CN103044754A - 超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材及其制备方法，首先将层状硅酸盐与的含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成；然后将超高分子量聚乙烯粉、多壁碳纳米管粉、过氧化物和乙醇依次加入到高速搅拌机中，与经偶联处理的层状硅酸盐一起高速搅拌3-30分钟，混合均匀；最后将上述处理过的混合物在180℃-270℃在渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。本发明通过偶联处理，增加有机、无机相界面的相容性；通过微交联、控制聚合物熔体剪切强度，促进接枝单体插入到层状硅酸盐片层间，以及减弱并进一步破坏层状硅酸盐相邻两层间的范德华结合力，具有优异的力学性能、热学性能和耐磨性能。

Description

超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体的讲是超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材及其制备方法。

背景技术

目前，超高分子量聚乙烯是指粘均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯，其耐磨、耐冲击、耐腐蚀、自润滑、吸收冲击能为现有塑料中最高值，故被称为“令人惊异的塑料”，但由于粘度极高，成型加工困难。一般超高分子量聚乙烯粉的改性加工或成型加工所使用的挤出机有单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。其中，双螺杆是正位移输送方式，输送效率高、对物料的剪切力大。一般基于双螺杆挤出方式的超高分子量聚乙烯改性研究，主要侧重于提高配方内容的润滑度研究，通过配方的调整，主要是采用内润滑或外润滑的方式，降低挤出体系的粘度，使得超高分子量聚乙烯得以顺利挤出。但是此加工方式由于设备的剪切强度大，导致超高分子量聚乙烯的部分链段被切断，平均分子量有所降低，从而导致制品的性能有所缺失。而采用单螺杆挤出机的输送主要靠摩擦拖曳，也就是凭借螺杆与机筒之间的摩擦差进行输送，如果不对设备进行改造，用其来加工超高分子量聚乙烯，由于剪切强度不够，导致物料不塑化，也无法加工出合格产品。

同时，单一的超高分子量聚乙烯其刚性和耐热性由于树脂本身的特点，决定了其刚性、耐热性较差。同时为了方便加工，很多情况下，又向其中添加了聚乙烯蜡等低分子的物质，导致其刚性、耐热性进一步有所降低。现在向超高分子量聚乙烯材料中填加碳纳米管及无机材料是聚烯烃塑料工程化的一种发展趋势。良好界面相容的复合材料将碳纳米管和无机物的刚性、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。而传统的超高分子量聚乙烯/无机填料复合材料，在两相界面相容性较差，造成复合材料的力学性能和其它性能较差。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种能增加对超高分子量聚乙烯的加工塑化能力，并具有优异力学性能、热学性能和耐磨性能的高性能超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材。

本发明还提供一种制备超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材的方法。

其技术方案是：超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，包括以下重量份数的原料混合而成：

超高分子量聚乙烯粉       50-100份

多壁碳纳米管粉           2-10份

层状硅酸盐               5-30份

含不饱和键的硅烷         0.01-10份

过氧化物                 0.001-3份

水或乙醇                 0.3-30份。

所述的超高分子量聚乙烯粉为粘均分子量为250万至450万。

所述多壁碳纳米管粉的长度为10-30um、直径为1-9nm、纯度为CNT≥90%。

所述的层状硅酸盐为含有二氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化铝的具有层状结构的、大长径比的云母、高岭石、埃洛石、海泡石、滑石、硅灰石、蒙脱石或坡缕石的无机矿物质。

所述层状硅酸盐片层厚度为1-2nm，片层粒径为50-200 nm。

所述的含不饱和键的硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧基丙基）三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、磺酰叠氮三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基硅烷）或乙烯基三氯硅烷。

所述的过氧化物为2,5-二甲基-2,5-双（叔丁过氧基）己烷、二叔丁基过氧化物、2,5-二甲基-2,5-双（叔丁过氧基己烷-3）或过氧化二异丙苯。

超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材的制备方法，按以下步骤制备而成：

1）将上述重量份数的层状硅酸盐与含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成；

2）将上述重量份数的超高分子量聚乙烯粉、多壁碳纳米管粉、过氧化物和乙醇依次加入到高速搅拌机中，与经偶联处理的层状硅酸盐一起高速搅拌3-30分钟，混合均匀；

3）将上述处理过的混合物在180℃-270℃在渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。

所述渐开线型单螺杆挤出机的螺杆长径比为20:1，螺筒内采用轴向拉槽，模头采用粘弹性流体流线型设计。

采用了上述技术方案后，本发明取得的有益效果是：本发明通过偶联处理，增加有机、无机相界面的相容性；通过微交联、控制聚合物熔体剪切强度，促进接枝单体插入到层状硅酸盐片层间，以及减弱并进一步破坏层状硅酸盐相邻两层间的范德华结合力，从而实现有机聚合体在层状硅酸盐外表面及层间的粘合力，制备出高性能的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材。

并通过渐开线型单螺杆挤出机中特殊定制的螺杆、机筒设计配置，提高了其对超高分子聚乙烯的加工塑化能力。总之，本发明具有优异的力学性能、热学性能和耐磨性能，复合管材的弯曲模量、热变形温度均有明显的提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

1）将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐5份与0.1份的含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成。

2）将92份超高分子量聚乙烯粉、3份碳纳米管粉、0.01份过氧化物、0.3份水或乙醇依次加入到高速搅拌机中，高速搅拌5分钟，混合均匀。

3）将上述处理过的混合物在特殊定制的渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。

所述的超高分子量聚乙烯粉，为粘均分子量为250万至450万的工业化生产的聚乙烯。

所述多壁碳纳米管粉的长度为10-30um、直径为1-9nm、纯度为CNT≥90%。

所述的层状硅酸盐为含有二氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化铝的具有层状结构的、大长径比的云母、高岭石、埃洛石、海泡石、滑石、硅灰石、蒙脱石或坡缕石的无机矿物质。

所述层状硅酸盐片层厚度为1-2nm，片层粒径为50-200 nm。其中，片状结构的在硅酸盐热剪切、粘切、有机微交联插入等综合作用下，容易破坏维系两层间的范德华结合，形成均匀分散于聚合物机体中的、大径厚比的无机纳米结构，表征出较强的纳米效应。在本发明中，层状硅酸盐的最佳用量为5-20份。

所述的含不饱和键的硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧基丙基）三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、磺酰叠氮三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基硅烷）或乙烯基三氯硅烷。

所述的过氧化物为2,5-二甲基-2,5-双（叔丁过氧基）己烷、二叔丁基过氧化物、2,5-二甲基-2,5-双（叔丁过氧基己烷-3）或过氧化二异丙苯。

其中，所述渐开线型单螺杆挤出机的螺杆长径比为20:1，螺筒内采用轴向拉槽，模头采用粘弹性流体流线型设计。

实施例二

1）将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐10份与0.2份的含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成。

2）将87份超高分子量聚乙烯粉、3份碳纳米管粉、0.02份过氧化物、0.3份水或乙醇依次加入到高速搅拌机中，高速搅拌5分钟，混合均匀。

3）将上述处理过的混合物在特殊定制的渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。

其它与实施例一基本相同，在此不再赘述。

实施例三

1）将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐15份与0.3份的含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成。

2）将82份超高分子量聚乙烯粉、3份碳纳米管粉、0.02份过氧化物、0.3份水或乙醇依次加入到高速搅拌机中，高速搅拌5分钟，混合均匀。

3）将上述处理过的混合物在特殊定制的渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。

其它与实施例一基本相同，在此不再赘述。

实施例四

1）将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐20份与0.4份的含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成。

2）将77份超高分子量聚乙烯粉、3份碳纳米管粉、0.02份过氧化物、0.3份水或乙醇依次加入到高速搅拌机中，高速搅拌5分钟，混合均匀。

3）将上述处理过的混合物在特殊定制的渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。

有益效果实验：

从挤出产品上根据国标制取标准样条，在检测设备上依据国标测试。

检测后的性能见表1：

表1

通过表1可以看出本发明制备的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，由于偶联、微交联插层的协同效应，使材料的纳米效应得到体现。制备的复合管材在保证顺利挤出的前提下，与纯超高分子量聚乙烯挤出管材相比较，在拉伸强度、材料耐磨等各方面的指标大致相当的情况下，复合管材的弯曲模量、热变形温度，均有明显的提高。

Claims (9)

1.超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：包括以下重量份数的原料混合而成：

超高分子量聚乙烯粉       50-100份

多壁碳纳米管粉           2-10份

层状硅酸盐               5-30份

含不饱和键的硅烷         0.01-10份

过氧化物                 0.001-3份

水或乙醇                 0.3-30份。

2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：所述的超高分子量聚乙烯粉为粘均分子量为250万至450万。

3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：所述多壁碳纳米管粉的长度为10-30um、直径为1-9nm、纯度为CNT≥90%。

4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：所述的层状硅酸盐为含有二氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化铝的具有层状结构的、大长径比的云母、高岭石、埃洛石、海泡石、滑石、硅灰石、蒙脱石或坡缕石的无机矿物质。

5.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：所述层状硅酸盐片层厚度为1-2nm，片层粒径为50-200 nm。

6.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：所述的含不饱和键的硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧基丙基）三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、磺酰叠氮三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基硅烷）或乙烯基三氯硅烷。

7.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材，其特征在于：所述的过氧化物为2,5-二甲基-2,5-双（叔丁过氧基）己烷、二叔丁基过氧化物、2,5-二甲基-2,5-双（叔丁过氧基己烷-3）或过氧化二异丙苯。

8.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材的制备方法，其特征在于：按以下步骤制备而成：

1）将上述重量份数的层状硅酸盐与含不饱和键的硅烷进行偶联处理，以上处理在高速搅拌机中完成；

2）将上述重量份数的超高分子量聚乙烯粉、多壁碳纳米管粉、过氧化物和乙醇依次加入到高速搅拌机中，与经偶联处理的层状硅酸盐一起高速搅拌3-30分钟，混合均匀；

3）将上述处理过的混合物在180℃-270℃在渐开线型单螺杆挤出机上挤出管材。

9.根据权利要求8所述的超高分子量聚乙烯/碳纳米管油管衬里管材的制备方法，其特征在于：所述渐开线型单螺杆挤出机的螺杆长径比为20:1，螺筒内采用轴向拉槽，模头采用粘弹性流体流线型设计。