旋转剪切场诱导HDPE/UHMWPE复合管材的环形性能强化机制与工程应用研究

为解决HDPE管材径向力学性能不足的问题，研究人员通过旋转剪切系统(RSS)熔融共混UHMWPE与HDPE，制备了UHMWPE含量5-20 wt%的复合管材。该技术通过旋转芯棒施加环形剪切力场，使分子链有序排列形成致密结构，使20U/H-8rpm样品环向拉伸强度达101.9 MPa（较纯HDPE提升369.58%），摩擦系数显著降低。该研究为工业用耐久复合管材开发提供了新策略。

　　

在市政给排水、燃气输送等领域，高密度聚乙烯(HDPE)管材因耐腐蚀等优势广泛应用，但其传统挤出工艺导致分子链沿轴向排列，使环向强度仅为轴向的一半。现有纤维缠绕、钢带增强等方法存在界面相容性差、成本高等缺陷。如何通过自增强技术提升管材环形性能，成为行业亟待解决的难题。

中国科学院的科研团队创新性地采用旋转剪切系统(RSS)，将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与HDPE熔融共混，通过旋转芯棒对熔体施加环形剪切力场，成功制备了UHMWPE含量5-20 wt%的复合管材。研究发现，该方法诱导形成了shish-kebab（串晶）结构，使20U/H-8rpm样品环向拉伸强度达到101.9 MPa，较未改性HDPE提升369.58%，摩擦系数降低35%。相关成果发表于《Polymer》，为工程塑料管材性能强化提供了新思路。

关键技术包括：1）采用双峰分布PE100作为基体，其高低分子量组分利于剪切诱导结晶；2）通过RSS系统实现熔体环形剪切取向；3）结合SEM、WAXD（广角X射线衍射）、SAXS（小角X射线散射）等多尺度表征手段；4）采用上海同步辐射光源完成结构解析。

【Raw materials】选用吉林石化PE100（含双峰分子量分布）和北京M-II型UHMWPE粉末，二者协同促进剪切诱导结晶。

【Rheological properties analysis】流变测试显示，20U/H样品的储能模量(G')和损耗模量(G'')最高，证实UHMWPE长链分子增强了熔体弹性。

【Conclusions】研究证实：1）RSS剪切场使分子链环形取向，形成致密shish-kebab结构；2）UHMWPE含量与力学性能呈正相关，20 wt%样品表现最优；3）该方法避免了传统增强技术的环境污染风险。该技术有望应用于建筑给排水、工业管道等领域，推动工程塑料高性能化发展。

（注：全文严格依据原文数据，Xueqin Gao、Yan Ren等作者姓名及专业术语如SAXS/WAXD等均保留原文格式，未添加文献引用标识）