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一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种高抗冲抗静电超高分子聚乙烯复合材料及其制备方法。所述高抗冲击、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在超高转速下复合得到的产物；其中，所述复合材料中多壁碳纳米管的质量百分含量为0.5～5％。本发明提供的超高分子量聚乙烯复合材料具有抗静电性能，复合材料的体积电阻在103～107Ω；具有优良的抗冲击性能，相比纯的超高分子量聚乙烯材料，冲击强度提高52.2～73.9％。本发明还提供一种高抗冲击、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法。本发明的制备方法工艺简单，环保安全。

Description

一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种高抗冲抗静电超高分子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)是一种性能优异的新型工程塑料，具有摩擦系数小、磨耗低、耐冲击、自润滑性、耐应力开裂性、抗冻性、生物相容性、卫生性等优点。因此，UHMWPE常被用于一些特定领域包括轴承组件、齿轮、导轨和人造关节。
另一方面，UHMWPE的体积电阻率较高，大约为1017～1018Ω·cm。UHMWPE制品在成型、运输和使用过程中，受到摩擦和挤压很容易产生和积累静电，这种静电的产生和积累严重时会发生静电放电而产生火花引起恶性***和火灾事故，造成人员和经济的巨大损失。至于静电在电子行业的危害就更为普遍和突出。因此，在这些应用场合，对UHMWPE进行抗静电处理己成为非常突出和迫切的问题。
对UHMWPE的抗静电处理目前使用较广、效果较好的是采用低价的炭黑填充来改善其导电性能，但为了达到较想的导电效果，往往炭黑填充量较大，一方面对基体力学性能造成严重影响，另一方面使材料流变性变差，成型加工困难。碳纳米管(CNTs)由于具有良好导电性能，以及良好的力学、热学性能，用于UHMWPE复合材料的导电填料可以在极小的填充量下实现抗静电性能，同时复合材料的冲击强度、拉伸强度得到一定提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的为提供一种高抗冲、抗静电的超高分子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具有优良的抗冲击、抗静电性能。
本发明所采用的技术方案是：
一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料，由多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在超高转速搅拌作用下复合得到；其中，所述复合材料中多壁碳纳米管的质量百分含量为0.5～5％。
进一步，所述超高分子量聚乙烯的分子量为3～6×106，平均粒径为200～300μm。
进一步，所述在超高转速下复合为将多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在20000～30000r/min 的转速下混合，经挤出、模压得到复合材料。
本发明所述复合材料的冲击强度为70～80MPa。
本发明所述复合材料的体积电阻为103～107Ω。
本发明还提供一种制备上述高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，包括如下步骤：将多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合后在超高转速下搅拌混合得到混合物，在混合物中加入流动改性剂，通过单螺杆挤出机挤出复合，最后模压得到复合材料。
进一步，所述在超高转速下混合为将多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在20000～30000r/min 的转速下，处理60～90s。
进一步，所述多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合的质量比为0.5～5∶99.5～95。
根据本发明提供的制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，所述流动改性剂为石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸钙中的一种或多种；
进一步，所述流动改性剂与混合物混合的质量比为0.5～2∶100
本发明所述制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法中，将所述复合材料进一步模压成型，得到复合材料片材，所述模压成型所采用温度为160～240℃，所采用的预热压力为5MPa，恒温时间为15min，所采用的全压压力为5～15MPa，并恒温30～120min，平均冷却速率为15℃/min，冷却后得到复合材料。
发明详述：
本发明一方面提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在超高转速下复合得到的产物；其中，所述复合材料中多壁碳纳米管的质量百分含量为0.5～5％。
本发明另一方面提供一种制备上述复合材料的方法，包括如下具体步骤：
(1)将超高分子量聚乙烯粉末置于真空干燥箱中，在60℃下真空干燥12小时；
(2)准确称取烘干的超高分子量聚乙烯粉末95～99.5wt％，在高速搅拌器中搅拌60～120s，转速为20000～30000r/min；
(3)准确称取多壁碳纳米管粉末0.5～5％加入到步骤(2)中的超高分子量聚乙烯粉末中，继续高速搅拌60～120s，转速为20000～30000r/min；
(4)将步骤(3)中的混合物加入流动改性剂，混合物与流动改性剂质量比例为100∶0.5～2，然后投入到单螺杆挤出机中挤出复合，挤出机机筒温度为180～220℃；
(5)将步骤(4)中的复合物热压成型制得UHMWPE复合材料，具体是在温度为160～240℃，压力为5MPa条件下预压5～15min，然后在压力为5～15MPa，恒温30～120min，以平均冷却速率为15℃/min冷却后得到复合材料。
步骤(4)中所述流动改性剂为石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸钙中的一种或多种。
本发明有益技术效果：
本发明的超高分子量聚乙烯复合材料具有优良的抗冲击、抗静电性能，相比纯的超高分子量聚乙烯材料，冲击强度提高了52.2～73.9％，体积电阻下降了10～14个数量级。
本发明的高抗冲抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，采用超高转速搅拌UHMWPE 粉末颗粒，高速摩擦使其积累大量静电，然后添加多壁碳纳米管粉末，继续超高速搅拌，在静电吸附力以及搅拌力作用下，多壁碳纳米管均匀地分散在UHMWPE粉末颗粒表面，然后通过挤出进一步混合，最后模压成型。本发明的制备方法工艺简单，无需添加有机溶剂，环保安全。
附图说明
图1是本发明制备的超高分子量聚乙烯复合材料的体积电阻随MWCNT添加量的变化图(复合材料的体积电阻随多壁碳纳米管添加量的变化)。复合材料的体积电阻随着多壁碳纳米管添加量的增加而急剧下降。多壁碳纳米管添加量为0.5wt％时，复合材料体积电阻为107～108Ω，已经满足抗静电需求。当添加量为1wt％时，复合材料的体积电阻下降了10～11个数量级；当添加量继续增加复合材料体积电阻下降趋势减缓。
图2是本发明制备的高抗冲抗静电超高分子量聚乙烯复合材料冲击断面的SEM图(冲击断面形貌图：(a和a1)超高分子量聚乙烯；(b和b1)超高分子量聚乙烯/多壁碳纳米管复合材料)。通过对复合材料冲击断面形貌的观察，发现复合材料断面处条带状褶皱的数量明显多于空白超高分子量聚乙烯断面的褶皱数量；褶皱带越多，表明材料受冲击时吸收的能量越多。另外，在材料受外力作用变形的过程中，多壁碳纳米管出现破裂和从基体中拔出的现象，这一过程必然也需要吸收一部分的能量。因此，多壁碳纳米管的加入能够显著提高超高分子量聚乙烯复合材料的抗冲击性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步分析。
实施例1
(1)将99.5g粘均分子量550万超高分子量聚乙烯80℃真空干燥12h后，放入高速搅拌机中以20000r/min搅拌60s，然后加入0.5g多壁碳纳米管，继续以20000r/min搅拌60s；
(2)将步骤(1)中的混合物加入2g流动改性剂后，投入单螺杆挤出机中挤出，然后将挤出物在240℃、5MPa预压15min，然后压力升至10MPa热压30min，以15℃/min降至室温制得复合材料。
实施例2
其他同实施例1，UHMWPE含量为99g，所加入多壁碳纳米管含量为1g。
实施例3
其他同实施例1，UHMWPE含量为97.5g，所加入多壁碳纳米管含量为2.5g。
实施例4
其他同实施例1，UHMWPE含量为95g，所加入多壁碳纳米管含量为5g。
实施例5
(1)将99.5g粘均分子量550万超高分子量聚乙烯80℃真空干燥12h后，放入高速搅拌机中以30000r/min搅拌60s，然后加入0.5g多壁碳纳米管，继续以30000r/min搅拌60s；
(2)将步骤(1)中的混合物加入2g流动改性剂后，投入单螺杆挤出机中挤出，然后将挤出物在200℃、5MPa预压15min，然后压力升至10MPa热压30min，以15℃/min降至室温制得复合材料。
实施例6
其他同实施例5，UHMWPE含量为99g，所加入多壁碳纳米管含量为1g。
实施例7
其他同实施例5，UHMWPE含量为97.5g，所加入多壁碳纳米管含量为2.5g。
实施例8
其他同实施例5，UHMWPE含量为95g，所加入多壁碳纳米管含量为5g。
实施例9
(1)将99.5g粘均分子量550万超高分子量聚乙烯80℃真空干燥12h后，放入高速搅拌机中以30000r/min搅拌90s，然后加入0.5g多壁碳纳米管，继续以30000r/min搅拌90s；
(2)将步骤(1)中的混合物加入2g流动改性剂，投入单螺杆挤出机中挤出，将挤出物在200℃、 5MPa预压15min，保持压力热压30min，以15℃/min降至室温制得复合材料。
实施例10
(1)将99.5g粘均分子量550万超高分子量聚乙烯80℃真空干燥12h后，放入高速搅拌机中以30000r/min搅拌90s，然后加入0.5g多壁碳纳米管，继续以30000r/min搅拌90s；
(2)将步骤(1)中的混合物加入2g流动改性剂，投入单螺杆挤出机中挤出，将挤出物在200℃、 5MPa预压15min，然后压力升至15MPa热压30min，以15℃/min降至室温制得复合材料。
实施例11
(1)将97.5g粘均分子量550万超高分子量聚乙烯80℃真空干燥12h后，放入高速搅拌机中以30000r/min搅拌90s，然后加入2.5g多壁碳纳米管，继续以30000r/min搅拌90s；
(2)将步骤(1)中的混合物加入2g流动改性剂，投入单螺杆挤出机中挤出，将挤出物在180℃、 5MPa预压15min，然后压力升至15MPa热压30min，以15℃/min降至室温制得复合材料。
实施例12
(1)将95g粘均分子量450万超高分子量聚乙烯80℃真空干燥12h后，放入高速搅拌机中以 30000r/min搅拌90s，然后加入5g多壁碳纳米管，继续以30000r/min搅拌90s；
(2)将步骤(1)中的混合物加入2g流动改性剂，投入单螺杆挤出机中挤出，将挤出物在240℃、 5MPa预压15min，然后压力升至15MPa热压30min，以15℃/min降至室温制得复合材料。
将上述实施例1-12制备的超高分子量聚乙烯复合材料进行性能测试。
表1实施例性能

Claims (10)

1.一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料，由多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在超高转速搅拌作用下复合得到；其中，所述复合材料中多壁碳纳米管的质量百分含量为0.5～5％。
2.如权利要求1所述一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的分子量为3～6×106，平均粒径为200～300μm。
3.如权利要求1所述一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，所述在超高转速下复合为将多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在20000～30000r/min的转速下混合，经挤出、模压得到复合材料。
4.如权利要求1所述一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，所述复合材料的冲击强度为70～80MPa；所述复合材料的体积电阻为103～107Ω。
5.一种制备权利要求1所述高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，包括如下步骤：将多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合后在超高转速下搅拌混合得到混合物，在混合物中加入流动改性剂，通过单螺杆挤出机挤出复合，最后模压得到复合材料。
6.如权利要求5所述制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，其特征在于，所述在超高转速下混合为将多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯在20000～30000r/min的转速下，处理60～90s。
7.如权利要求5所述制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合的质量比为0.5～5∶99.5～95。
8.如权利要求5所述制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，其特征在于，所述流动改性剂为石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸钙中的一种或多种。
9.如权利要求5所述制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，其特征在于，所述流动改性剂与混合物混合的质量比为0.5～2∶100。
10.如权利要求5所述制备高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料的方法，其特征在于，将所述复合材料进一步模压成型，得到复合材料片材，所述模压成型所采用温度为160～240℃，所采用的预热压力为5MPa，恒温时间为15min，所采用的全压压力为5～15MPa，并恒温30～120min，平均冷却速率为15℃/min，冷却后得到复合材料。
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