[发明专利]一种改善超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，涉及一种改善超高分子量聚乙烯表面耐磨性能的方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是20世纪发展起来的新型材料，具有优异的综合性能，相对简便的成型工艺，在食品包装、交通、运输、医疗、卫生等领域具有广泛的应用。然而其固有的柔软、不耐磨等特点，限制了它的应用。例如，临床普遍应用的超高分子量聚乙烯材料制成的人工关节臼，在长期的使用过程中，由于超高分子量聚乙烯材料磨损产生的磨屑会刺激人体内的生物反应，引起组织发炎，发生无菌松动，并最终导致人工关节的远期失效及其它并发症，患者不得不进行二次手术，不仅加重患者的经济负担，而且带来巨大痛苦。

类金刚石薄膜(diamond-like carbon，简称类金刚石)是碳原子以sp³和sp²杂化键合的无定形材料，为含有金刚石结构(sp³)的非晶碳膜。它具有硬度高、摩擦系数低、化学惰性好、生物相容性优异等性能。

然而超高分子量聚乙烯和绝大部分聚合物一样，具有热变形温度低(通常小于150℃)、表面能低、表面电导性差等特点，并且与类金刚石间的力学性能差异较大，这些性质均是在超高分子量聚乙烯及所有其它聚合物表面制备类金刚石耐磨涂层的不利因素。将类金刚石作为耐磨涂层沉积在聚合物表面，其力学性能是成败的关键。采用常规方法很难在聚合物表面制备出耐磨性与结合力俱佳的类金刚石薄膜。

发明内容

本发明目的是提供一种改善超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，采用该方法对超高分子量聚乙烯进行处理，能使超高分子量聚乙烯的表面硬度增强，耐磨性能提高。

本发明解决其发明目的，所采用的技术方案：一种改善超高分子量聚乙烯耐磨性能的方法，其步骤是：

A、活化处理采用氧或氩的等离子对超高分子量聚乙烯进行低温等离子活化处理，处理时的等离子密度为5～80×10⁹·cm^-3，处理时间为5～30min；

B、金属化处理在活化处理后的超高分子量聚乙烯表面，沉积一层金属钛或钽的过渡层或者硅半导体的过渡层，所述的过渡层的厚度为10～100纳米；

C、沉积类金刚石薄膜采用微波电子回旋共振等离子化学气相沉积方法，在过渡层表面沉积类金刚石薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过氧或氩的等离子对超高分子量聚乙烯进行低温等离子活化处理，能消除聚乙烯表面的弱边界层，提高其表面能，有利于过渡层的附着；并且也提高了其表面的交联度，已使得其硬度和耐磨性得到一定程度的提高；过渡层的引入，降低了类金刚石与聚乙烯间力学性能间的不匹配程度，有利二者结合强度的增强；同时，改善了聚乙烯表面的导电性能，当采用等离子化学气沉积类金刚石薄膜时，有利于含碳离子在电场作用下沉积在聚合物基体表面形成类金刚石薄膜，有利于类金刚石薄膜沉积速率的增加和薄膜硬度的提高从而使得本发明能够在聚乙烯表面沉积出膜基结合牢固的类金刚石薄膜，在不改变聚合物本体强度、塑性、韧性及物理、化学性质、结构尺寸等前提下，大大提高了超高分子量聚乙烯的表面硬度和耐磨损能力。

二、采用本发明的复合处理方法，聚乙烯在处理过程中，由于电场和等离子体的作用，聚乙烯的温度会有所升高，但经测试其温度低于80度，因此，本发明方法可在低温下快速沉积类金刚石薄膜，其沉积速率＞20nm/min。

三、采用本发明提供的方法在聚乙烯表面沉积类金刚石薄膜，还能提高聚乙烯抗紫外线照射、水气密封等综合性能，从而使处理后的超高分子量聚乙烯在生物医学、食品包装、交通、运输等领域具有更好的应用前景，如用于制作人工关节臼在体内不易磨损，会有效提高人工关节臼的使用寿命，二次手术时间可大大延长，减轻病人的痛苦和医疗成本。

拉曼光谱分析表明，采用本方法沉积的薄膜具有典型的类金刚石拉曼特征峰，证明在聚乙烯表面沉积得到了类金刚石薄膜。

采用瑞士的CSEM纳米压痕实验仪进行的纳米压痕实验结果表明，经本发明方法处理后的超高分子量聚乙烯其表面复合硬度达120MPa以上，为相对于未处理的超高分子量聚乙烯样品(10MPa)增加10余倍。