CN102757585B - 一种聚乙烯纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚乙烯纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于聚乙烯复合材料技术领域，公开了一种聚乙烯纳米复合材料及其制备方法。该聚乙烯复合材料包括以下组分及重量份数：66.5～88.7份超高分子量聚乙烯、10～25份中低分子量聚乙烯、0.5～5份的纳米金刚石、0.5～2份润滑剂、0.2～0.5份抗氧剂和0.1～1份成核剂。本发明还公开了该聚乙烯纳米复合材料的制备方法。本发明制备的超高分子量聚乙烯纳米复合材料在纳米金刚石添加量很少情况下，硬度、强度就能有明显的提升，耐磨性能有大幅度的提高，具有耐热性、韧性、尺寸稳定性好，吸水率低等特点，大大的拓宽了超高分子量聚乙烯材料的应用范围。

Description

一种聚乙烯纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于聚乙烯复合材料技术领域，具体涉及一种聚乙烯纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。其产品由于洁白无毒，经加工成型后为板材、管材、棒材，可制成滚轮、齿轮、耐酸泵、轴套、轴瓦、脱水板、吸水箱、汽车燃油箱、大功率发电机密封带、医疗卫生中人工关节、人工骨、船舶用滑块，各种铲运机械等等。可广泛应用于纺织、食品、造纸、皮革、化工、轻工、煤矿、冶金、电气电子、通讯、汽车、摩托车、兵器、航空、船舶零件及各种机械行业。
超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性，但由于其大分子链段的连续性和柔韧性，使得其性能与工程塑料相比偏低，限制了其向功能化、高性能化方向的应用和发展，向高分子量聚乙烯材料中填加无机材料是聚烯烃塑料工程化的发展主流。良好界面相容的复合材料将无机物的刚性、耐热性、耐磨性等，与有机物的柔韧性、良好的可加工性、可塑性，较好地结合起来，从而赋予通用型材料工程化，或某些特殊性能，提高材料档次、扩充材料的使用范围。
纳米填料/UHMPE复合材料兼具有无机、有机和纳米材料的性质，因此具有良好的综合性能。而这些性能随材料的结构、两相的组成和两相比例的改变而变化，这样就可以通过两相的优化组合其物理性能，集合出不同用途的复合材料。
纳米金刚石是平均粒径为纳米量级的金刚石微粉，它具备了纳米粒子和超硬材料的双重特性，巨大的比表面积(300-400m2/g)，大量的结构缺陷和表面含氧官能团等，使其在开发具有特殊性能的新材料方面具有较大的潜力。目前，纳米金刚石在复合涂层、润滑油添加剂、研磨材料和金属基纳米金刚石复合材料等领域有着很广泛的应用。在复合材料中添加超硬材料粉末提高复合材料的性能是一条重要途径。
从现有技术来看，聚乙烯基纳米复合材料一般填充物为纳米碳化硅、纳米二硫化钼、纳米炭黑等。这些填充物能够增加复合材料的强度、耐磨性、硬度，但是提高的幅度都不是很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚乙烯纳米复合材料。
本发明的另一个目的是提供一种上述聚乙烯纳米复合材料的制备方法。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种聚乙烯纳米复合材料，该复合材料包括以下组分及重量份数：
所述的超高分子量聚乙烯为粉末状，粘均分子量为150-400W。
所述的中低分子量聚乙烯粘均分子量为20-60W。
所述的纳米金刚石粉经过预处理，处理步骤如下：高压釜中，加入1kg的未经过处理的纳米金刚石和5L的浓硝酸，180℃，搅拌5小时，过滤，用去离子水洗涤至中性；把去除微量杂质后的纳米金刚石和5L的浓度为10％的氢氧化钠溶液加入高压釜中，150℃，搅拌5小时，过滤，用去离子水洗涤至中性，干燥；将钛酸酯偶联剂NDZ-101用沸程为60-90℃的石油醚溶解，用丙酮分散，加入上述的纳米金刚石，超声1小时，放入烘箱中除去溶剂，100℃干燥2小时，密封保存。
所述的纳米金刚石纯度≥95％，平均粒径10-50nm。
所述的润滑剂选自固体石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸钙、硬脂酸锌或硬脂酸镁等。
所述的抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂168中的一种或几种的混合物。
所述的成核剂选自苯甲酸、硅藻土、苯甲酸钠、己二酸钠、硬脂酸盐、热解硅石或白炭黑。
本发明还提供了一种上述聚乙烯纳米复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：把66.5～88.7份的超高分子量聚乙烯，10～25份的中低分子量聚乙烯，0.5～5份的纳米金刚石，0.5～2份的润滑剂，0.2～0.5份的抗氧剂，0.1～1份的成核剂加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。
所述的单螺杆挤出机的具体各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃；成型模具温度区间为220-250℃。
本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明制备的超高分子量聚乙烯纳米复合材料在纳米金刚石添加量很少情况下，硬度、强度就能有明显的提升，耐磨性能有大幅度的提高，具有耐热性、韧性、尺寸稳定性好，吸水率低等特点，大大的拓宽了超高分子量聚乙烯材料的应用范围。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
拉伸性能的测试：GB1040/T-1992，塑料拉伸性能试验方法，1992.拉伸速度5mm/min。
冲击性能的测试：悬臂梁缺口冲击强度按照GB/T1843-1996，塑料悬臂梁冲击试验方法，1996。
耐磨性能的测试：样条加工成20mm*120mm*200mm的长方体试样，磨损实验在MCF-30冲蚀磨损试验机上进行；冲蚀条件：喷嘴直径8mm，水压13MPA，冲击角度为45度，含沙量6-10％(wt％)，试验采用60-80目石英沙，时间30min。利用精度为1mg的分析天平测定样品的磨损质量损失。
以下实施例中是所用纳米金刚石的处理步骤：高压釜中，加入1kg未经过处理的纳米金刚石和5L的浓硝酸，180℃，搅拌5小时，过滤，用去离子水洗涤至中性；把去除微量杂质后的纳米金刚石和5L的氢氧化钠溶液(浓度10％)加入高压釜中，150℃，搅拌5小时，过滤，用去离子水洗涤至中性，干燥；将钛酸酯偶联剂NDZ-101用沸程为60-90℃的石油醚溶解，用丙酮分散，加入上述的纳米金刚石，超声1小时。放入烘箱中除去溶剂，100℃干燥2小时。密封保存。
以下实施例中所用的纳米金刚石纯度≥95％，平均粒径10-50nm；所用的超高分子量聚乙烯为粉末状，粘均分子量为150-400W。
实施例1
把88.5份分子量为150W的超高分子量聚乙烯，10份分子量为40-45W的聚乙烯，0.5份的纳米金刚石，0.5份的硬脂酸钙锌，0.2份的抗氧剂1010，0.2份的抗氧剂168，0.1份的白炭黑加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。具体各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃。成型模具温度区间为220-250℃。
测试性能数据如下：拉伸强度23.1MPA，冲击强度77.67kj/m2，磨损率0.78，(空白实验，不添加纳米金刚石的数据为拉伸强度20.6MPA，缺口冲击76.1kj/m2，以基体的磨损率做对比定为1)
实施例2
把82.4份分子量为200W的超高分子量聚乙烯，15份分子量为20-25W的聚乙烯，1份的纳米金刚石，1份的聚乙烯蜡，0.2份的抗氧剂1010，0.2份的抗氧剂168，0.2份的硅藻土加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。具体各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃。成型模具温度区间为220-250℃。
测试性能数据如下：拉伸强度29.1MPA，冲击强度80.3kj/m2，磨损率0.48(空白实验，不添加纳米金刚石的数据为拉伸强度21.3MPA，缺口冲击76.6kj/m2，以基体的磨损率做对比定为1)
实施例3
把66.5份分子量为400W的超高分子量聚乙烯，25份分子量为30-35W的聚乙烯，5份的纳米金刚石，2份的固体石蜡，0.3份的抗氧剂1010，0.2份的抗氧剂168，1份的热解硅石加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。具体各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃。成型模具温度区间为220-250℃。
测试性能数据如下：拉伸强度38.9MPA，冲击强度61.0kj/m2，磨损率0.17(空白实验，不添加纳米金刚石的数据为拉伸强度22.6MPA，缺口冲击66.2kj/m2，以基体的磨损率做对比定为1)
实施例4
把80.6份分子量为250W的超高分子量聚乙烯，15份分子量为55-60W的聚乙烯，3份的纳米金刚石，0.8份的固体石蜡，0.2份的抗氧剂1010，0.2份的抗氧剂168，0.2份的苯甲酸钠加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。具体各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃。成型模具温度区间为220-250℃。
测试性能数据如下：拉伸强度32.4MPA，冲击强度75.8kj/m2，磨损率0.21(空白实验，不添加纳米金刚石的数据为拉伸强度21.3MPA，缺口冲击74.9kj/m2，以基体的磨损率做对比定为1)
实施例5
把75.5份分子量为300W的超高分子量聚乙烯，20份分子量为50-55W的聚乙烯，2份的纳米金刚石，1份的硬脂酸镁，0.3份的抗氧剂1010，0.2份的抗氧剂168，1份的热解硅石加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。具体各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃。成型模具温度区间为220-250℃。
测试性能数据如下：拉伸强度31.8MPA，冲击强度72.5kj/m2，磨损率0.22(空白实验，不添加纳米金刚石的数据为拉伸强度22.2MPA，缺口冲击70.3kj/m2，以基体的磨损率做对比定为1)
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：该复合材料包括以下组分及重量份数，
所述的预处理后的纳米金刚石的预处理步骤如下：
高压釜中，加入1kg未经过处理的纳米金刚石和5L的浓硝酸，180℃，搅拌5小时，过滤，用去离子水洗涤至中性；把去除微量杂质后的纳米金刚石和5L的浓度为10％的氢氧化钠溶液加入高压釜中，150℃，搅拌5小时，过滤，用去离子水洗涤至中性，干燥；将钛酸酯偶联剂NDZ-101用沸程为60-90℃的石油醚溶解，用丙酮分散，加入上述的纳米金刚石，超声1小时，放入烘箱中除去溶剂，100℃干燥2小时，密封保存。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：所述的超高分子量聚乙烯为粉末状，粘均分子量为150-400W。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：所述的中低分子量聚乙烯粘均分子量为20-60W。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：所述的纳米金刚石纯度≥95％，平均粒径10-50nm。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：所述的润滑剂选自固体石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸钙、硬脂酸锌或硬脂酸镁。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂168中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1所述的聚乙烯纳米复合材料，其特征在于：所述的成核剂选自苯甲酸、硅藻土、苯甲酸钠、己二酸钠、硬脂酸盐、热解硅石或白炭黑。
8.权利要求1至7任一所述的聚乙烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
把66.5～88.7份的超高分子量聚乙烯，10～25份的中低分子量聚乙烯，0.5～5份纳米金刚石，0.5～2份的润滑剂，0.2～0.5份的抗氧剂，0.1～1份的成核剂加入高混机中混合均匀，从加料口进入单螺杆挤出机，挤出成型。
9.根据权利要求8所述的聚乙烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的单螺杆挤出机的各区温度如下：一区温度190℃，二区温度220℃，三区温度230℃，四区温度235℃；成型模具温度区间为220-250℃。
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