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FQ课题组文献速报:高结晶度实现交联UHMWPE的优异耐磨性能
发布时间:2023-07-12

高结晶度实现交联UHMWPE的优异耐磨性能


王梓睿,李权,陈显春*,张琴,王柯*


   辐照交联是改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)耐磨性能的主要方法。而UHMWPE作为半晶性聚合物,其结晶结构同样会显著影响抗磨损行为;由于难以获得宽范围的结晶度,没有针对交联与结晶协同增强改进耐磨性的系统研究。

       本工作采用低缠结树脂粉末以及改变加工热历史,实现UHMWPE结晶度在较宽范围内变化(44%~56%),并利用g射线辐照形成分子链间交联,从几个方面探讨了结晶对交联UHMWPE耐磨性能的重要性。(1)将结晶度相近但分子量不同的样品经过辐照处理后,磨损率没有随着分子量提高一直连续降低,分子量对耐磨性能的作用效果有限。(2)对于分子量一致而结晶度不同的辐照交联样品,随着结晶度不断增加,磨损率逐渐降低,最高降幅达到-39%,表明耐磨性能对晶区含量非常敏感。(3)低结晶度(44%)和高结晶度(56%)样品分别进行不同剂量辐照处理;在100kGy剂量下,低结晶度样品的磨损率降低不明显(-12%),而高结晶度时降低幅度达到-22%,意味着在高结晶度下进行交联对于改善耐磨性效率更高。此外,在结晶度相近情况下,改变晶片厚度、有序长周期、厚/薄晶片分布等结晶微观结构,基本不影响磨损率,说明结晶结构因素中结晶度对耐磨性能起到主导作用。根据上述结果,我们提出了利用高结晶度改进交联UHMWPE耐磨损性的有效新策略,对于发展高性能人工关节假体材料有潜在应用价值。


图1. 不同分子量的超高分子量聚乙烯经过γ-辐照后的结晶度(a)和体积磨损率(b)



图2. 不同结晶度的超高分子量聚乙烯在γ-辐照后的体积磨损率和交联密度


图3. 不同结晶度的超高分子量聚乙烯经过γ-辐照后的磨损表面


图4. 不同冷却方法制备的超高分子量聚乙烯的体积磨损率


图5. UHMWPE的体积磨损率与辐照剂量的关系


     相关成果以“High crystallinity makes excellent wear resistance in crosslinked UHMWPE”为题发表在期刊《Polymer》上,四川大学高分子学院硕士研究生王梓睿为本文的第一作者,通讯作者为四川大学高分子学院陈显春教授和王柯教授。衷心感谢国家自然科学基金(51973139)和国家重点研发计划(2020YFC1107004)的资助。


原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126059