒有變化,但隨劑量的進(jìn)一步提高而降低[15]。隨著輻射劑量的繼續(xù)增加,結(jié)晶區(qū)域也能夠交聯(lián)。dsc曲線上低溫吸熱峰的出現(xiàn)證明了由于輻射引起的大分子鏈重排所致的重結(jié)晶的存在,其強(qiáng)度和出現(xiàn)的溫度均隨輻射劑量的增加而提高。對(duì)不同劑量下輻照的聚乙烯進(jìn)行再結(jié)晶處理,在室溫下測(cè)定其結(jié)晶度,發(fā)現(xiàn)直到劑量為175mrad時(shí),結(jié)晶度才開始有所下降。對(duì)高劑量(3grad)γ輻照的聚乙烯進(jìn)行加熱處理,發(fā)現(xiàn)晶型由正交系轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄担?6]。徐僖等[17]研究了紫外線輻照對(duì)高密度聚乙烯結(jié)晶的影響。結(jié)果表明,隨時(shí)間的延長(zhǎng),高密度聚乙烯結(jié)晶度增大,熔融峰向低溫方向移動(dòng),但晶胞結(jié)構(gòu)基本保持不變。通過熱失重分析(tga)對(duì)紫外線輻照高密度聚乙烯的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨輻照時(shí)間延長(zhǎng),hdpe起始分解溫度、分解活化能以及反應(yīng)級(jí)數(shù)降低。超高分子量聚乙烯(uhmwpe)經(jīng)電子束輻照,其熱焓、結(jié)晶度、熔融溫度和密度均隨輻照劑量的增加而提高[18]。vuong[19]用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(dma)獲得了結(jié)構(gòu)上的信息,發(fā)現(xiàn)輻照交聯(lián)的線形低密度聚乙烯(lldpe),在譜圖上的三個(gè)主轉(zhuǎn)變峰隨輻射劑量的增加有不同的變化:β轉(zhuǎn)變區(qū)的儲(chǔ)能模量及耗能模量顯著增加,α轉(zhuǎn)變區(qū)有輕微的增加,但在γ轉(zhuǎn)變區(qū)無變化。如果將輻照后的試樣進(jìn)行重結(jié)晶,轉(zhuǎn)變區(qū)的變化則相反:輻射劑量增加,模量降低。同時(shí),由于重結(jié)晶引起的形貌的變化對(duì)模量的貢獻(xiàn)要高于交聯(lián)的貢獻(xiàn)。
對(duì)凝膠部分進(jìn)行重結(jié)晶,并進(jìn)行dsc分析,通過結(jié)晶峰能夠證明凝膠部分的結(jié)晶與溶膠部分無關(guān)。
2.3 交聯(lián)對(duì)取向的影響
聚乙烯的取向結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,受熱或長(zhǎng)時(shí)間放置極易解取向。輻射交聯(lián)是克服解取向的有效途徑。將pe先拉伸后再輻照處理就能得到較滿意的結(jié)果。拉伸倍數(shù)為5~6時(shí),交聯(lián)率zui高。研究還發(fā)現(xiàn),電子束輻照與試樣的形貌和結(jié)晶度有直接關(guān)系[20]。真空中γ射線輻照拉伸hdpe的結(jié)晶度隨吸收劑量的增加而降低,輻射劑量達(dá)到約250kgy時(shí),吸收劑量的增加對(duì)結(jié)晶度基本無影響;在空氣中輻照至1000kgy,拉伸hdpe的結(jié)晶度基本保持不變[21]。
2.4 鏈結(jié)構(gòu)
交聯(lián)聚乙烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的程度與交聯(lián)條件密切相關(guān)。交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成一直存在著爭(zhēng)議[22,23],即對(duì)只形成y型交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),還是同時(shí)形成t及y型結(jié)構(gòu)等問題,至今尚未得到一致的結(jié)論。主要的原因可能在于不同牌號(hào)及不同處理?xiàng)l件下聚乙烯的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不同,從而導(dǎo)致交聯(lián)后的聚乙烯在性能及結(jié)構(gòu)上存在差異。交聯(lián)聚乙烯化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究多集中于用電子自旋共振(esr)、核磁共振(nmr)、紅外光譜(ir)等手段。朱清仁[24]用13cnmr表征hdpe經(jīng)60co輻射交聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),直接觀測(cè)到無論是固態(tài)還是熔融態(tài)下pe輻射交聯(lián)后都形成了具有h型和y型兩種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)物。同時(shí)也檢測(cè)到輻射過程中伴隨的其他結(jié)構(gòu)單元的變化。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),反式雙鍵易于在晶區(qū)生成,而順式雙鍵卻易在非晶區(qū)生成。在室溫下y型交聯(lián)鏈優(yōu)先形成,而在高溫熔融態(tài)下h型易于產(chǎn)生。其原因可能是固態(tài)pe鏈末端的運(yùn)動(dòng)性較高,而且被濃縮于無定形非晶區(qū)而有利于y型交聯(lián)鏈的形成。迄今,描述交聯(lián)過程的方程僅適用于個(gè)別聚合物的某一階段,還沒有一個(gè)適合大多數(shù)聚合物的交聯(lián)過程的普適方程。即使是一種聚合物,例如聚乙烯也未能找到描述全部交聯(lián)過程的方程。典型的方程有基于統(tǒng)計(jì)理論的charlesby-pinner(c-p)方程:
s+s1/2=p0/q0+1/q0u1d
式中s為溶膠份數(shù);p0和q0為每單位劑量斷鏈及交聯(lián)密度;u1為交聯(lián)前數(shù)均聚合度;d為輻射劑量。此方程是對(duì)輻射交聯(lián)及降解的zui初闡述,已被廣泛接受。但由于聚合物結(jié)構(gòu)的多樣性,不能用之描述所有聚合物的全部交聯(lián)過程(或階段)。陳欣芳等[25]考慮到分子鏈末端對(duì)聚乙烯交聯(lián)的貢獻(xiàn),對(duì)c-p方程進(jìn)行了修正,提出了c-l-t方程:
d(s+s1/2)=d1/2p0/q0+1/q0u1
此方程的貢獻(xiàn)在于發(fā)現(xiàn)斷鏈密度與輻射劑量的平方根成正比。為得到普適方程,zhang[26]認(rèn)為斷鏈密度應(yīng)與輻射劑量的β次方成正比,即z-s-d方程:
d(s+s1/2)=dβp0/q0+1/q0u1
式中β為玻璃化溫度tg的函數(shù)。
2.5 交聯(lián)對(duì)力學(xué)性能的影響
交聯(lián)后的聚乙烯力學(xué)性能變化較大,隨交聯(lián)程度的增加,聚乙烯的模量、拉伸強(qiáng)度和抗蠕變性都有不同程度的提高。這是由于分子鏈之間產(chǎn)生交聯(lián)鏈,限制了大分子鏈的滑移,提高了抵抗外部環(huán)境所致變形的能力。但交聯(lián)達(dá)到一定程度后,分子鏈的斷裂降解以及晶區(qū)破壞現(xiàn)象明顯,材料變脆,斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能下降[27]。
hedvig[28]通過等溫應(yīng)力松弛的方法研究了多種聚合物(包括聚乙烯)的應(yīng)力松弛和介電松弛。發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和介電松弛分布都隨劑量的增加向純的聚合物體系轉(zhuǎn)變溫度處移動(dòng),在更高劑量下,其松弛分布由于交聯(lián)而變寬。
將輻照后的聚乙烯在其結(jié)晶溫度以上進(jìn)行等溫應(yīng)力松弛和回復(fù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)輻照后的試樣有相對(duì)較快的應(yīng)力松弛過程,并且在中等輻射劑量下應(yīng)力松弛zui快[19]。
空氣中輻照聚乙烯,其斷裂伸長(zhǎng)率及拉伸強(qiáng)度比在真空條件下輻照體系下降更明顯[29]。
3 應(yīng)用前景
交聯(lián)后的聚乙烯在結(jié)構(gòu)和性能上都發(fā)生較大的改變,可以滿足特殊要求的場(chǎng)合。適度交聯(lián)的聚乙烯表現(xiàn)一定程度上的熱穩(wěn)定性,尤其是穩(wěn)定的介電性。這些優(yōu)異的性能使交聯(lián)聚乙烯廣泛用做電纜包套。
聚乙烯基的電阻正溫度系數(shù)(ptc)導(dǎo)電復(fù)合材料,具有電阻-溫度開關(guān)性質(zhì),因而受到廣泛的關(guān)注。但這種材料在超過一定的溫度后,電阻與溫度之間不再有ptc性質(zhì),相反電阻隨溫度的升高而下降呈負(fù)溫度系數(shù)(ntc)關(guān)系。并且這種材料經(jīng)加熱-冷卻的循環(huán)使用后不能保證ptc、ntc現(xiàn)象及室溫電阻的重現(xiàn)性。這種非重現(xiàn)性及不可控制性給生產(chǎn)及使用帶來了極大不便。消除ntc或降低ntc現(xiàn)象以及穩(wěn)定ptc材料的導(dǎo)電能力,是研究及使用這種材料所必需追求的目標(biāo)。對(duì)ptc材料進(jìn)行交聯(lián)是行之有效的方法[30~34]。交聯(lián)后的ptc材料的ntc現(xiàn)象得到有效的遏制,電阻隨溫度升高下降程度有所緩和。研究發(fā)現(xiàn),交聯(lián)度提高到70%~80%時(shí),ntc現(xiàn)象才會(huì)消失。一定程度交聯(lián)的ptc材料的室溫電阻有增大的現(xiàn)象。通常交聯(lián)能提高材料的ptc強(qiáng)度。交聯(lián)消除ntc效應(yīng)一般認(rèn)為是交聯(lián)限制了炭黑粒子相互碰撞結(jié)合的機(jī)會(huì),并且輻照交聯(lián)pe產(chǎn)生的自由基可與炭黑的芳氧自由基反應(yīng),提高聚合物基體與導(dǎo)電粒子間的作用力的結(jié)果,zui終減少了炭黑不可逆的分離機(jī)會(huì),基本保持原來的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[35]。我們?cè)谶M(jìn)行輻照對(duì)聚乙烯基/炭黑導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)電性影響的研究中,采用高能電子束分別于室溫及熔融態(tài)下對(duì)樣品進(jìn)行輻照,并將輻照后的材料于一定溫度下(95~120℃)進(jìn)行等溫退火處理。發(fā)現(xiàn)無論在何種退火溫度下,室溫輻照材料的ptc強(qiáng)度均高于熔融輻照的。尤其在高劑量下,熔融態(tài)輻照材料的ptc強(qiáng)度極其微弱,與相同劑量室溫下輻照的顯著不同。證明交聯(lián)反應(yīng)條件對(duì)交聯(lián)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與性能產(chǎn)生重大影響。就我們研究的材料體系而言,交聯(lián)阻止聚乙烯晶體生長(zhǎng)是影響其導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)電性的主要因素。
聚乙烯的高度非極性使它很難與其他極性材料相容,如果單靠機(jī)械的方法將二者混在一起,較難達(dá)到理想的混容程度。若對(duì)其進(jìn)行輻照處理,引進(jìn)羰基等極性基團(tuán)大大增強(qiáng)了二者的相容性。用輻照的方法改善多相多組分間的相容性,具有不需要相容劑、常溫常壓下即可進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn),尤其是對(duì)已成型的材料采用輻照法改善相容性,是其它方法所不可比擬的[36~38]。
4 小結(jié)
不論是單組分還是多相多組分聚乙烯體系,對(duì)之進(jìn)行交聯(lián)處理,在基礎(chǔ)理論及實(shí)際應(yīng)用方面已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。但在某些具體方面,仍然沒有達(dá)到共識(shí),如輻照誘導(dǎo)結(jié)晶與輻照對(duì)結(jié)晶的破壞間存在較大分歧。對(duì)輻照后無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)結(jié)構(gòu)的多樣性仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。尤其是功能高分子材料性能的改善或提高,交聯(lián)作為手段之一,具體機(jī)理尚有待于進(jìn)一步的深入研究。