摘要 以實(shí)驗(yàn)室合成的低纏結(jié)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）及11種商用UHMWPE樹(shù)脂為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)探究了熔體纏結(jié)度（GtN）對(duì)UHMWPE凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，并將之與沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纏結(jié)度增加，結(jié)晶度（Xm）變化較小，結(jié)晶活化能（？E）先減小后增大； 在凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)上，片晶長(zhǎng)周期（l）隨纏結(jié)度的變化表現(xiàn)出與結(jié)晶活化能類似的現(xiàn)象。 在纏結(jié)度較高的區(qū)域，l與纏結(jié)度具有指數(shù)相關(guān)性，纏結(jié)度越高，片晶厚度越大； 最后，將凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與沖擊強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)UHMWPE的缺口沖擊強(qiáng)度與非晶區(qū)厚度表現(xiàn)出負(fù)線性相關(guān)性，線性擬合系數(shù)達(dá)0. 94，即非晶區(qū)厚度越小，UHMWPE沖擊強(qiáng)度越高。

關(guān)鍵詞 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯；分子鏈纏結(jié)；長(zhǎng)周期；凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)；沖擊強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：O631. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0518（2025）01-0058-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2020YFC1106903）和中國(guó)科學(xué)院威高計(jì)劃（No. 2023QT03）資助

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）是一種分子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的工程塑料，因其具有自潤(rùn)滑、耐磨損、耐沖擊和強(qiáng)度高等獨(dú)特性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路、生物醫(yī)療和航天軍備等重要領(lǐng)域。 在眾多工程塑料之中，UHMWPE的抗沖擊性能極其優(yōu)異[1-2]。 值得注意的是，盡管工業(yè)UHMWPE均采用Ziegler-Natta催化劑制備，且均具有很低的支化率和近似一致的結(jié)晶度（Xm），但卻表現(xiàn)出顯著不同的沖擊強(qiáng)度[3]。Zhang等[4]選取2種黏均相對(duì)分子質(zhì)量約5. 6×10⁶、簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度分別為43和144 kJ/m2的UHMWPE樹(shù)脂作為研究對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)考察結(jié)晶結(jié)構(gòu)、分子鏈的纏結(jié)度（GtN，纏結(jié)度是指單位體積或者單位重量的材料內(nèi)部的纏結(jié)點(diǎn)數(shù)量，與纏結(jié)點(diǎn)間相對(duì)分子質(zhì)量成反比，并正比于流變學(xué)中測(cè)試的歸一化儲(chǔ)能模量GtN，因此，本文采用GtN代表纏結(jié)度）和樹(shù)脂粉粒徑等因素，指出降低纏結(jié)度和樹(shù)脂粉粒度是提高UHMWPE沖擊強(qiáng)度的關(guān)鍵。 本研究小組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量接近時(shí)，UHMWPE板材的沖擊強(qiáng)度與纏結(jié)度和長(zhǎng)周期（l）高度相關(guān)[3]。 此外，對(duì)比上海化工研究院有限公司、三井化學(xué)株式會(huì)社、大韓油化工業(yè)株式會(huì)社和塞拉尼斯等公司的產(chǎn)品物性手冊(cè)（參考官方網(wǎng)站公開(kāi)的產(chǎn)品信息），可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)分子質(zhì)量也是影響UHMWPE沖擊強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。 當(dāng)UHMWPE的黏均相對(duì)分子質(zhì)量在1. 5×10⁶～3. 0×10⁶之間時(shí)，其缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最高值，之后隨著黏均相對(duì)分子質(zhì)量的增加，沖擊強(qiáng)度越來(lái)越低。

纏結(jié)度是影響UHMWPE結(jié)晶行為的一個(gè)重要因素。 Li等[5]發(fā)現(xiàn)在分子鏈中引入少量的丁烯共聚單體后，UHMWPE的纏結(jié)度降低，結(jié)晶度基本不變，片晶厚度明顯降低，沖擊強(qiáng)度顯著提升。 范仲勇等[6]指出纏結(jié)度越高，UHMWPE的熔體結(jié)晶溫度（Tc）越低。 Lippits等[7]在研究低纏結(jié)UHMWPE的結(jié)晶行為時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論，即UHMWPE熔體在125 ℃等溫結(jié)晶時(shí)，纏結(jié)度越高，起始結(jié)晶所需的時(shí)間越長(zhǎng)。 Liu等[8]發(fā)現(xiàn)解纏樣品在特定溫度下等溫結(jié)晶一段時(shí)間后，它的熔融溫度會(huì)升高，同時(shí)結(jié)晶度則會(huì)降低。 董澎等[9]使用低纏結(jié)的UHMWPE為研究樣本，發(fā)現(xiàn)在相同的壓力和時(shí)間因素下，UHMWPE纏結(jié)度越低，結(jié)晶度和熔點(diǎn)越高。 在低纏結(jié)度的情況下，通過(guò)等溫結(jié)晶，可獲得高結(jié)晶度和高力學(xué)性能（高斷裂伸長(zhǎng)率、高拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度）的UHMWPE板材。 在結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方面，Zhu等[10]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了纏結(jié)度會(huì)影響聚合物的成核速率。 Bu等[11]發(fā)現(xiàn)由于纏結(jié)較少的聚合物鏈更容易折疊到晶體中，解纏聚合物會(huì)比高纏結(jié)聚合物表現(xiàn)出更快的結(jié)晶速度。 作為一種典型的半晶高分子材料，結(jié)晶行為的變化必將引起UHMWPE沖擊強(qiáng)度的改變。 但纏結(jié)度怎樣影響UHMWPE結(jié)晶行為的，進(jìn)而決定其抗沖擊強(qiáng)度這一問(wèn)題尚未有系統(tǒng)地探討。

鑒于此，本文采用自制的低纏結(jié)UHMWPE和大量市售樣本為研究對(duì)象，首選探究纏結(jié)度對(duì)UHMWPE的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，再將相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與缺口沖擊強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，期望通過(guò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究，為后續(xù)高沖擊強(qiáng)度UHMWPE材料制備提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 儀器和試劑

MCR702型流變儀（奧地利Anton Paar公司）；DSC Q2000型差示掃描量熱儀（DSC，美國(guó)TA公司）；S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日本日立公司）；Xeuss型小角X射線散射裝置（SAXS，法國(guó)Xenocs公司）；XJU-5. 5型懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)（承德試驗(yàn)機(jī)廠）；IV6100H型高溫烏氏黏度計(jì)（杭州卓祥科技有限公司）。

1. 2 流變性能表征

商用UHMPWE纏結(jié)度較高，熔點(diǎn)以下熱壓成型缺陷較多，必須在熔融狀態(tài)下制樣才能獲得滿足測(cè)試要求的樣片。 制樣方法簡(jiǎn)要敘述如下： 首先，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 0%的抗氧劑1010溶于丙酮中，與UHMWPE樹(shù)脂粉混合均勻。 混合好的樹(shù)脂粉在通風(fēng)櫥內(nèi)放置過(guò)夜，自然揮發(fā)去除大部分溶劑，再于30 ℃的真空烘箱中進(jìn)一步干燥360 min，制備得到抗氧化樹(shù)脂粉。 將4. 6 g上述樹(shù)脂粉投入到自制的70 mm×70 mm的模具腔中，鋪整均勻，置于鎖模力為50 t的熱壓機(jī)（RYJ-600EG1，上海新諾儀器集團(tuán)有限公司）中，緩慢加壓至面壓力為7～10 MPa，并以2 ℃/min的速度升溫至200 ℃，保持壓力60 min，然后以2 ℃/min的速度降溫至80 ℃以下脫模，冷卻至室溫備用，樣片厚度約為1 mm。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室合成的dis-PE-600，在模具中常溫下加壓一定時(shí)間即可使其成型為透明無(wú)缺陷的樣片（這一現(xiàn)象是低纏結(jié)樹(shù)脂的獨(dú)特特征[12-13]）。 具體制樣過(guò)程如下： 同樣將0. 75 g樣品粉末與1%的抗氧劑1010混合均勻，徹底干燥后，投入到腔體尺寸為20 mm×40 mm的自制模具中，置于熱壓機(jī)中，緩慢加壓至面壓力為7～10 MPa，保持30 min，脫模取出，樣片厚度約為1. 0 mm。

使用直徑為8 mm的圓型裁刀沖切制備流變測(cè)試片。 測(cè)試條件如下： 在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將樣品置于直徑為8 mm平行板夾具中，快速升溫至160 ℃，設(shè)定載荷為4 N，頻率10 rad/s，應(yīng)變0. 5%（保持樣品在線彈性區(qū)間內(nèi)），對(duì)樣品進(jìn)行時(shí)間掃描（dis-PE-600掃描時(shí)間300 min，商用UHMWPE掃描時(shí)間60 min）。

1. 3 結(jié)晶度及非等溫結(jié)晶活化能測(cè)試

1. 6 缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試

將126 g UHMWPE樹(shù)脂粉投入到150 mm×150 mm的模具腔中，置于熱壓機(jī)中，緩慢加壓至面壓力為7～10 MPa，并以2 ℃/min的速度升溫至200 ℃，保持壓力60 min，然后以2 ℃/min的速度降溫至80 ℃以下脫模。 冷卻至室溫備用，樣板厚度約為6 mm。 根據(jù)《ASTM F468-2014外科植入用超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯粉末和制品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行懸臂梁雙缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，每個(gè)樣品平行測(cè)試3～5次，結(jié)果為平均值。

2 結(jié)果與討論

2. 1 UHMWPE纏結(jié)度的表征

2. 2 纏結(jié)對(duì)熔體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

在詳細(xì)表征12種UHMWPE樣品的纏結(jié)度后，繼續(xù)測(cè)試了它們的熔體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，以期通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)樣品研究，揭示纏結(jié)度與熔體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系。

將dis-PE-600熔體在160 ℃下保持0、15、30、60、180、240和300 min，再以2 ℃/min降溫速率降至室溫，獲得不同纏結(jié)度的實(shí)驗(yàn)樣品。 圖2A給出了dis-PE-600在不同纏結(jié)度下的結(jié)晶度，可以發(fā)現(xiàn)，它們均在62%～64%之間，說(shuō)明纏結(jié)度對(duì)結(jié)晶度影響較小。 另外，采用基辛格法測(cè)試了不同纏結(jié)度的dis-PE-600樣品的非等溫結(jié)晶活化能（ΔE）（圖2B）。 從圖2B結(jié)果來(lái)看，在RⅠ階段纏結(jié)度很低的情況下，ΔE值相對(duì)較大，可能的原因是分子鏈處于熔體爆炸初期，活躍性很強(qiáng)，分子鏈折疊后又會(huì)很快從晶格中脫離，晶體生長(zhǎng)和成核相對(duì)較難，所以表現(xiàn)為ΔE值相對(duì)較大。 但在RⅠ階段后期和RⅡ階段，隨著熔體纏結(jié)度的增加，ΔE逐漸增大，即纏結(jié)度越高，UHMWPE越難結(jié)晶，這與文獻(xiàn)[8，27-28]報(bào)道一致。

半結(jié)晶高分子材料從微觀上可以看作由晶區(qū)和非晶區(qū)兩相層狀結(jié)構(gòu)堆積構(gòu)成，這種層狀堆積的周期性可以用長(zhǎng)周期（l）表征。 圖2B給出了dis-PE-600在不同纏結(jié)度下的結(jié)晶活化能ΔE和長(zhǎng)間隔周期（l）與GtN之間的關(guān)系。 可以看到，在RⅠ階段，即纏結(jié)度快速增長(zhǎng)期，l隨纏結(jié)度的增加而降低； 在RⅡ階段，l隨纏結(jié)度的增加而增大。由于整個(gè)階段樣品的結(jié)晶度變化很小，這一結(jié)果表明，一方面，鏈段擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)晶界面所需活化能的增加使得聚合物中分子鏈遷移率降低，鏈段擴(kuò)散至結(jié)晶界面更加困難，因而不利于晶體長(zhǎng)大； 另一方面，形成穩(wěn)定晶核所需活化能的增加使得成核勢(shì)壘增大，不利于成核，因此成核位點(diǎn)減少，晶核之間的限制減小，更有利于晶體生長(zhǎng)。 纏結(jié)度增加，成核的限制和鏈遷移的限制對(duì)晶體的長(zhǎng)周期具有截然相反的影響。 在RⅠ階段，隨著纏結(jié)度的增加，分子鏈遷移率的降低對(duì)l的影響大于成核勢(shì)壘增加對(duì)l的影響，整體表現(xiàn)為纏結(jié)度增加，l降低。 在RⅡ階段，纏結(jié)度增加，成核位點(diǎn)進(jìn)一步減少，晶體生長(zhǎng)空間足夠大，此時(shí)成核勢(shì)壘增加對(duì)ldis的影響大于分子鏈遷移率的降低對(duì)l的影響，整體表現(xiàn)為纏結(jié)度增加，l增大。

為了更深一步探究纏結(jié)對(duì)熔體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步測(cè)試了纏結(jié)度不同的UHMPWE的Xm、ΔE和長(zhǎng)周期l。 圖3A是Xm與纏結(jié)度之間的關(guān)系圖。 其中，低纏結(jié)度的dis-PE-600和PE-150-0. 54的結(jié)晶度最高，結(jié)晶度約為60%。 其它商用UHMWPE樣品的結(jié)晶度在45%～55%之間，說(shuō)明低纏結(jié)有利于UHMWPE結(jié)晶度的增加。 但當(dāng)纏結(jié)度較高時(shí)，纏結(jié)度對(duì)UHMWPE結(jié)晶度的影響不大。 圖3B給出了系列商用UHMPWE樣品的結(jié)晶活化能與纏結(jié)度的關(guān)系，ΔE隨著纏結(jié)度的降低而減小。 但是對(duì)于纏結(jié)度低的dis-PE-600和PE-150-0. 54，其ΔE并非處于最低值。 這一現(xiàn)象與上文中有關(guān)dis-PE-600的研究結(jié)果一致。 圖3C展示了長(zhǎng)周期l與熔體纏結(jié)度的關(guān)系。 可以看出，UHMWPE的相對(duì)分子質(zhì)量與纏結(jié)度相關(guān)性很弱，但長(zhǎng)周期與纏結(jié)度強(qiáng)烈相關(guān)，UHMWPE樣品的纏結(jié)度越高，其長(zhǎng)周期值越大，且長(zhǎng)周期與纏結(jié)度呈現(xiàn)近似指數(shù)函數(shù)的相關(guān)性。 這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同樣與上文中有關(guān)dis-PE-600的研究結(jié)果一致，說(shuō)明分子鏈纏結(jié)對(duì)UHMWPE結(jié)晶的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即纏結(jié)對(duì)晶體生長(zhǎng)的抑制作用相對(duì)于其對(duì)成核的抑制作用更加薄弱，纏結(jié)度越高，成核勢(shì)壘越高，成核位點(diǎn)少，有利于晶粒向外生長(zhǎng)，片晶長(zhǎng)周期更長(zhǎng)。

為了驗(yàn)證以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步使用酸刻蝕法去除非晶相，通過(guò)SEM觀測(cè)了商用UHMPWE的相結(jié)構(gòu)形貌（圖4）。 圖4中的SEM圖按照纏結(jié)度由高到低的順序依次排列，可以觀察到，熔體纏結(jié)度越高，UHMWPE的晶區(qū)形貌越清晰，晶區(qū)與非晶區(qū)的堆積結(jié)構(gòu)更加松散。 進(jìn)一步使用Nano Measure軟件統(tǒng)計(jì)分析了片晶層間距（即長(zhǎng)周期l），結(jié)果見(jiàn)圖4L，從整體趨勢(shì)而言，樣品的熔體纏結(jié)度越高，片晶層間距越小，這一規(guī)律與SAXS結(jié)果吻合。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，做出如圖5所示的示意圖： 當(dāng)UHMWPE的纏結(jié)度較低時(shí)，其熔體在降溫結(jié)晶過(guò)程中更容易成核，大量晶核的形成使得晶體生長(zhǎng)到一定程度時(shí)沒(méi)有足夠的空間向外長(zhǎng)大，晶區(qū)堆積更加緊密，長(zhǎng)周期更小。 反之，纏結(jié)度高時(shí)，由于成核位點(diǎn)減少，晶體有足夠的空間長(zhǎng)大，晶區(qū)堆積更加松散，長(zhǎng)周期更大。

2. 3 凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)商用UHMWPE沖擊性能的影響

圖6是系列商用UHMWPE的雙缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果，從圖6中可以觀察到，沖擊強(qiáng)度和相對(duì)分子質(zhì)量沒(méi)有明顯的依賴關(guān)系。 之前很多研究認(rèn)為UHMWPE的機(jī)械性能與相對(duì)分子質(zhì)量強(qiáng)烈相關(guān)[29-30]。 如Kurtz[30]指出UHMWPE的耐磨性、拉伸性能和抗沖擊性高度依賴于相對(duì)分子質(zhì)量，黏均相對(duì)分子質(zhì)量在2. 4×106到3. 3×106時(shí)沖擊強(qiáng)度最大。 結(jié)晶度是被認(rèn)為影響UHMWPE抗沖擊強(qiáng)度的另一個(gè)關(guān)鍵因素。 胡逸倫等[31]采用不同熱處理方式來(lái)改變UHMWPE的結(jié)晶度，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶度降低能夠增加樣品的抗沖擊強(qiáng)度。 然而本研究發(fā)現(xiàn)PE-150-0. 54板材的結(jié)晶度高達(dá)58%（圖3A），顯著高于其他樣品，但其沖擊強(qiáng)度卻高達(dá)176. 2 kJ/m2，表明較大結(jié)晶度的UHMWPE仍然可以具有優(yōu)異的抗沖擊性能。

由于分子鏈纏結(jié)能夠顯著影響UHMWPE結(jié)晶尺寸及結(jié)晶形態(tài)，而材料的物理性能與其凝聚體結(jié)構(gòu)直接相關(guān)[32-34]，在此進(jìn)一步研究了UHMWPE的抗沖擊強(qiáng)度與其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 圖7A展示了UHMWPE沖擊強(qiáng)度與長(zhǎng)周期l的關(guān)系，二者表現(xiàn)出強(qiáng)烈的線性相關(guān)性，線性擬合決定系數(shù)（R2）高達(dá)0. 91。 這表明對(duì)于UHMWPE而言，在本文的成型條件下，其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)是影響沖擊強(qiáng)度的主要因素。

為了進(jìn)一步區(qū)分晶區(qū)與非晶區(qū)厚度對(duì)UHMWPE抗沖擊強(qiáng)度的影響，通過(guò)公式（4）和公式（5）求得晶區(qū)厚度lc及非晶區(qū)厚度la（SAXS原始數(shù)據(jù)見(jiàn)輔助材料）。 圖7B和7C分別給出了lc和la與抗沖擊強(qiáng)度的關(guān)系圖，相應(yīng)地，二者的線性擬合R2分別為0. 76和0. 94，這說(shuō)明UHMWPE的沖擊強(qiáng)度與非晶區(qū)的尺寸更加相關(guān)，分子鏈纏結(jié)、相對(duì)分子質(zhì)量等因素對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響源自于它們對(duì)非晶區(qū)尺寸的調(diào)控。

由于缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，沖擊力的作用時(shí)間尺度非常小（角速度約為10 rad/s），很難進(jìn)行原位觀測(cè)，因此UHMWPE的抗沖擊機(jī)制研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于拉伸形變機(jī)制的研究。 我們知道聚乙烯的拉伸形變行為一般首先發(fā)生在非晶區(qū)域[35-37]，如圖7D所示，對(duì)于沖擊斷裂過(guò)程，沖擊力相當(dāng)于極快的拉力作用，同樣可以認(rèn)為沖擊形變首先發(fā)生在非晶區(qū)域。 如前探討的沖擊強(qiáng)度對(duì)凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的依賴性，非晶區(qū)厚度更小時(shí)，晶區(qū)對(duì)非晶區(qū)的限制作用更強(qiáng)[38]，靠近晶區(qū)的分子鏈更不容易變形，而對(duì)于緊密堆積的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)使得非晶區(qū)的分子鏈限制在周圍晶區(qū)附近，由于晶區(qū)的限制，更不容易產(chǎn)生片晶滑移及剪切，即更不容易形成缺陷，因而沖擊強(qiáng)度更高。 反之，非晶區(qū)更大時(shí)，非晶區(qū)內(nèi)距離晶區(qū)更遠(yuǎn)的分子鏈?zhǔn)艿骄^(qū)的限制作用較小，極短時(shí)間內(nèi)外力作用下變形較大，更容易發(fā)生片層的滑移及剪切，形成較大缺陷，使分子鏈斷裂過(guò)程加速，因而沖擊強(qiáng)度低。

3 結(jié) 論

以自制的低纏結(jié)UHMWPE和商品化的系列UHMWPE樣品為探究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了纏結(jié)度對(duì)UHMWPE結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，并將凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)特征與宏觀力學(xué)性能抗沖擊強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。 結(jié)果表明，纏結(jié)度影響UHMWPE的結(jié)晶活化能，但是結(jié)晶活化能并非隨著纏結(jié)度的增大而單調(diào)增加，在纏結(jié)度較低時(shí)，結(jié)晶活化能有所增加。 UHMWPE的長(zhǎng)周期與纏結(jié)度呈近似指數(shù)函數(shù)關(guān)系，長(zhǎng)周期隨著纏結(jié)度的增加而增長(zhǎng)。 UHMWPE的缺口沖擊強(qiáng)度與結(jié)晶度相關(guān)不強(qiáng)，而與長(zhǎng)周期大小及非晶區(qū)厚度呈現(xiàn)較高的負(fù)線性相關(guān)度。 考慮到纏結(jié)度與長(zhǎng)周期之間的關(guān)聯(lián)，可以預(yù)期調(diào)控纏結(jié)度是改善UHMWPE缺口沖擊強(qiáng)度的有效手段。

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Effect of Entanglement Degree on Condensed State Structure and Impact Strength of Ultra-High Relative Molecular Mass Polyethylene

SONG Xin-Yue1，2， HU Ben-Min1，2， MENG Shuai2， SHI Heng-Chong1，2， SHI De-An3，WANG Zhao-Yang2*， YANG Hua-Wei2*， LUAN Shi-Fang1，2

1（State Kay Laboratory of Polymer Physics and Chemistry， Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences， Changchun 130022， China）2（School of Applied Chemistry and Engineering， University of Science and Technology of China，Hefei 230026， China）3（Hubei Key Laboratory of Polymer Materials， School of Materials Science and Engineering，Hubei University， Wuhan 43006， China）

Abstract A disentangled ultra-high relative molecular mass polyethylene （UHMWPE） together with 11 commercial samples were systematically studied to investigate the influence of entanglement on the condensed state structure and to correlate the condensed state structure of UHMWPE to its impact strength. It was found that with the increase of entanglement degree the crystallization activation energy decreases at first and then grows rapidly，while the degree of crystallinity is not influenced greatly. The long spacing period of UHMWPE behavior the same trend of crystallization activation energy with the growth of entanglement degree. High degree of melt entanglement will promote UHMWPE to have thick lamellar stacking structure. Finally， by correlating the condensed state structure with the impact strength， it is discovered that there is a strong linear correlation between the impact strength and the thickness of the amorphous phase with a goodness of fit up to 0. 94. The impact strength of UHMWPE can be improved by reducing the thickness of the amorphous region.

Keywords Ultra-high molecular mass polyethylene； Entanglement； Long spacing period； Condensed state structure； Izod notched impact strength

Received 2024？05？31； Accepted 2024？11？28

Supported by the National Key Research and Development Program of China （No. 2020YFC1106903） and the Weigao Plan of Chinese Academy of Sciences （No. 2023QT03）