高性能自增强聚乙烯复合材料的研究进展

成惠斌，钱庆荣，陈建福

1. 福建师范大学环境科学与工程学院，福州 350007；2. 福建纳川管材科技股份有限公司，福建泉州 362801

聚乙烯是世界上用量最大的五大通用塑料之一，原材料造价低，资源丰富，且年均增长率高达3%～5%，被广泛应用于军事、汽车制造、船舶制造、医疗机械、体育运动器材等领域。近年来，航空工业、国防尖端工业等高新科技领域的发展对高强度、高模量、功能化、轻质聚合物材料提出了更高性能要求，特定性能的高模量高强度聚合物的研制越来越迫切。聚乙烯力学强度低、收缩率大、耐热性及热变形温度低等缺点，极大地限制了其作为高性能化结构-功能复合材料的应用。为解决多组分杂化聚乙烯复合材料使用过后的性能劣化、回收利用价值低及分离过程复杂这一难题，可采用聚合物的自增强技术，利用各组分的化学相似性进行设计加工原料配方，各组分之间进行协同增强，同时原料组分的相似性给复合材料的回收再循环利用带来便利，为聚合物资源绿色循环利用提供了新的思路。因此，高性能超高分子量聚乙烯纤维自增强技术可被认为是聚合物资源从加工原料到最终产品闭环生态化设计及高性能化设计的重要手段，采用聚合物纤维自增强技术改性聚合物复合材料，发挥材料自身的最大潜力，越来越受到了国内外高分子材料领域研究工作者的重视，更符合当前新时代全球环境友好型材料设计的可持续性发展潮流[1]。

1 聚合物自增强技术概述

1.1 聚合物自增强成型加工

聚合物的自增强又称内增强，是通过物理方法来控制材料的结晶形态，常采用构造刚性结构或伸展链晶体结构作为材料的增强相，从而提高材料的力学性能。聚合物自增强技术是指在聚合物加工过程中，通过特殊的成型方法改变聚合物的凝聚态结构，在材料内部形成增强相，从而使聚合物材料得到内在的增强效应。自增强材料内部大分子沿应力方向有序排列，在化学键能一定的情况下，材料的宏观强度得到大幅度提高，同时分子链的有序排列使结晶度提高，从而使材料的强度进一步提高。因此，获得聚乙烯自增强复合材料的方法主要有超级拉伸、固相等静压挤出、控制熔相结晶等，概括起来，柔性链聚烯烃的自增强技术有固态形变与熔体形变两类方法：1)固相形变法，即在很大的形变作用下，使材料内部的分子高度取向。该技术的核心关键是如何使高分子材料包括结晶材料和无定形材料产生很大程度的塑性变形。例如凝胶纺丝-超拉伸、口模牵伸、固相等静压挤出、辊压、滚压成型等，使高分子材料产生很大的塑性变形(晶区与非晶区)，实现材料内部的分子高度取向； 这种方法在纤维的加工过程中广泛使用。2)熔体加工法(熔体形变法)，主要是通过对高分子熔体或溶液施加物理场(拉伸或剪切力场)产生一种内部形成沿外力场方向有序排列的较为规整的结构—伸展链结构，再通过设法将这种伸展链结构固定，固定过程通常与结晶行为密切相关，生成的晶体形状对增强效果影响较大，一般生成伸直链晶体或串晶[1-4]。

为了在满足使用压力条件下使聚乙烯管材具有更小壁厚及更大输送截面，从分子设计及聚合技术角度开发具有更高耐压等级聚乙烯管材产品，极具挑战性。通过对聚合物凝聚态结构控制，可以提升制品的结晶性能，进而提升制品的耐压性能以及长期使用性能。因此，利用形态控制理论、发展聚合物加工新方法以调控材料分子聚集态结构，将成为实现聚乙烯原料性能最大化及提升管材性能的更为简便、有效的手段。取向自增强是应用特殊的成型方法改变聚合物的聚集态结构，使聚合物材料内部大分子沿一定方向有序排列，充分发挥分子链本身共价键所决定的高强度; 同时分子链的有序排列使结晶度增大，其强度进一步提高，获得材料内在增强效应，且不存在共混、填充改性等外增强方法产生的界面问题[1,5]。

1.2 聚合物自增强的机理

1.3 聚合物自增强的优势

聚合物自增强技术是近年发展起来的一种新的材料制备技术，能充分利用高分子材料自身潜力，调控其高分子内部的凝聚态结构，形成内在的增强相结构，是提高聚合物材料力学性能的新途径。聚合物自增强的增强相是在外加应力场剪切或拉伸的作用下通过物理方法而产生的，只是改变了聚合物分子链的取向结构或凝聚态结构，而材料本身化学组分相似性并没有发生改变，增强相与基体相具有完全相同的分子结构，所以增强相与基体相之间并不存在陌生介质增强材料中普遍存在的界面问题。基体和增强材料完全相容，具有较好的界面相互作用力。与外增强传统复合材料相比。从增强效果上来看，自增强高分子材料比外增强高分子材料表现出更优异的比强度、比刚度 、更高的冲击韧性和耐化学药物性、热胀系数小和尺寸稳定性高[1-6]。与无机、有机纳米纤维及增强型纳米填料进行外增强的聚合物复合材料相比，自增强聚合物复合材料的密度低，在重量比应用上有很大优势。此外，自增强聚合物复合材料成型加工时仅使用一种聚合物或者化学相似性的全聚合物类型复合定制成自增强材料，可获得良好相界面的浸润和粘结，提高材料的力学性能和使用性能，延长产品的服役寿命。同时，由于组分的化学相似性也便于复合材料的回收再利用，具有较高的可回收性，通过加热熔解或再次成型加工的手段实现了自增强聚乙烯复合材料热回收，不需要分离纤维和基体相就可以很好回收利用[6-7]。

1.4 聚合物自增强的应用

近年来，柔性链高聚物的高强度高模量纤维和薄膜研究取得了突破性的进展。自增强材料应用得最多的领域是在纤维的生产方面，由于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的超高强度纤维具有许多优越性能，已视为向碳纤、Kevlar纤维挑战的新一代纤维。超高分子量聚乙烯通过凝胶纺丝和热拉伸法或固体挤出和超拉伸法能得到接近理论值的拉伸模量和很高的抗张强度，出现了一批具有高强高模的纤维制品，从而引起高分子材料科学工作者极大关注和兴趣。自增强对于结晶型、半结晶型或者是无定型的聚合物均有效，可广泛应用于各种热塑性聚合物，加工适用范围广，如常见可用于自增强的聚合物有: 聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE) 、聚丙烯(PP) 、聚苯乙烯(PS) 、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。上述聚合物中聚乙烯是生活中最广泛应用的材料之一，有研究表明，聚乙烯自增强材料已在纤维、薄膜等的生产中得到广泛的应用，也有用于各种板材、棒材、片材、管材和各种异型材的生产。自增强材料应用领域在塑料管道的生产方面，实现管材自增强的方法主要有：口模拉伸成型法、锥形管拉伸扩张成型法、旋转挤出成型法、真空成型法、压缩空气成型法、高压水成型等。塑料管材自增强的方法主要是拉伸扩张法。拉伸体现在管材的轴向，在牵引力和一定的速度差的作用下，管材在轴向实现拉伸。扩张是指管材在外应力作用下直径变大实现周向扩张，通过自增强加工的管材轴向和周向性能都有所提高。拉伸扩张可分为挤出机外拉伸扩张(机外自增强)和挤出机内拉伸扩张(机内自增强)[8-10]。

2 自增强加工工艺-串晶结构-力学性能三者的相关性

开发性价比高、高性能、循环再利用的聚乙烯自增强复合材料，可减少聚合物资源浪费，延长其使用寿命，解决大量混杂废弃塑料制品造成的环境污染，保护大自然，构建绿色生活、绿色产品和绿色社会，符合环境友好型高分子新材料可持续发展的理念[11]。聚乙烯自增强材料的制备、性能及应用代表新兴的复合材料家族，研究学者对其shish-kebab晶体自增强结构进行了大量的研究。根据其组成成分分为单组分相、多组分相；根据增强相在基体的空间排列维度分为一维、二维和三维；根据制备方法分为原位一步成型和非原位两步成型。

而对于半结晶型聚乙烯的自增强而言，半结晶聚合物在静态结晶生成球晶，在较弱的流动场下生成取向结构，而在强烈的剪切或拉伸场中往往形成shish-kebab结构，由各向同性的球晶变为高度取向的shish-kebab结晶，可以大幅度提高聚合物的强度和刚度，减小渗透性。取向结构分为2种，分别是分子取向和晶粒取向。聚乙烯为半结晶型聚合物，其组成为无定型部分、过渡区和结晶部分(球晶)，拉伸开始阶段首先是无定型区发生形变，区域内的分子发生滑移、伸展，沿应力方向有序性逐渐增加，形成取向结构，随着拉伸地进行无定型区形变程度逐渐增大，分子的取向程度也逐渐增大，到一定程度时结晶区域的球晶开始变形，最终球晶破裂形成片晶，片晶在应力场中也会发生取向形成晶片取向结构，随着拉伸程度进一步增大，片晶也会被拉开形成伸直链晶体，结晶结构由球晶逐渐转化为伸直链结晶。理想情况下聚合物分子在完全刚直取向时，其力学性能才会达到理论值，但是实际情况难以得到完全取向刚直结构，所以材料的性能很难达到理论值。通常情况下，聚乙烯自增强材料的性能远远优于二元或三元熔融共混UHMWPE/HDPE共混物和大多数无机填料/聚乙烯纳米复合材料。优异的聚乙烯自增强复合材料的性能是在注射成型过程中，由流动诱导结晶形成的超强伸直链UHMWPE的耗能连接分子链和shish-kebab纤维状超级结构的共存作用形成的。因此，聚乙烯自增强复合材料又具备大多数热塑性塑料所不能比拟的耐热性和力学性能，此外对聚乙烯自增强材料的制备及性能广泛在学术界和工业界进行了大量的shish-kebab结构及取向片晶结构的研究。目前大多数半结晶聚乙烯自增强效果的获得，是通过特殊的加工设备进行熔融体加工，使熔融体在伸展流动中， 受到正应力和切应力的综合作用， 正应力可使伸直链高分子沿正应力方向取向，并产生应力诱导结晶形成伸直链晶， 起自增强作用， 而切应力使长链高分子沿切应力方向折叠形成折叠链晶，微晶聚集体结合形成串晶并分散在聚合物缠结网本体中，制备得自增强聚乙烯复合材料。剪切诱导shish-kebab的形成机理以及shish-kebab的精细微观结构、分子组成已被广泛研究多年。大量的研究证明，利用注射成型工艺中通过“熔融操作”策略得到的自增强聚烯烃shish-kebab结构，普遍被认为是从基础到应用提高制品使用性能的便捷途径[12]。

WANG等[13]从理论认识、制备工艺、结构/形态控制和宏观力学性能等方面综合考虑，也对注塑成型试样中shish-kebab超级结构的调控方法进行了系统的综述。主要讨论在注射成型过程中采用“熔融操作”策略促进形成的精细聚烯烃shish-kebab超级结构。综述了一系列的基础研究、熔体操作的注射成型、对shish-kebab的调控、宏观力学性能。阐明了对shish-kebab结晶早期状态、从随机缠结链网络到稳定的圆柱体shish-kebab转变过程的基本认识，以及长链聚合物在shish-kebab形成过程中的作用，这些研究都有助于在现实加工中深入理解剪切诱导的shish-kebab结构。在聚烯烃熔体的注塑成型棒材中，展现了具有各种高度取向形态的精细shish-kebab超级结构。包括单组分聚烯烃熔体、共混双相熔体和非均相熔体的聚烯烃/无机填料复合材料均可通过“熔融操作”策略来实现。

HOFMANN等[14]采用原位形成的伸直链UHMWPE纤维结构增强全聚乙烯复合材料，同时提高韧性/刚度/强度的平衡关系。研究通过HDPE与具有超宽范围的双峰分子量分布的纳米聚乙烯反应共混共混物(RB)进行熔融共混很容易定制。与传统的自增强聚乙烯复合材料(PE-SRC)相比，不需要特殊的加工方法、不经济的加工条件、较长的循环时间或三位点聚合催化，展现出更特有的工业化应用优势。研究通过改变HDPE和RB的混合比例，PE-SRC的性能也可以很容易得到调控，而类似的最先进的PE-SRC则需要设计多位点官能团催化剂体系，其中不同催化位点的比例决定了催化剂的形态和力学性能。因此，HDPE 与 RB助剂熔融复合代替普通HDPE转化为高性能全聚乙烯复合材料是极具吸引力的途径。此外，基于RB的全聚合复合技术远远超出了目前聚烯烃发展的局限，为定制下一代可持续轻质工程塑料提供了诱人的新前景，展现了成本、能源、生态、资源效率与低碳足迹和便利回收的诱人融合优势。

UHMWPE是目前应用最广泛的高性能热塑性聚合物之一， UHMWPE因其良好的韧性、抗疲劳性和生物相容性，一直被用作全膝关节和髋关节置换术的承载面。尽管有这些优点，由UHMWPE磨损碎片引起的骨溶解是导致全关节置换术长期失败的主要原因。为了改善UHMWPE的力学性能和摩擦学性能，可采用交联、表面改性，及开发纳米无机填料/聚合物复合材料等多种方法。近年来，自增强已被证明是提高聚合物力学性能的有效途径，因此几十年来国内外许多研究者开展了大量的研究，通过成型工艺调控形成不同的结构制备自增强复合材料，期望应用于人工关节置换领域[15-16]。

1978年12月，党的十一届三中全会拉开了我国改革开放的序幕，同年十一月份，当时的国家物资总局组织有关部门和地方领导赴日本考察，首次将物流的概念引入国内。

下面将对采用不同特殊成型工艺制备的聚乙烯自增强材料进行逐一讨论工艺调控与结构性能的相关性，为将来设计高性能可回收再利用的聚合物成型技术提供理论支撑。

2.1 热压成型UHMWPE纤维-聚乙烯自增强复合材料

LIU等[17]将高强度、高模量超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)加入到超高分子量聚乙烯粉末中，通过热压工艺制备了一系列纤维-UHMWPE自增强复合材料。研究了纤维的长度和含量对纤维-UHMWPE自增强复合材料的摩擦磨损行为，结果发现，纤维-UHMWPE复合材料的摩擦系数低于纯UHMWPE，长纤维含量为50%的自增强复合材料的摩擦系数最小为0.25，磨损率也最低；纯UHMWPE的摩擦磨损机制主要是粘着磨损，有小尺寸的磨屑碎片，而纤维-UHMWPE复合材料磨损行为是疲劳磨损，短纤维增强复合材料比长纤维增强复合材料表面产生了更多的疲劳裂纹，在滑动过程中形成了较大的磨屑碎片。纯UHMWPE的磨屑尺寸小于纤维/UHMWPE复合材料的磨屑尺寸，有利于人工关节的使用寿命。

CHUKOV等[18]采用压缩成型的方法制备UHMWPE自增强复合材料，对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和各向同性UHMWPE纤维的自增强复合材料进行了对比分析，制备方法见图1。研究表明，模压成型方法仅导致纤维表面部分熔融，并促进了良好的界面附着力，而纤维芯部保持了高度定向。同时与各向同性聚乙烯相比，这种纤维高度取向结构的形成显著提高了自增强复合材料的力学性能。

图1 自增强UHMWPE复合材料的制备示意图

杜增锋等[19]以 PE-UHMW 纤维为增强体，低密度聚乙烯(PE-LD) 薄膜为基体，以自增强的方式，利用相似相容的原理，通过热压制备PE-LD/PE-UHMW 复合材料， 以期提高基体与纤维之间的粘结性。另外，以PE-UHMW 纤维为增强体、PE-LD 薄膜为基体制备的复合材料回收时无需将两种物质分离，可以直接加工利用，是一种复合环保要求的材料。

2.2 注塑成型UHMWPE自增强复合材料

XU[20]和HUANG等[21-22]进行了一系列关于人工关节用振荡剪切注射成型(OSIM)自增强聚乙烯复合材料的研究得出，在不牺牲UHMWPE原有的良好磨损和疲劳性能条件下，一种实现高性能注塑自增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)/超低分子量聚乙烯(ULMWPE)或低分子量聚乙烯(LMWPE)共混物的简单方法。该研究中将2%含量长链的UHMWPE与LMWPE或ULMWPE溶液共混得到流动性良好、分子水平上紧密混合的聚乙烯共混物，再将上述所得聚乙烯共混物用作母料，母料与UHMWPE粉末在双螺杆挤出机中进行熔融混合，得到含40% UHMWPE的颗粒试样，然后采用振荡剪切注射成型(OSIM)自增强聚乙烯复合材料。微观形貌观察发现，振荡剪切注射成型聚乙烯共混物含有互锁的shish-kebab自增强结构。力学性能结果表明，OSIM聚乙烯共混物的优异力学性能源于形成了大量互锁的shish-kebab自增强结构，同时保持了UHMWPE独特的性能，该结构的出现有效地提高了人工关节植入体材料的力学性能，使该材料具备了作为人工关节植入体材料的潜能。

HUANG等通过交联和结构调控同时提高超高分子量聚乙烯的耐磨性和力学性能。通过在UHMWPE熔体加工前进行UHMWPE的交联，随后进行结构调控制备力学性能和耐磨性同时提升的UHMWPE轴承。耐磨性的提升是因在剪切流动可控的情况下，形成了大量的自增强取向层；力学性能显著提高，弥补了交联导致的力学性能损失，特别是屈服强度和极限抗拉强度显著提高。该研究为制造高性能UHMWPE轴承开辟了全新的思路，使其能够在高压力下应用。图2为注塑成型交联UHMWPE复合材料及未交联UHMWPE复合材料的熔融状态(a)和晶体结构(b)的示意图，表明了熔体注塑成型交联UHMWPE材料的自增强机制。

HUANG等[23]通过单活性位点Ziegler-Natta催化剂合成的高线性低缠结的UHMWPE材料，在线性解缠超高分子量聚乙烯中不添加任何流动改进剂的情况下，成功地进行了熔体注射成型和结构调控。在注塑保压成型过程中，UHMWPE固有的低缠结性为熔体注射成型提供了足够的黏度，通过利用强剪切流场进行微观结构调控，发现在高线性低缠结UHMWPE基体中产生了大量的自增强结构，即shish-kebabs和取向片晶，如图3所示。过密的串使得外延的串结构相互渗透结果是互锁shish-kebabs结构的出现，自增强结构消除了熔合结构缺陷，明显提高了结晶度，力学性能得到大幅提升，特别是屈服强度和抗拉强度。

图2 注塑成型交联UHMWPE复合材料及未交联UHMWPE复合材料的熔融状态(a)和晶体结构(b)的示意图

图3 利用强剪切流场进行微观结构调控在高线性低缠结UHMWPE基体中产生了大量的自增强结构(shish-kebabs和取向片晶)

2.3 注塑成型高密度聚乙烯自增强复合材料

ZHANG等[24]通过采用振荡保压注射成型制备了一系列高密度聚乙烯(HDPE)与低密度聚乙烯(LDPE)自增强共混物的研究，结果表明，与自增强的纯HDPE相比，聚乙烯共混物改善HDPE的韧性，同时振荡保压注射成型过程中又大大提高了HDPE的拉伸强度和模量，实现了注塑成型进行结构调控来制备高密度聚乙烯自增强复合材料。

CAO等[25]用自制动态保压注射成型机在剪切应力场作用下，引入9%高分子量聚乙烯(HMWPE)、低分子量聚乙烯(LMWPE)与高密度聚乙烯(HDPE)进行共混，研究了自交联HDPE的力学性能和晶体形貌。得出动态试样的抗拉强度提高到112.1 MPa，是静态保压注射成型(SPIM)试样(23.1 MPa)的4.85倍，实现了聚乙烯的自增强；同时也发现了动态试样中shish-kebab结构的形成，说明了shish-kebab结构的形成机制和力学性能提高的原因。

LI等[26-28]在注射和保持压力阶段，对注射腔内的熔体施加脉冲压力，该成型技术被称为振动辅助注射(VAIM)技术，并采用低频VAIM法进行了一系列自增强高密度聚乙烯制备与性能的研究。探讨了加工条件中振动变量(频率和振幅)对注射成型高密度聚乙烯力学性能和热软化温度的影响。研究发现，对用VAIM加工的试样，通过改变振动频率和振动压力幅值可以很好地改善其力学性能。与常规注塑成型的试样相比，VAIM加工的试样最大屈服强度和杨氏模量提高了2倍，热软化温度提升了10 ℃；采用扫描电镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)、广角X射线衍射(WAXD)等方法对常规注射成型(CIM)和低频VAIM制备的自增强高密度聚乙烯(HDPE)的微观结构进行了研究。结果表明，经高锰酸盐蚀刻后的SEM显微照片显示，HDPE的自增强主要是由于VAIM加工的HDPE试样的核心区域内存在Shish-kebab的形态，WAXD数据证实了分子的排列，DSC也证明结晶度提高了9%，优先的分子取向和增加的结晶度都归因于特殊的VAIM-注塑成型工艺；利用振动辅助注射法制备了双轴向自增强HDPE试样，研究了振动加工条件对自增强HDPE的力学性能影响。通过改变振动频率和振动压力幅值，发现可以同时改善纵向方向(MD)和横向方向(TD)的拉伸性能。在恒定的低振动压力幅值下加工， 随着振动频率增大，断裂伸长率逐渐增加；在恒定的低振动频率下，随着振动压力幅值的增大，屈服强度逐渐增大。与传统注射成型(CIM)试样相比，VAIM试样的软化点温度增加了8 ℃。

WANG等[29]在注射成型过程中施加强剪切流来进行调控HA/HDPE生物复合材料的微观结构，成功制备了具有剪切诱导形成互锁的shish-kebab 自增强超级结构的羟基磷灰石/聚乙烯骨模拟生物复合材料，获得与天然骨相似度极高的仿生结构和各向异性优异的力学性能，证明了该结构的HA/HDPE生物复合材料在高负荷骨科应用中有很大的应用前景。

LU等[30]采用共注射成型工艺成功地获得了共注射成型自增强单一聚合物复合材料(CI-SRCs)零件，研究了不同注射成型参数制备的自增强复合材料的结构与性能。研究发现，熔体温度是决定零件微观形貌的决定性因素，CI-SRCs零件的结晶度与熔体温度梯度呈正相关；其拉伸性能与结晶度的变化呈负相关，使分子链取向并能快速保存是提高零件力学性能的关键因素；低温和低速可以改善CI-SRCs零件的分子取向，分子取向的改变与CI-SRCs材料的拉伸性能呈正相关。同时通过响应面法，总结出分子取向是影响CI-SRCs零件性能的决定性因素，建立了成型参数、微观结构和力学性能之间的无量纲化方程，实现了基于微观形貌对CI-SRCs零件力学性能的预测，为CI-SRCs零件性能的“可调控性”提供了理论支持。

2.4 连续挤出聚乙烯自增强材料

HUANG等[31]对自增强高密度聚乙烯(HDPE)在口模压力30～60 MPa下连续挤出片材的流动诱导结晶进行了研究。结果表明，当熔体接近收敛流道出口时，拉伸应变速率突然增加，导致了更高的结晶速率。因此，在控制流道出口正前方实现分子链的结晶可能有利于在较低压力下挤出高性能的本体高分子材料，在40 MPa压力下，自增强HDPE板材的抗拉强度提高了8倍。

黄汉雄等[32-35]针对熔体形变自增强要求在很窄的温度范围内进行，研究难度极高等问题。率先对熔体连续挤出自增强进行研究，同时应用 SEM、 DSC与拉伸测试等表征手段，研究了机头压力与机头出口温度对HDPE熔体连续挤出自增强试样(片材)结构与性能的影响。研究结果表明，熔体温度是影响熔体连续挤出自增强效果的重要参数，在较低挤出压力 (40 MPa或更低)下也可取得相当好的增强效果，可以制备具有高性能的聚乙烯材料，该方法被认为是工业化的技术关键之一。该研究在国内外首次把聚合物的熔体连续挤出自增强及熔体在收敛流道内的速度与延伸应变速率的分布规律联系起来进行研究。另采用可视化实验观测与理论分析相结合的方法，揭示了楔形收敛流道内与聚合物熔体挤出自增强紧密相关的流场参数(速度与延伸应变速率)的变化规律。接近收敛流道出口端的很窄范围内，熔体所受的延伸应变速率随流向而迅速增大,因而取向分子链最易于结晶。在流场研究的基础上，采用普通挤出设备并通过控制挤出压力与熔体温度，成功地实现了熔体的连续挤出自增强。

陈军等[36]采用楔形收敛流道挤出口模，通过控制挤出成型工艺在近熔点状态下在收敛流道模具连续挤出自增强聚乙烯，获得了聚乙烯自增强片材。研究加工工艺条件与聚合物自增强试样强度、形态结构之间的关系， 以及自增强试样成型的最佳工艺参数及工艺窗口，并对单向拉伸流动场中聚合物自增强机理进行了初步分析，为聚合物自增强的工业化提供基础数据。研究结果表明，聚乙烯自增强片材连续挤出成型存在成型温度窗口，在此成型温度窗口内，聚乙烯自增强连续挤出片材在平行于拉伸方向可以形成大量排列有序、取向程度很高的微纤结构，这些微纤结构构成为片材的增强相， 赋予片材以极高的纵向强度。

3 结语与展望

1)自增强单一聚合物复合材料(SRCs)是通过将具有不同性能的同一类型聚合物复合成一体化的增强材料，具有高比强度、无界面非均质性、易于回收利用等优点。其制备需要更好地理解SRCs微观结构和宏观力学性能之间的关系。目前制备自增强聚乙烯复合材料存在问题：a)UHMWPE纤维表面呈非极性且浸润性差，表面改性处理都会对纤维造成损伤、造成自增强聚乙烯复合材料性能劣化，需要采用绿色环境友好型表面改性技术对纤维进行表面修饰改性。b)UHMWPE纤维增强聚乙烯复合材料，纤维与基体存在表界面问题，采用单一的模压成型、传统的螺杆挤出机工艺无法制备高性能自增强聚乙烯复合材料，需要通过采用高分子结构设计的形貌学和特殊成型工艺相结合的手段来制备高强度高模量自增强聚乙烯材料。c)目前在高性能聚乙烯合成方面，主要采用双反应器合成具有双峰结构的聚乙烯。而与以不同分子量聚乙烯掺混改性的方法制备双峰高性能自增强聚乙烯具有异曲同工之妙，是一种经济、实用和增强效果较好的方法。d)针对商用UHMWPE的熔体加工因其众多的长链缠结而产生极高的熔体黏度，仍然是一个难以克服的瓶颈，需要采用新型的专用UHMWPE成型加工设备或研发新型的解缠结助剂来制备高性能聚乙烯复合材料。

2)在未来，通用型聚乙烯材料的改性仍将是拓宽通用塑料使用范围的主要手段，主要方向为：a)轻量化：随着新能源汽车的快速发展，汽车轻量化的要求更加迫切。汽车轻量化为改性塑料行业带来了新的机遇，改性塑料不仅可以减轻汽车的自身重量，降低汽车生产企业成本，而且能够提高汽车的整体性能。b)通用塑料工程化及多功能化：工程化、多功能化的产生是为了拓宽改性塑料的应用范围，通用塑料采用低热能的塑料进行填充、超临界发泡，提高了塑料的力学性能、阻燃性能、导电性能及导热性能等。聚乙烯材料进行工程化，可大大提高热塑工程塑料的使用性能，降低热塑材料的生产成本，提高经济效益、社会效益和环境效益。c)塑料合金化：新型塑料加工技术的发展使塑料性能得到大幅提高，特别是阻燃性和耐温性能。d)纳米化：随着纳米技术的出现，借助纳米技术可以改良改性塑料的使用性能，拓展改性塑料的应用范围。研制高性能自增强聚乙烯，建立绿色的循坏利用产业链仍然存在很大的升值空间，中国作为全球最大的合成树脂生产和消费国，可在高性能聚乙烯材料的闭环生产、高质化、高值化循环利用技术及环境友好型研发方向深入进行基础研究，进一步推动高分子材料全产业链可持续联动发展。