CN104558770A - 一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法，所述超高分子量聚乙烯复合材料的原料组成，按质量份数计，包括以下组分：超高分子量聚乙烯100份；润滑剂0.1～10份；填充料10～60份；补强纤维5～40份；纳米无机填料0.1～10份。本发明超高分子量聚乙烯复合材料解决了超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，可以通过挤出机挤出成型，制备不同的产品。经过改性的超高分子量聚乙烯复合材料不仅具有高强度、耐冲击、耐磨损、刚性强、表面硬度高、耐化学腐蚀等性能，还具有良好的自润滑性、尺寸稳定性。

Description

一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，主要涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是粘均分子量大于150万的聚乙烯(PE)，是一种自润滑高分子材料，它以高的机械强度和抗冲击性，低的摩擦系数与良好的耐磨性而著称，它极高的分子量、高度缠绕的链段结构赋予其优异的力学性能、耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。而且，UHMWPE耐低温性能优异，在-40℃时仍具有较高的冲击强度，甚至可在-269℃下使用。但是，现有的超高分子量聚乙烯树脂存在着热变形温度低(热变形温度为80℃)、加工成形性差、表面硬度低、刚性差等缺陷。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法，所述超高分子量聚乙烯复合材料通过在超高分子量聚乙烯中加入纳米级无机填料、润滑剂进行改性，解决了超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，并大大提高了超高分子量聚乙烯复合材料的刚性，旨在提供一种超耐磨的、刚性强、可通过挤出成型的超高分子量聚乙烯复合材料。
本发明的技术方案如下：
一种超高分子量聚乙烯复合材料，其中，其原料组成，按质量份数计， 包括以下组分：
超高分子量聚乙烯  100份；
润滑剂  0.1～10份；
填充料  10～60份；
补强纤维  5～40份；
纳米无机填料  0.1～10份。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述超高分子量聚乙烯为平均分子量为150万～800万。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸锌中的一种或多种；所述填充料为玻璃微珠、陶瓷微珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼中的一种或多种；所述补强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、涤纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种；所述纳米无机填料为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米滑石粉、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土中的一种或多种。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述填充料和补强纤维经过偶联剂活化处理。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释KH550；加入高速搅拌机内边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
一种如上所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其中，包括以下步骤：
按比例配备超高分子量聚乙烯与润滑剂，高速搅拌至40～60℃或8～15分钟；再加入纳米无机填料和已通过偶联剂活化处理的填充料、补强纤维，高速搅拌3～5分钟；
通过挤出机挤出成型。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其中，所述挤出过程采用单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机的温度从输送段到机头模依次为125±5℃，160±5℃，250～290℃，230～265℃，180～220℃，190～235℃，195～240℃，200～250℃，190～235℃。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其中，所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；加入高速搅拌机内边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
有益效果：本发明所提供的超高分子量聚乙烯复合材料是采用分子量150万以上的超高分子量聚乙烯，并加入纳米级无机填料、润滑剂进行改性，解决了所述超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，可以通过挤出机挤出成型，制备不同的产品。超高分子量聚乙烯因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，耐磨性是碳钢的7～10倍，不锈钢的4倍，是已知塑料材料中最耐磨的，而且还可以防止对磨材料的磨损。经过改性的超高分子量聚乙烯复合材料还具有刚性强、表面硬度高的优点，并且热变形温度提高到100℃左右，使得本发明超高分子量聚乙烯复合材料的稳定性提高，使用范围更加广泛， 可以用于生产齿轮、运输管道、托辊、人工关节等产品。
具体实施方式
本发明提供一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的一种超高分子量聚乙烯复合材料，其原料组成，按质量份数计，包括以下组分：
1、超高分子量聚乙烯  100份；
2、润滑剂  0.1～10份；
3、填充料  10～60份；
4、补强纤维  5～40份；
5、纳米无机填料  1～20份。
所述超高分子量聚乙烯为平均分子量为150万～800万的超高分子量聚乙烯。本发明中通过加入了纳米级无机填料、润滑剂对所述超高分子量聚乙烯进行改性，解决了所述超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，可以通过挤出机挤出成型。
所述润滑剂可以选取聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸锌中的一种或多种。润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面，在聚合物内部起着降低聚合物分子间内聚力的作用，从而改善超高分子量聚乙烯熔料的内摩擦生热和熔体的流动性。
所述填充料可以选取玻璃微珠、陶瓷微珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼中的一种或多种。填充料可以提高所述轮齿条的整体性能，可使表面硬度、刚度、蠕变性、弯曲强度、热变形温度得以较好地改善；具有一定的补强作用，增加所述轮齿条的强度和耐磨性。所述填充料在投入使用前会经过 偶联剂活化处理的，由于偶联剂极性基团的存在，在填充料和超高分子量聚乙烯分子链间的范德华力由单纯的色分散力转变为色分散力加诱导力，再加上偶联剂分子与超高分子量聚乙烯链的缠结作用，这样填充料在超高分子量聚乙烯基体中起到了物理交联点的作用，并融入了超高分子量聚乙烯的分子链缠结网络。
所述偶联剂可以是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种，优选地选用硅烷偶联剂(KH550)。所述偶联剂活化处理的过程为取填充料总质量0.5-3.5％偶联剂，用无水乙醇8-12:1(体积比)进行稀释偶联剂。将称好的填充料放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
所述的补强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、涤纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种。补强纤维均匀地渗透在超高分子量聚乙烯基体内，它们相互缠绕，形成了一种纤维骨架，它能限制各向异性收缩，显著降低翘曲，提高了超高分子量聚乙烯复合材料的尺寸稳定性，其增强效果提高了超高分子量聚乙烯复合材料的弯曲弹性模量、弯曲强度、拉伸强度、冲击强度。
所述的补强纤维也要通过偶联剂(KH550)活化处理，处理过程为取纤维总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇8-12:1(体积比)进行稀释偶联剂。将称好的填充料放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。所述偶联剂可以是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种，优选地选用硅烷偶联剂。
所述纳米无机填料可以选取二氧化硅、纳米氧化铝、纳米滑石粉、纳 米碳酸钙、纳米蒙脱土中的一种或多种。由于纳米无机填料其纳米尺寸效应、大的比表面积以及强的界面相互作用，可以消除无机填充料与超高分子量聚乙烯基体间的界面张力，实现理想的界面粘接，消除无机填充料与超高分子量聚乙烯基体两物质热膨胀系数不匹配的问题，因此可以充分发挥无机填充料的优异力学性能，可以将无机填充料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与超高分子量聚乙烯耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能完美结合，给予超高分子量聚乙烯复合材料更高强度、模量、耐磨、耐冲击强度性能，并有增韧效果。
本发明方案中，还提供所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法：
a、超高分子量聚乙烯与润滑剂按比例投入高速混料机中高速搅拌至40～60℃或8～15分钟，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过偶联剂活化处理的填充料、补强纤维、纳米无机填料，高速搅拌3～5分钟后出料备用。
b、通过挤出机挤出成型：可以采用单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机的温度从输送段到机头模依次为125±5℃，160±5℃，250～290℃，230～265℃，180～220℃，190～235℃，195～240℃，200～250℃，190～235℃。
本发明制备得到的所述超高分子量聚乙烯复合材料，热变形温度提高到100℃左右。当所述超高分子量聚乙烯复合材料，可以直接通过挤出机直接挤出成型生成产品，也在制备好后经过90℃～140℃预热，压制成型。
以下通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
填充料以及补强纤维均进行了偶联剂活化处理：
取填充料或补强纤维总质量的1％KH550，用无水乙醇10:1(体积比)进行稀释KH550。将称好的填充料或补强纤维放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入KH550/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料或补强纤维，再放入设定温度80℃的烘箱中干燥5小时， 取出后研细放置在密闭容器中备用。
取100份超高分子量聚乙烯与润滑剂硬脂酸1份、硬脂酸钙1.5份投入高速混料机中高速搅拌至40℃，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过KH550偶联剂活化处理的玻璃微珠20份、玄武岩纤维15份，纳米二氧化硅6份，高速搅拌3分钟后出料备用。
单螺杆挤出机的温度从输送段到机头模依次为125℃，160℃，265℃，240℃，190℃，195℃，200℃，205℃，200℃；通过挤出机头模挤出平直状的AT20轮齿条。
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为100℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固定在齿轮芯上，制得AT20同步带齿轮。
经过检测，AT20同步带齿轮到表面硬度可达洛氏40，同时具有很好的尺寸稳定性、耐冲击性，耐磨性能好、耐腐蚀，表面光滑、噪音低等特点。
实施例2
取填充料或补强纤维总质量的2％KH550，用无水乙醇10:1(体积比)进行稀释KH550。将称好的填充料或补强纤维放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入KH550/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料或补强纤维，再放入设定温度80℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
取100份超高分子量聚乙烯与润滑剂硬脂酸3份、硬脂酸钙3份投入高速混料机中高速搅拌至60℃，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过KH550偶联剂活化处理的玻璃微珠30份、玄武岩纤维10份，纳米氧化铝10份，高速搅拌5分钟后出料备用。
双螺杆挤出机的温度从输送段到机头模依次为125℃，160℃，265℃，240℃，190℃，195℃，200℃，205℃，200℃；通过挤出机头模挤出平直 状的S14M轮齿条。
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为110℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固定在齿轮芯上，制备得到S14M同步带齿轮。
经过检测，S14M同步带齿轮到表面硬度可达洛氏45，同时具有很好的尺寸稳定性、耐冲击性，耐磨性能好、耐腐蚀，表面光滑、噪音低等特点。
实施例3
取填充料或补强纤维总质量的3％钛酸酯偶联剂，用无水乙醇10:1(体积比)进行稀释钛酸酯偶联剂。将称好的填充料或补强纤维放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入钛酸酯偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料或补强纤维，再放入设定温度80℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
取100份超高分子量聚乙烯与润滑剂聚乙烯蜡4份、硬脂酸锌2份投入高速混料机中高速搅拌至60℃，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过偶联剂活化处理的碳化硅25份、碳纤维30份，纳米滑石粉10份，高速搅拌5分钟后出料备用。
单螺杆或双螺杆挤出机的温度从输送段到机头模依次为125℃，160℃，280℃，260℃，200℃，220℃，225℃，230℃，225℃；通过挤出机头模挤出平直状的T10轮齿条。
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为120℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固 定在齿轮芯上，制备得到T10同步带齿轮。
经过检测，T10同步带齿轮到表面硬度可达洛氏45，同时具有摩擦系数低而稳定、耐磨性能好、耐腐蚀，表面光滑、噪音低等特点。
综上所述，本发明所提供的超高分子量聚乙烯复合材料，通过加入纳米级无机填料、润滑剂进行改性，解决了所述超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，可以通过挤出机挤出成型，制备不同的产品。经过改性的超高分子量聚乙烯复合材料不仅具备原有的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，还具有刚性强、表面硬度高的优点，并且热变形温度提高到100℃左右，使得本发明超高分子量聚乙烯复合材料的稳定性提高，使用范围更加广泛，可以用于生产齿轮、运输管道、托辊、人工关节等产品。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，其原料组成，按质量份数计，包括以下组分：
超高分子量聚乙烯 100份；
润滑剂 0.1～10份；
填充料 10～60份；
补强纤维 5～40份；
纳米无机填料 0.1～10份。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯为平均分子量为150万～800万。
3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，所述润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸锌中的一种或多种；所述填充料为玻璃微珠、陶瓷微珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼中的一种或多种；所述补强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、涤纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种；所述纳米无机填料为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米滑石粉、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙复合烯材料，其特征在于，所述填充料和补强纤维经过偶联剂活化处理。
5.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
7.一种如权利要求1-6任一所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按比例获取超高分子量聚乙烯与润滑剂，高速搅拌至40～60℃或8～15分钟；再加入纳米无机填料和已通过偶联剂活化处理的填充料、补强纤维，高速搅拌3～5分钟；
通过挤出机挤出成型。
8.根据权利要求7所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述挤出过程采用单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机的温度从输送段到机头模依次为125±5℃，160±5℃，250～290℃，230～265℃，180～220℃，190～235℃，195～240℃，200～250℃，190～235℃。
9.根据权利要求7所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
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