強(qiáng)紫外線下超高分子量聚乙烯薄板材料的力學(xué)性能研究

羅軍鵬，龐 勛，郭曉菊，侯現(xiàn)重

（青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海西寧 810016）

超高分子量聚乙烯材料性能優(yōu)異，應(yīng)用極其廣泛，黃安平等［1］指出，我國(guó)的超高分子量聚乙烯的年生產(chǎn)增長(zhǎng)率突破30%，因此迫切需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。鄭高飛等［2］研究了濕度含量對(duì)高分子材料力學(xué)性能的影響。黨智敏等［3］研究了熱處理對(duì)聚乙烯性能的影響。張世明等［4］研究紫外線對(duì)高分子材料影響，分析光氧化過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)是交聯(lián)和化學(xué)鍵斷裂交替進(jìn)行的，分子鏈斷裂最終導(dǎo)致聚合物分子量減小，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷，從而使高分子材料力學(xué)性能降低。高俊剛等［5］測(cè)試紫外老化400 h和1 030 h的LLDPE（線型低密度聚乙烯）材料的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)未達(dá)到屈服而直接斷裂，對(duì)于mPE/TiO2，LLDPE/ZnO復(fù)合材料，相同紫外老化時(shí)間下，拉伸強(qiáng)度變化緩慢，拉伸強(qiáng)度保持率較高。郭鳳玲等［6］對(duì)大棚用膜聚乙烯和摻雜復(fù)合納米粒子（TiO2、ZnO、SiO2等）的聚乙烯改性膜做紫外老化對(duì)比實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)28個(gè)月暴曬后，發(fā)現(xiàn)未添加復(fù)合納米粒子改性的聚乙烯材料的斷裂伸長(zhǎng)率保留率僅為40%，而摻雜納米復(fù)合粒子的聚乙烯膜的斷裂伸長(zhǎng)率保留率維持在80%左右，耐紫外老化能力提高較大。然而，目前對(duì)于高原強(qiáng)紫外線下超高分子量聚乙烯材料（UHMWPE）性能的研究較少，我國(guó)的青藏高原、黃土高原以及云貴高原等地區(qū)紫外線輻射強(qiáng)，因此，對(duì)高原強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)而言，研究強(qiáng)紫外線下超高分子量聚乙烯的材料力學(xué)性能有著實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文依據(jù)超高分子量聚乙烯材料的應(yīng)用范圍及其特點(diǎn)，采用掃描透射電鏡（SEM）觀察經(jīng)過(guò)強(qiáng)紫外線老化處理的超高分子量聚乙烯試樣表面微觀特性，分析研究微觀機(jī)理，同時(shí)，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試應(yīng)力（σ）-應(yīng)變（ε）曲線，分析該材料的斷后伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量與強(qiáng)紫外照射時(shí)長(zhǎng)關(guān)系，并對(duì)老化處理后的試樣采用ANSYS軟件進(jìn)行疲勞壽命分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試樣

對(duì)300萬(wàn)分子量超高分子量聚乙烯板原材料選取標(biāo)準(zhǔn)試樣設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行銑床加工，如圖1所示，其厚度為9.6 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)以恒溫紫外線強(qiáng)度為基本要點(diǎn)，研究強(qiáng)紫外線環(huán)境下高分子聚乙烯材料老化拉伸實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)性能，為強(qiáng)紫外地區(qū)的高分子材料使用壽命的預(yù)測(cè)以及強(qiáng)度校核提供參考。

依據(jù)文獻(xiàn)［7］，自然條件下太陽(yáng)光年輻射量按照最高值取值:7 000 MJ/m2，紫外線按照自然太陽(yáng)光輻射的6%取值:420 MJ/m2。為能夠使實(shí)驗(yàn)過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，將該實(shí)驗(yàn)試樣放置在紫外線強(qiáng)度約為200 W/m2的試驗(yàn)箱中進(jìn)行老化處理。

實(shí)驗(yàn)箱模擬時(shí)間所依據(jù)的基本原理公式為:

實(shí)驗(yàn)箱紫外線模擬時(shí)間=自然紫外線輻射總量/試驗(yàn)箱紫外強(qiáng)度。

故模擬一年紫外線照射時(shí)間:420 ×106（J/m2）/200（W/m2）=2.1 ×106s，合為583 h。

本文根據(jù)上述換算關(guān)系，設(shè)置等效強(qiáng)紫外線照射時(shí)長(zhǎng)分別為 20、40、60、80、100、120、140、160、180 h，對(duì)試樣進(jìn)行老化處理。未經(jīng)任何處理的材料試樣作為參比樣品:記為0 h，試樣測(cè)試室溫處于25℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 老化處理對(duì)材料表觀的影響

上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行老化處理，老化處理過(guò)程中，試樣主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面（圖2）的變化:（1）試樣顏色變黃，顏色的變化在老化處理后不久就出現(xiàn)，并且隨著后期處理時(shí)間的延長(zhǎng)顏色的變化不明顯。（2）試樣表面變得粗糙，失去滑膩感，有輕微的磨砂感。

采用掃描透射電鏡將老化處理0、20、40、60 h試樣放大至100μm觀察表面微觀形態(tài)，如圖3所示。可知未處理的試樣圖像明亮，試樣表面雖偶有瑕疵，并沒(méi)有大的縱向裂紋，但是老化處理后的試樣圖像光線較為暗淡，有較多的裂紋，呈撕裂狀，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著紫外照射時(shí)長(zhǎng)不同，裂紋數(shù)及長(zhǎng)度不同，表面龜裂程度增加。

2.2 老化實(shí)驗(yàn)對(duì)材料的力學(xué)性能的影響

通過(guò)對(duì)不同時(shí)長(zhǎng)強(qiáng)紫外線照射材料進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，外載荷采用300 N環(huán)境條件，在拉伸過(guò)程中從微觀角度觀察并分析試樣的斷裂形態(tài)。對(duì)比分析老化處理前、后試樣微觀結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，如圖4所示。未經(jīng)紫外處理的試樣，表面沒(méi)有裂縫，因此呈現(xiàn)較高的塑性，在拉伸時(shí)伸長(zhǎng)率非常高，由于沒(méi)有裂縫，試樣不斷伸長(zhǎng)，出現(xiàn)一條較細(xì)的拉伸段，并在最后由于截面面積過(guò)小被拉斷，始終沒(méi)有出現(xiàn)裂縫（圖4a）。老化處理試樣在斷裂時(shí)呈現(xiàn)爆裂狀態(tài)，而處理后的試樣表面出現(xiàn)凹痕，正是這些凹痕的出現(xiàn)，使得試樣在受力拉伸時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中［8］，容易在多處出現(xiàn)裂縫，使得試樣的塑性減小甚至喪失，隨著應(yīng)力的增大，裂縫逐漸展開(kāi)，最后出現(xiàn)多條寬度較大的裂縫，并沿其中一條裂縫突然斷裂，因此其斷裂形態(tài)呈圖4b所示狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)不同照射時(shí)長(zhǎng)每組3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，取平均值繪制如圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，由圖中可以看出，不同照射時(shí)長(zhǎng)的試件性質(zhì)發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致材料力學(xué)性能有所不同。

未處理的試樣拉伸時(shí)曲線與高聚物應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似，先是試樣經(jīng)受小變形，呈彈性階段，繼而隨著應(yīng)變的增大，試樣出現(xiàn)塑性變形，曲線開(kāi)始偏離直線軌跡，但總體上仍然是隨著應(yīng)力的增大應(yīng)變?cè)龃?。隨后，試驗(yàn)中觀察到試樣出現(xiàn)了一個(gè)拉伸的長(zhǎng)柱段，這一階段出現(xiàn)后，試樣進(jìn)入屈服階段，應(yīng)力值有所減小而應(yīng)變迅速增加，這是由于長(zhǎng)柱出現(xiàn)以后，受力面積減小，長(zhǎng)柱的承載能力降低導(dǎo)致的。這一階段之前的長(zhǎng)柱形成階段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而減少［9］。

處理過(guò)的試樣，單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的整體趨勢(shì)沒(méi)有明顯的屈服階段，對(duì)應(yīng)地，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中也沒(méi)有出現(xiàn)屈服階段的柱狀體。在拉伸過(guò)程中試樣不久便出現(xiàn)裂縫，裂縫的出現(xiàn)使試樣的彈性喪失，呈現(xiàn)曲線形態(tài)，隨后裂縫增大，使得試樣屈服，裂縫越來(lái)越大，應(yīng)力值不增大而應(yīng)變急速增大，最終破壞。

圖6表明試樣隨紫外線的照射時(shí)長(zhǎng)變化其表面裂紋長(zhǎng)度和斷裂時(shí)的最大力的變化。不難發(fā)現(xiàn)，試樣表面裂紋長(zhǎng)度大致相同的試樣，其斷裂時(shí)最大力隨著照射時(shí)長(zhǎng)先增加后趨于穩(wěn)定，而試樣隨紫外線的照射時(shí)長(zhǎng)表面裂紋長(zhǎng)度與試樣的力學(xué)性能有一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

將UHMWPE的拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)、材料的拉伸彈性模量變化、材料斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率［10］進(jìn)行縱向?qū)Ρ炔牧狭W(xué)性能的變化情況，繪制如圖7所示的曲線圖，其計(jì)算公式如下:

式中，l:試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度；

l0:原標(biāo)距長(zhǎng)度；

n:長(zhǎng)試樣和短試樣的標(biāo)志。

紫外輻照造成UHMWPE拉伸強(qiáng)度總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定；拉伸彈性模量開(kāi)始穩(wěn)定，然后經(jīng)歷微幅下降后突然升高最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)；總的結(jié)果是斷裂伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)。

2.3 疲勞壽命分析

（1）有限元模型、網(wǎng)格劃分、邊界條件。依據(jù)掃描透射電鏡對(duì)老化處理的高分子聚乙烯試樣觀察側(cè)面，結(jié)果如圖8a所示，試樣微缺陷清晰可見(jiàn)，以此為依據(jù)對(duì)材料進(jìn)行ANSYS有限元建模，其缺陷深度取平均值，間距取兩缺陷之間距離，建立模型10 mm×9.6 mm，如圖8b所示，材料屬性楊氏模量為0.6E2，泊松比0.46［11］，采用8節(jié)點(diǎn)二維實(shí)體單元（PLANE183）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8c所示，邊界條件設(shè)置采用模型水平X方向左端固定，右端施加均布靜荷載拉力為300 N的約束。

（2）有限元應(yīng)力分析。通過(guò)ANSYS計(jì)算得到如圖9所示的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D，最大應(yīng)力強(qiáng)度（圖9a MX）位置發(fā)生在節(jié)點(diǎn)號(hào)為55的節(jié)點(diǎn)上，該位置也是疲勞發(fā)生位置，應(yīng)力值為2.094 87 GPa，最大應(yīng)變值為0.037 852 mm。

（3）疲勞壽命計(jì)算。ANSYS疲勞分析進(jìn)入后處理片POST1，恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，提取最大節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)號(hào)55）應(yīng)力并將其儲(chǔ)存，確定循環(huán)次數(shù)，最后采用Miner疲勞積累理論計(jì)算疲勞壽命并查看結(jié)果。

UHMWPE疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)關(guān)鍵的疲勞性質(zhì)是材料S-N曲線［12］，如圖10所示。

設(shè)計(jì)存儲(chǔ)一個(gè)事件的兩個(gè)荷載，設(shè)定事件的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)行疲勞計(jì)算，疲勞分析輸出允許的疲勞循環(huán)次數(shù)和疲勞使用系數(shù)見(jiàn)ANSYS分析結(jié)果:

PERFORM FATIGUE CALCULATION AT LOCATION 1 NODE 0

***POST1 FATIGUE CALCULATION***

LOCATION1NODE55

EVENT/LOADS11AND12

PRODUCE ALTERNATING SI（SALT）=2.363 2

WITH TEMP=0.000 0

CYCLESUSED/ALLOWED=0.100 0E+06/0.109 1E+08=PARTIAL USAGE=0.009 16

CUMULATIVE FATIGUEUSAGE=0.009 16

對(duì)不同老化材料進(jìn)行疲勞壽命分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在微缺陷情況下不考慮彈塑性影響材料疲勞壽命是不變的，從而得出，強(qiáng)紫外輻射對(duì)UHMWPE材料疲勞壽命產(chǎn)生影響較小。

3 討論與結(jié)論

高分子材料由于陽(yáng)光、水、氧氣以及腐蝕性氣體的侵害易引發(fā)降解，這樣很容易縮短高分子材料的使用壽命［16］。能夠吸收紫外線的高分子材料，特別是含有重鍵（如羰基）的高分子，能直接吸收紫外光，容易引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，使材料喪失原有的性能［17］。目前有很多學(xué)者已經(jīng)致力于高分子材料光氧老化的機(jī)理和防治［18］的研究。本文通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)老化處理的試樣在拉伸試驗(yàn)時(shí)有較大的性質(zhì)變化，具體呈現(xiàn)出試樣表面失去光澤，在紫外線作用下UHMWPE產(chǎn)生裂紋，并隨著輻射時(shí)長(zhǎng)增加裂紋密度增加，主裂紋長(zhǎng)度先增加后減小，這與劉穎［13］研究結(jié)果基本一致；紫外線輻照影響材料拉伸破壞形式呈現(xiàn)爆破狀，拉伸曲線屈服階段消失，斷裂位移迅速減小并趨于穩(wěn)定，這與高俊剛等［15］測(cè)試紫外線老化400 h和1 030 h的LLDPE（線型低密度聚乙烯）材料的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)未達(dá)到屈服而直接斷裂結(jié)果吻合。此次實(shí)驗(yàn)研究隨著照射時(shí)長(zhǎng)的增加，能承受的最大力先伸高，最后趨于穩(wěn)定；拉伸強(qiáng)度逐步增強(qiáng)，最后趨于穩(wěn)定；斷裂伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)；拉伸彈性模量先穩(wěn)定然后經(jīng)歷微幅下降最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，這與張世明等［14］測(cè)試經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間紫外線老化會(huì)引起高分子材料的拉伸強(qiáng)度、相對(duì)伸長(zhǎng)率、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、應(yīng)力松弛等力學(xué)性能降低的結(jié)果一致；此外，強(qiáng)紫外線輻射并不會(huì)對(duì)UHMWPE材料疲勞壽命產(chǎn)生影響。