CN104045901A - 超高分子量聚乙烯组合物及生产该组合物管材的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔体粘度低、流动性好、机械强度和软化温度高的超高分子量聚乙烯组合物及其生产其管材的工艺方法，其组合物包括如下质量比例的组分：粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份，分子量为1000～5000的聚乙烯蜡0.5～10份；分子量为10万～50万的高密度聚乙烯10～40份；分子量为800～1100万的超高分子量聚乙烯20～50份；润滑剂0.5～3份；填充增强剂1～10份；成核剂0.5～2份；复合抗氧剂0.1～2分。本发明解决了现有技术中超高分子聚乙烯熔体粘度高，流动性差，难于加工问题。

Description

超高分子量聚乙烯组合物及生产该组合物管材的工艺方法
技术领域
本发明涉及超高分子量组合物领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯组合物及生产该组合物管材的工艺方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）一般指粘均分子量大于100万（IUPAC）高密度聚乙烯。由于其极大地分子量、特殊的线型结构和分子量良好的规整性、对成性，所以超高分子量聚乙烯树脂具有其他工程塑料所不具有的优良的综合性能，包括优异的耐摩擦磨损、耐冲击、耐腐蚀、耐低温、耐压、耐应力开裂、耐溶胀、抗结垢、自润滑和不易粘附等。因此，超高分子量聚乙烯在工业和民用领域得到了广泛而又重要的应用。例如，超高分子量聚乙烯由于其良好的耐摩擦性能很早就被用于人工关节材料。
尽管作为热塑性工程塑料的超高分子量聚乙烯具有优异的综合性能，然而由于其极大的分子量，导致熔融时粘度极大，达到108Pa·s，熔体流动速率几乎为零，临界剪切速率极低，所以，超高分子量聚乙烯极难加工，特别是加工成管材。超高分子量聚乙烯的这些缺点使得它在作为管材的应用方面遇到极大地挑战，至今也没有很好的解决。在已有的研究进展中，主要从两个方面来克服超高分子量聚乙烯难挤出的问题：一是采用经过特殊改进的单螺杆泵，即超高分子量聚乙烯挤出专用单螺杆泵及其配套口模， 二是对超高分子量聚乙烯进行改性，提高它在熔融状态下的流动能力和临界剪切速率。在实际操作中，往往需要结合上述两个方面的要求。
超高分子量聚乙烯在熔融时呈粘弹态，几乎没有流动性，而且熔体和螺杆与料筒之间的摩擦系数小，因此容易打滑，形成“料塞”，输送困难。根据单螺杆挤出机的固体输送理论，物料与料筒表面的摩擦系数越高、与螺杆表面的摩擦系数越低，越有利于物料的输送。超高分子量聚乙烯专用挤出机汲取了具有自清洁能力的双螺杆挤出机的优点，通过在单螺杆泵的筒体上开几条抛物线形状的“来复线”，用以提高超高分子量聚乙烯熔体和单螺杆泵筒体内表面的摩擦，来避免“料塞”，促进进料。
除了在筒体上开“来复线”促进超高分子量聚乙烯的进料以外，通过单螺杆泵挤塑超高分子量聚乙烯管道还一般选择磨具中冷却定型。这种模内冷却定型不需要单独的定型装置，而是在管道挤出口模前进行冷却定型，通常还结合芯棒的冷却以避免熔体收缩而紧抱在芯棒上，造成背压显著增加。
解决超高分子量聚乙烯挤塑成管道的另外一种方法是对纯的超高分子量聚乙烯进行改性，来改善它在挤出条件的流动性能。为了解决超高分子量熔体流动能力低、难以挤出成型的问题，早期的研究和实践是向超高分子量聚乙烯中掺入分子量较低的聚乙烯蜡、低密度聚乙烯等。由于聚乙烯蜡和低密度聚乙烯等分子量较低的聚乙烯产品和超高分子量聚乙烯属于同系物，而且熔点较低、在熔融状态下流动能力较好，所以能起到改善超高分子量聚乙烯的熔体流动性能的目的，并且可以实现挤塑成型。但是，要使超高分子量聚乙烯的熔体流动性能有明显改善，需要加入20%以上的低分子量的聚乙烯产品，这就造成得到超高分子量聚乙烯复合材料的机械性能等明显下降。
改进超高分子量聚乙烯熔体流动性能的另外一种方法是向超高分子量聚乙烯中掺入液晶、有机硅等流动促进剂，然后通过双螺杆挤出造粒，最后通过单螺杆挤出得到超高分子量聚乙烯管道。通过这种方法实现了超高分子量聚乙烯的挤出成型，但是，液晶等流动促进剂的成本较高，而且需要先造粒，后成型，所以得到的超高分子量聚乙烯管道的成本较高，很难有大规模工业应用前景。
发明内容
本发明针对现有技术中超高分子量聚乙烯粘度高、流动性差、成型难、挤出慢的问题，提供一种粘度低、流动性、机械强度和软化温度高的超高分子量聚乙烯组合物。
本发明的目的是这样实现的，一种超高分子量聚乙烯组合物，包括如下质量比例的组分：粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份，所述超高分子量聚乙烯的骨架密度为0.92-0.95g/cm3，堆密度0.40-0.50g/cm3，使用前经120℃干燥10小时以上，并在干燥气氛中冷却至室温；
分子量为1000～5000的聚乙烯蜡0.5～5份；
分子量为10万～50万的高密度聚乙烯10～40份；
分子量为800～1100万的超高分子量聚乙烯20～50份；
润滑剂0.5～3份，可以增加组合物熔体流动性，降低加工难度；
填充增强剂1～10份，可以明显增加组合物的机械强度和软化温度；
成核剂0.5～2份，可以控制超高分子量聚乙烯的结晶度在一定的水平，使其既具有较高的软化温度和硬度，还保持了适度的韧性；
复合抗氧剂0.5～2分，可以抑制或延缓聚合物氧化，提高材料对环境的耐蚀性；
所述超高分子量聚乙烯组合物的软化温度110℃～140℃，屈服强度17MPa～25MPa，拉伸强度 24MPa～30MPa，弹性模量，>800MPa～1000MPa，断裂伸长率>300%。
本发明的超高分子量聚乙烯组合物通过添加各种分子量的有机成分，使组合物熔体分子量分布范围变宽，并利用超高分子量聚乙烯熔体的粘度与熔体掺混物的分子量分布及其挤出条件下剪切速率的关系，实现了熔体在挤出条件下更低的粘度和更高的挤出速率，同时适当添加填充增强剂，使组合物具有较高的软化温度和机械强度，以降低超高分子量聚乙烯挤出成型加工的难度和加工成本并扩大其使用范围。因此，本发明的组合物，添加上述改性成份，以增强组合的可塑性降低加工难度，改善超高分子量聚乙烯组合物在挤出条件下的熔体流动性能，以提高超高分子量聚乙烯组合物的挤出速率，降低生产单位长度超高分子量聚乙烯的成本。同时，兼顾了超高分子量聚乙烯组合物的机械性能、热学性能和耐腐蚀、耐溶胀等性能，使之能够用于具有防腐蚀、耐高温的场所。
为进一步提高组合物的机械强度和软化温度，所述填充增强剂为质量比为1：1：1的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物。本发明中，添加具有较高软化温度的有机填充增强剂，使聚合后的组合物强度更好，软化温度提高，同时，有机添加的上述组分利用物质相似相容的特点，使组合物更容易混合分散，可以显著提高增强效果，改善加工性能，并降低加工成本，实现性能与成本的最优化组合。
作为本发明的优选方案，所述成核剂为气相二氧化硅和苯甲酸钠的混合物。本发明采用的成核剂粒径小，更均匀，比表面积大，吸附能力更强，界面结合好，可明显提高组合物的强度、韧性等机械性能。
作为本发明的优选方案，为进一步提高组合物的热稳定性和耐蚀性，所述复合抗氧剂为质量比为3：2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物。
为进一步改善组合物的可加工性，所述润滑剂为硬脂酸钙和/或硬脂酸锌。
作为本发明的优选方案，所述组合物包括如下质量比例的组分：粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份，所述分子量为1000～5000的聚乙烯蜡10份；分子量为10万～50万的高密度聚乙烯40份；分子量为800～1100万的超高分子量聚乙烯50份；润滑剂3份；填充增强剂10份；成核剂2份；复合抗氧剂0.5分。
作为本发明的优选方案，所述组合物包括如下质量比例的组分：粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份；分子量为1000～5000的聚乙烯蜡0.5份；分子量为10万～50万的高密度聚乙烯10份；粘均分子量为800万～1100万的超高分子量聚乙烯20份；润滑剂0.5份；填充增强剂1份；成核剂0.5份；复合抗氧剂0.8分。
作为本发明的优选方案，所述组合物包括如下质量比例的组分：粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份；分子量为1000～5000的聚乙烯蜡5份；分子量为10万～50万的高密度聚乙烯25份；粘均分子量为800万～1100万的超高分子量聚乙烯35份；润滑剂2份；填充增强剂5.5份；成核剂1.3份；复合抗氧剂1分。
本发明还提供一种采用上述超高分子量聚乙烯组合物生产管材的工艺方法，按上述各组分的质量比例称量各组分，置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌5—8分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，所述挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，所述单螺杆泵机筒各段温度为：
进料段温度，110-140℃；
压缩段温度，160-215℃；
均化段温度，190-235℃；
出料段温度，200-240℃；
所述机头模口各段的温度为：
过渡段温度，200-240℃；
分流段温度，200-235℃；
成型段温度，180-240℃；
冷却段温度，155-185℃。
采用本发明的超高分子量聚乙烯组合物生产管材的工艺方法，通过改性制备的超高分子量聚
本发明中通过改性制备得到的超高分子量聚乙烯组合物的管道主要有如下有益效果：
（1）通过改性制备的超高分子量聚乙烯管道的外径可达50-100mm,壁厚2-4mm，其成型速率达10-15米/小时，是一般超高分子量聚乙烯组合物成型速率的3-4倍。
（2）改性超高分子量聚乙烯组合物成型得到的管道具有耐热温度大于110℃、线型膨胀系数小、机械性能好等特点，可以满足各恶劣环境下的使用条件。
具体实施方式
下面以具体实施方式详细说明本发明，实施例中的组分均使用重量份数。
实施例1
量取粘均分子量为500万的超高分子聚乙烯100份，分子量为5000的聚乙烯蜡10份，分子量为50万的高密度聚乙烯40份，分子量为1100万的超高分子量聚乙烯50份，质量比为1：1的硬脂酸钙与硬脂酸锌3份，质量比为1：1：1的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物10份，质量比为1：1的气相二氧化硅和苯甲酸钠的混合物2份，质量比为3：2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物0.5份。混合前将超高分子量聚乙烯置于120℃的干燥箱中干燥10小时，并在干燥气氛中冷却至室温，然后将上述组份置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌5—8分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，其中单螺杆泵机筒各段温度为：进料段温度140℃，压缩段温度215℃，均化段温度235℃，出料段温度240℃；机头模口各段的温度为：过渡段温度240℃；分流段温度 235℃；成型段温度240℃；冷却段温度185℃。挤出得到出得到φ64×3.5的超高分子量聚乙烯管道，经取样检测相关参数如表1所示。
实施例2
量取粘均分子量为300万的超高分子聚乙烯100份，分子量为1000的聚乙烯蜡0.5份，分子量为10万的高密度聚乙烯10份，粘均分子量为800万的超高分子量聚乙烯20份，质量比为1：1的硬脂酸钙与硬脂酸锌0.5份，质量比为1：1：1的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物1份，质量比为1：1的气相二氧化硅和苯甲酸钠的混合物0.5份，质量比为3:2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物0.8份。混合前将超高分子量聚乙烯置于120℃的干燥箱中干燥12小时，并在干燥气氛中冷却至室温，然后将上述组份置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌8分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，其中单螺杆泵机筒各段温度为：进料段温度110℃，压缩段温度160℃，均化段温度190℃，出料段温度200℃；机头模口各段的温度为：过渡段温度200℃；分流段温度 200℃；成型段温度180℃；冷却段温度155℃。挤出得到出得到φ64×3.5的超高分子量聚乙烯管道，经取样检测相关参数如表1所示。
实施例3
量取粘均分子量为350万的超高分子聚乙烯100份，分子量为3000的聚乙烯蜡5份，分子量为30万的高密度聚乙烯25份，粘均分子量为950万的超高分子量聚乙烯35份，质量比为1：1的硬脂酸钙与硬脂酸锌2份，质量比为1：1：1的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物5.5份，质量比为1：1的气相二氧化硅和苯甲酸钠的混合物1.3份，质量比为3:2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物1份。混合前将超高分子量聚乙烯置于120℃的干燥箱中干燥12小时，并在干燥气氛中冷却至室温，然后将上述组份置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌7分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，其中单螺杆泵机筒各段温度为：进料段温度125℃，压缩段温度185℃，均化段温度215℃，出料段温度220℃；机头模口各段的温度为：过渡段温度220℃；分流段温度 220℃；成型段温度200℃；冷却段温度170℃。挤出得到出得到φ64×3.5的超高分子量聚乙烯管道，经取样检测相关参数如表1所示。
实施例4
量取粘均分子量为350万的超高分子聚乙烯100份，分子量为2000的聚乙烯蜡1份，分子量为20万的高密度聚乙烯20份，粘均分子量为920万的超高分子量聚乙烯25份，硬脂酸钙2份，质量比为1：1：1的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物1.5份，质量比为1：1的气相二氧化硅和苯甲酸钠的混合物1份，质量比为3:2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物0.6份。混合前将超高分子量聚乙烯置于120℃的干燥箱中干燥12小时，并在干燥气氛中冷却至室温，然后将上述组份置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌6分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，其中单螺杆泵机筒各段温度为：进料段温度125℃，压缩段温度200℃，均化段温度215℃，出料段温度225℃；机头模口各段的温度为：过渡段温度225℃；分流段温度 215℃；成型段温度210℃；冷却段温度160℃。挤出得到出得到φ64×3.5的超高分子量聚乙烯管道，经取样检测相关参数如表1所示。
实施例5
量取粘均分子量为200万的超高分子聚乙烯100份，分子量为2000的聚乙烯蜡1份，分子量为30万的高密度聚乙烯15份，粘均分子量为920万的超高分子量聚乙烯20份，硬脂酸锌2份，质量比为1：1：1的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物2.5份，质量比为1：1的气相二氧化硅和苯甲酸钠的混合物1份，质量比为3:2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物0.5份。混合前将超高分子量聚乙烯置于120℃的干燥箱中干燥12小时，并在干燥气氛中冷却至室温，然后将上述组份置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌6分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，其中单螺杆泵机筒各段温度为：进料段温度130℃，压缩段温度205℃，均化段温度220℃，出料段温度230℃；机头模口各段的温度为：过渡段温度230℃；分流段温度220℃；成型段温度210℃；冷却段温度170℃。挤出得到出得到φ64×3.5的超高分子量聚乙烯管道，经取样检测相关参数如表1所示。
表1                     

Claims (9)

1.一种超高分子量聚乙烯组合物， 其特征在于，包括如下质量比例的组分：
粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份，所述超高分子量聚乙烯的骨架密度为0.92-0.95g/cm3，堆密度0.40-0.50g/cm3，使用前经120℃干燥10小时以上，并在干燥气氛中冷却至室温；
分子量为1000～5000的聚乙烯蜡0.5～10份；
分子量为10万～50万的高密度聚乙烯10～40份；
分子量为800～1100万的超高分子量聚乙烯20～50份；
润滑剂0.5～3份；
填充增强剂1～10份；
成核剂0.5～2份；
复合抗氧剂0.5～2分；
所述超高分子量聚乙烯组合物的软化温度110℃～140℃，屈服强度17MPa～25MPa，拉伸强度 24MPa～30MPa，弹性模量，>800MPa～1000MPa，断裂伸长率>300%。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，所述填充增强剂为质量比为1:1:1聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物。
3.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，所述成核剂为气相二氧化硅和苯甲酸钠混合物。
4.根据权利要求3所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，所述复合抗氧剂为质量比为3：2的酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的复合物。
5.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸钙和/或硬脂酸锌。
6.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，所述组合物包括如下质量比例的组分：
粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份；
分子量为1000～5000的聚乙烯蜡10份；
分子量为10万～50万的高密度聚乙烯40份；
分子量为800～1100万的超高分子量聚乙烯50份；
润滑剂3份；
填充增强剂10份；
成核剂2份；
复合抗氧剂0.5份。
7.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，
所述组合物包括如下质量比例的组分：
粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份；
分子量为1000～5000的聚乙烯蜡0.5份；
分子量为10万～50万的高密度聚乙烯10份；
粘均分子量为800万～1100万的超高分子量聚乙烯20份；
润滑剂0.5份；
填充增强剂1份；
成核剂0.5份；
复合抗氧剂0.8份。
8.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯组合物，其特征在于，
所述组合物包括如下质量比例的组分：
粘均分子量为300万～500万的超高分子量聚乙烯100份；
分子量为1000～5000的聚乙烯蜡5份；
分子量为10万～50万的高密度聚乙烯25份；
粘均分子量为800万～1100万的超高分子量聚乙烯35份；
润滑剂2份；
填充增强剂5.5份；
成核剂1.3份；
复合抗氧剂1份。
9. 一种采用权利要求1—8任一项所述的超高分子量聚乙烯组合物生产管材的工艺方法，其特征在于，按各组分的质量比例称量各组分，置于高速搅拌器中，在室温下高速搅拌5—8分钟，共混得到超高分子量聚乙烯组合物，然后将共混的超高分子量聚乙烯组合物通过单螺杆挤出机挤出，所述挤出机的单螺杆泵出口与机头口模相接，并且模内冷却、切割得超高分子量聚乙烯管材，所述单螺杆泵机筒各段温度为：
进料段温度，110-140℃；
压缩段温度，160-215℃；
均化段温度，190-235℃；
出料段温度，200-240℃；
所述机头模口各段的温度为：
过渡段温度，200-240℃；
分流段温度，200-235℃；
成型段温度，180-240℃；
冷却段温度，155-185℃。
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