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