CN102181089B - 玄武岩纤维填充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
一种玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法，属于聚合物复合材料及制备方法。该材料由以下组分组成：超高分子量聚乙烯，质量分数为65%-95%；玄武岩纤维，质量分数为5%-35%；偶联剂，质量分数为0%-2%。其制备方法包括如下步骤：混料，使超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维和偶联剂形成均匀的混合料；热压成型，在180℃-220℃下保温1-2小时，然后在10-30MPa的压力下压制20-60分钟，最后冷却至室温，即可制备出玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料。该改性材料不仅具有很好的耐磨损性能和自润滑性能，还具有较高的压缩强度、硬度和耐蠕变性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物复合材料及制备方法，特别是一种玄武岩纤维填充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)具有与普通聚乙烯相同的分子结构，是一种粘均相对分子质量在150万以上的具有线性结构的热塑性工程塑料，具有其他工程塑料所无可比拟的优异综合性能：耐磨损，其耐磨性居塑料之冠；耐冲击，是现有塑料中耐冲击强度最高的；自润滑性能好，摩擦系数低，其动摩擦系数为0.1-0.22，可与聚四氟乙烯(PTFE)相媲美，是理想的润滑材料；耐化学药品腐蚀；耐低温、耐应力开裂、抗黏附能力强；优良的电绝缘性和抗老化性；安全卫生等。
超高分子量聚乙烯也有许多不足：表面硬度低；强度和刚度较低；抗磨粒磨损和抗疲劳磨损能力差；耐蠕变性差；熔融粘度高；流动性差；耐温性能差；不抗静电；导热性差等。超高分子量聚乙烯的改性方法主要有物理方法和化学方法，物理方法如填充、共混、增强等；化学方法如共聚、接枝、交联等。
玄武岩纤维是一种能与玻璃纤维和碳纤维相竞争的高科技产品。它是以天然玄武岩矿石为原料，经高温熔融、澄清均化，熔化后拉制成的纤维，玄武岩纤维在制造过程中，没有金属氧化物的排放污染，回收后可以自然降解，不会对环境造成二次污染，因此玄武岩纤维是一种新型绿色环保材料。玄武岩纤维的密度较高，硬度很高，因而具有优异的耐磨、抗拉性能，玄武岩纤维的力学强度远远超过天然纤维和合成纤维，所以它是一种理想的增强材料。另外，玄武岩纤维还具有很好的耐高温、耐水性、耐腐蚀性以及良好的化学稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法，解决现有超高分子量聚乙烯抗疲劳磨损和抗粘着磨损能力差、表面硬度低、强度低、耐蠕变性差的问题。
本发明的目的是这样实现的，该复合材料的组成及其质量百分比如下：
超高分子量聚乙烯65%-95%、玄武岩纤维5%-35%；偶联剂0%-2%；
所述的超高分子量聚乙烯基体的粘均分子量为300万-900万；
所述的玄武岩纤维的单根直径为5-50微米；纤维的长度分长纤维和短纤维两种：短纤维的长度为2-10毫米，长纤维的长度为大于10毫米，长纤维和短纤维以任意比例混合；或者长纤维编织成布；或者长纤维做成三相织物结构；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和锆类偶联剂中的一种或几种混合。
复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)混料：将玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯和偶联剂放入混料机中进行充分的混合，形成均匀的混合料；
(2)热压成型：将上述混合料放入所需成品形状的模具中，在180℃-220℃下保温1-2小时，然后在10-30MPa的压力下压制20-60分钟，最后冷却至室温，即可制备出玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料。
有益效果，由于采用了上述方案，玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料的耐磨损性能相比超高分子量聚乙烯有了很大的提高，其磨损量仅为超高分子量聚乙烯磨损量的1/40；玄武岩纤维的加入大大的减少了超高分子量聚乙烯基体发生疲劳磨损和粘着磨损，抗疲劳磨损和抗粘着磨损能力好；玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料保持了超高分子量聚乙烯摩擦系数低、自润滑性能好；玄武岩纤维的加入提高了超高分子量聚乙烯的抗压强度和硬度，其抗压强度和硬度提高了47%和69%；填充玄武岩纤维使超高分子量聚乙烯的抗蠕变性能得到了有效的提高，其球压痕深度为57%。解决了现有超高分子量聚乙烯抗疲劳磨损和抗粘着磨损能力差、表面硬度低、强度低、耐蠕变性差的问题，达到了本发明的目的。
优点：(1)耐磨损性能相比超高分子量聚乙烯有了很大的提高，磨损量仅为超高分子量聚乙烯磨损量的1/40；大大的减少了超高分子量聚乙烯基体发生疲劳磨损和粘着磨损。
(2)摩擦系数与超高分子量聚乙烯的摩擦系数相差不大，玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料保持了超高分子量聚乙烯摩擦系数低、自润滑性能好的优点。
(3)压缩强度和硬度比纯超高分子量聚乙烯的抗压强度和硬度提高了47%和69%。
(4)抗蠕变性能得到了有效的提高，球压痕深度仅为超高分子量聚乙烯球压痕深度的57%。
(5)该材料制备工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1 为本发明的填充复合材料的微观形貌图。
图2 为本发明的超高分子量聚乙烯的磨损形貌图。
图3 为本发明的一定玄武岩纤维含量填充的复合材料的磨损形貌图。
具体实施方式
下面以具体的实施例来对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不只是局限于这些实施例。
实施例1：复合材料的成分组成为超高分子量聚乙烯95克，玄武岩纤维5克，偶联剂为0克。
基于上述，所述超高分子量聚乙烯基体的粘均分子质量为900万。
一种玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）混料：将玄武岩纤维和超高分子量聚乙烯放入混料机中进行充分的混合，形成均匀的混合料；（2）热压成型：将上述混合料放入所需成品形状的模具中，在180℃-220℃下保温1-2小时，然后在10-30MPa的压力下压制20-60分钟，最后冷却至室温，即可制备出无偶联剂添加的玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料。
所述的玄武岩纤维的单根直径为5-50微米；纤维的长度分长纤维和短纤维两种：短纤维的长度为2-10毫米，长纤维的长度为大于10毫米，长纤维和短纤维以任意比例混合；或者长纤维编织成布；或者长纤维做成三相织物结构；
实施例2：本实施例与实施例1的不同在于：
复合材料的成分组成为超高分子量聚乙烯90克，玄武岩纤维10克，加入硅烷偶联剂1.5克。
基于上述，所述超高分子量聚乙烯基体的粘均分子质量为800万。
基于上述，制备方法中，将玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯和偶联剂放入混料机中进行充分的混合，形成均匀的混合料。
实施例3：本实施例与实施例2的不同在于：
复合材料的成分组成为超高分子量聚乙烯85克，玄武岩纤维15克，加入硅烷偶联剂1克，铝酸酯偶联剂1克。
基于上述，所述超高分子量聚乙烯基体的粘均分子质量为600万。
实施例4：本实施例与实施例2的不同在于：
复合材料的成分组成为超高分子量聚乙烯80克，玄武岩纤维20克，加入硅烷偶联剂0.5克，钛酸酯偶联剂0.5克，铝酸酯偶联剂0.5克。
基于上述，所述超高分子量聚乙烯基体的粘均分子质量为400万。
实施例5：本实施例与实施例2的不同在于：
复合材料的成分组成为超高分子量聚乙烯75克，玄武岩纤维25克，加入硅烷偶联剂0.5克，钛酸酯偶联剂0.5克，铝酸酯偶联剂0.5克，锆类偶联剂0.5克。
基于上述，所述超高分子量聚乙烯基体的粘均分子质量为300万。
以上实施例仅用于对本发明的技术措施进行说明而非对其限制，对本发明的具体实施方式进行修改或对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术措施精神的，均应涵盖在本发明请求保护的技术措施范围之内。
Claims (1)
1.一种玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，该复合材料的组成及其质量百分比如下：
超高分子量聚乙烯65%-95%、玄武岩纤维5%-35%；偶联剂0%-2%；
所述的超高分子量聚乙烯基体的粘均分子量为300万-900万；
所述的玄武岩纤维的单根直径为5-50微米；纤维的长度分长纤维和短纤维两种：短纤维的长度为2-10毫米，长纤维的长度为大于10毫米，长纤维和短纤维以任意比例混合；或者长纤维编织成布；或者长纤维做成三相织物结构；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和锆类偶联剂中的一种或几种混合；
复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)混料：将玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯和偶联剂放入混料机中进行充分的混合，形成均匀的混合料；
(2)热压成型：将上述混合料放入所需成品形状的模具中，在180℃-220℃下保温1-2小时，然后在10-30MPa的压力下压制20-60分钟，最后冷却至室温，即可制备出玄武岩纤维填充超高分子量聚乙烯复合材料。
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