CN104513418A

CN104513418A - 一种导电uhmwpe金属粉末复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104513418A
Application number: CN201410552989.7A
Authority: CN
Inventors: 刘莉
Original assignee: Suzhou Netshape Composite Materials Co Ltd
Current assignee: Suzhou Netshape Composite Materials Co Ltd
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-04-15

Abstract

本申请公开了一种导电UHMWPE金属粉末复合材料及其制备方法，按照重量份数配比称取UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡、导电炭黑、硬脂酸钙、偶联剂、聚异丁烯、聚苯胺、CPE、抗氧剂、POE、UHMWPE-g-MAH、SBS和不锈钢纤维，研磨后烧结压塑即可；产品体积电阻率3.5-5.5×10⁵Ω，表面电阻率6-9×10⁹Ω；断裂伸长率300-500%，拉伸强度15-35MPa；弯曲模量1200-1400MPa，冲击强度4-8kJ/m²；弯曲强度120-150MPa。

Description

一种导电UHMWPE金属粉末复合材料及其制备方法

技术领域

本申请属于UHMWPE材料制备领域，尤其涉及一种导电UHMWPE金属粉末复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乙烯是目前产量最大、应用最广的塑料品种之一，约占世界塑料总产量的30%。其中，LDPE、HDPE以及被称为第三代聚乙烯的LLDPE等均属于热塑性通用塑料，唯有分子量高达150万以上的UHMW-PE，因物理力学性能优异而作为工程塑料应用。粉末冶金材料MMC即metal matrix composites具有高比强度、高比模量、耐磨、耐热、导电、导热、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数等优良性能，并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料而应用于航天航空、汽车工业、电子工业等领域以满足特殊场合对材料的比强度、比刚度、比模量、高温性能、低热膨胀系数等性能的要求。金属基复合材料是以金属合金为基体以高强度第二相为增强体而制得的复合材料它与高分子基复合材料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和纳米复合材料一起构成现代复合材料体系。其品种较多可按增强体和基体进行分类按照增强体形状可将复合材料分为颗粒增强复合材料层状复合材料和纤维增强复合材料。从强化的机理上分纤维增强复合材料更准确地可划分为连续纤维增强复合材料和不连续纤维增强复合材料。按基体进行分类有铝基复合材料镍基复合材料钛基复合材料及铜基复合材料等。目前在金属基复合材料中应用最广泛的一种复合材料是铝基复合材料。现代科学技术对现代新型材料的强韧性导电、导热性、耐高温性耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。与传统的金属材料相比金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度而与高分子基复合材料相比它又具有优良的导电性而耐热性与陶瓷材料相比它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家庭中的重要一员。它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。利用现代粉末冶金技术制取复合材料具有很大的优势，因此，形形色色的现代复合材料，特别是颗粒强化复合材料，常常伴随着现代粉末冶金技术同步发展，互为补充，互相促进。

根据美国菲利普石油公司的划分方法，分子量在150万以上的聚乙烯称为“UHMWPE”即Ultra-high molecular weight PE ，中文称超高分子量聚乙烯。德国赫斯特（Hoechst）公司、美国赫尔克乐斯（Hercules）公司和日本三井石油化学公司是世界上生产UHMWPE的三大公司，中国主要生产厂家是北京助剂二厂、上海高桥石化公司化工厂,中国石化齐鲁石化分公司。目前应用的复合材料主要有金属基、无机非金属基和高分子基三大类。但是由于金属基复合材料价格昂贵主要用于航空航天和军事领域，一般工业领域不多见。而由于铝基复合材料的优良的综合性能使得铝基复合材料在金属基复合材料中应用最为广泛。粉末冶金材料的性能不仅与基体金属有关也与增强的第二相的性能和数量有关。同时还与基体和增强相的界面结构有关，即与基体和增强相的界面结合力有关。因此，对金属基复合材料的研究主要集中在以下几个方面：(1)同金属基体与不同种类、形态的增强材料的复合效果、复合材料的性能。

UHMWPE极高的分子量（HDPE的分子量通常只有2～30万）赋予其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料，它几乎集中了各种塑料的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲击能、耐低温、卫生无毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合性能。事实上，目前还没有一种单纯的高分子材料兼有如此众多的优异性能。UHMWPE的耐磨性居塑料之冠，并超过某些金属，与其它工程塑料相比，UHMWPE的沙浆磨耗指数仅是PA66的1/5，HEPE和PVC的1/10；与金属相比，是碳钢的1/7，黄铜的1/27。这样高的耐磨性，以致于用一般塑料磨耗实验法难以测试其耐磨程度，因而专门设计了一种沙浆磨耗测试装置。UHMWPE耐磨性与分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。UHMWPE的冲击强度，在所有工程塑料中名列前茅， UHMWPE的冲击强度约为耐冲击PC的2倍，ABS的5倍，POM和PBTP的10余倍。耐冲击性如此之高，以致于采用通常冲击试验方法难以使其断裂破坏。其冲击强度随分子量的增大而提高，在分子量为150万时达到最大值，然后随分子量的继续升高而逐渐下降。值得指出的是，它在液氮中（-195℃）也能保持优异的冲击强度，这一特性是其它塑料所没有的。此外，它在反复冲击表面硬度更高。UHMWPE有极低的摩擦因数（0.05～0.11），故自润滑性优异。UHMWPE的动摩擦因数在水润滑条件下是PA66和POM的1/2，在无润滑条件下仅次于塑料中自润滑性最好的聚四氟乙烯（PTFE）；当它以滑动或转动形式工作时，比钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好。因此，在摩擦学领域UHMWPE被誉为成本/性能非常理想的摩擦材料。

扩大金属基复合材料的应用领域和范围。金属基复合材料研究、开发的基础是金属材料。轻金属铝、镁、钛及其合金由于其比强度、比模量的优势。作为结构材料在航空航天工业中得到广泛的应用，常作为金属基复合材料的首选金属基体。从国内外目前的研究和应用状况来看，其中铝及其合金应用最为广泛。纤维增强铝基复合材料具有比强度和比模量高、尺寸稳定性好等一系列优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。硼纤维增强铝基复合材料是实际应用最早的金属基复合材料，美国和前苏联的航天飞机中机身框架及支柱和起落拉杆等都用该材料制成。硼-铝复合材料还用做多层半导体芯片的支座的散热冷却板材料，硼-铝复合材料的导热好，热膨胀系数与半导体芯片非常接近，能大大减少接头处的疲劳。硼-铝复合材料的应用前景宽广，可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、结构支承件、飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机起落部件、自行车架、高尔夫球杆等。碳纤维增强铝基复合材料具有比强度高和比刚度高，导电、导热性好，密度低和尺寸稳定等特点。用这种材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系效低，导热性好，可在较大温度范围内保持尺寸稳定。碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在F-15战斗机上，使其质量减轻20%-30%。碳化硅-铝复合材料主要用做飞机、导弹、发动机的高性能结构件，如飞机的Z形加强板、喷气战斗机垂直尾翼平衡器和尾翼梁、导弹弹体及垂直尾翼和汽车空调器箱。氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。非连续增强铝基复合材料有碳化硅晶须和颗粒、氧化铝短纤维以及硅酸铝纤维增强铝基复合材料。碳化硅晶须增强铝基复合材料用于制造导弹平衡翼和制导元件，航天器的结构部件和发动机部件，战术坦克反射镜部件，轻型坦克履带汽车零件，如活塞、连杆、汽缸、活塞销等，飞机的机身地板和新型战斗机尾翼平衡器。碳化硅增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料，如卫星支架、结构连接件、管材、各种型材、导弹翼、遥控飞机翼、飞机零部件等，它还可用做汽车零部件，如驱动轴、刹车盘、发动机缸套、衬套和活塞等。氧化铝短纤维和硅酸铝纤维增强铝复合材料目前主要用于制造汽车发动机零件，如活塞镶圈、传动齿轮。铝基复合材料性能优异，可以用于多种部门，只要价格能够接受，将有广阔的应用前景。而随着人性化理念的普及，及新型和谐社会的构成，设计一种体积电阻率高、冲击强度和表面电阻率高的导电UHMWPE金属粉末复合材料及其制备方法是非常必要的。

发明内容

解决的技术问题：

本申请针对上述技术问题，提供一种导电UHMWPE金属粉末复合材料及其制备方法，解决现有UHMWPE体积电阻率、冲击强度和表面电阻率低等技术问题。

技术方案：

一种导电UHMWPE金属粉末复合材料，所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的原料按重量份数配比如下：UHMWPE100份；镍粉20-40份；氧化锌15-35份；PE蜡1-5份；导电炭黑10-30份；硬脂酸钙2-8份；偶联剂40-60份；聚异丁烯10-30份；聚苯胺5-25份；CPE为40-60份；抗氧剂0.5-2.5份；POE为10-30份；UHMWPE-g-MAH5-25份；SBS3-7份；不锈钢纤维为8-12份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的原料按重量份数配比如下：UHMWPE100份；镍粉25-35份；氧化锌20-30份；PE蜡2-4份；导电炭黑15-25份；硬脂酸钙3-7份；偶联剂45-55份；聚异丁烯15-25份；聚苯胺10-20份；CPE为45-55份；抗氧剂1-2份；POE为15-25份；UHMWPE-g-MAH10-20份；SBS4-6份；不锈钢纤维为9-11份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的原料按重量份数配比如下：UHMWPE100份；镍粉30份；氧化锌25份；PE蜡3份；导电炭黑20份；硬脂酸钙5份；偶联剂50份；聚异丁烯20份；聚苯胺15份；CPE为50份；抗氧剂1.5份；POE为20份；UHMWPE-g-MAH15份；SBS5份；不锈钢纤维为10份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述偶联剂采用铝酸酯偶联剂或钛酸酯偶联剂。

作为本发明的一种优选技术方案：所述抗氧剂采用抗氧剂DNP或抗氧剂1010。

作为本发明的一种优选技术方案：所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：按照重量份数配比称取UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡、导电炭黑、硬脂酸钙、偶联剂、聚异丁烯、聚苯胺、CPE、抗氧剂、POE、UHMWPE-g-MAH、SBS和不锈钢纤维；

第二步：将UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡和导电炭黑投入研磨机中研磨10-30min；

第三步：加入剩余原料研磨30-50min；

第四步：将研磨后的物料以9-11MPa压力压紧，再以1-5MPa的压力塑模5-10min，再于9-15MPa压力下冷却。

作为本发明的一种优选技术方案：所述研磨机的转速均为400-600转/分钟。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步中塑模温度为210-230℃。

有益效果：

本发明所述一种导电UHMWPE金属粉末复合材料及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、产品体积电阻率3.5-5.5×10⁵Ω，表面电阻率6-9×10⁹Ω；2、断裂伸长率300-500%，拉伸强度15-35MPa；3、弯曲模量1200-1400MPa，冲击强度4-8kJ/m²；4、弯曲强度120-150MPa，可以广泛生产并不断代替现有材料。

具体实施方式

实施例1:

按照重量份数配比称取UHMWPE100份；镍粉20份；氧化锌15份；PE蜡1份；导电炭黑10份；硬脂酸钙2份；钛酸酯偶联剂40份；聚异丁烯10份；聚苯胺5份；CPE为40份；抗氧剂1010为0.5份；POE为10份；UHMWPE-g-MAH5份；SBS3份；不锈钢纤维为8份。

将UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡和导电炭黑投入研磨机中研磨10min，加入剩余原料研磨30min，研磨机的转速为400转/分钟。

将研磨后的物料以9MPa压力压紧，再在210℃下以1MPa的压力塑模5min，再于9MPa压力下冷却。

产品体积电阻率3.5×10⁵Ω，表面电阻率6×10⁹Ω；断裂伸长率300%，拉伸强度15MPa；弯曲模量1200MPa，冲击强度4kJ/m²；弯曲强度120MPa。

实施例2:

按照重量份数配比称取UHMWPE100份；镍粉40份；氧化锌35份；PE蜡5份；导电炭黑30份；硬脂酸钙8份；钛酸酯偶联剂60份；聚异丁烯30份；聚苯胺25份；CPE为60份；抗氧剂1010为2.5份；POE为30份；UHMWPE-g-MAH25份；SBS7份；不锈钢纤维为12份。

将UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡和导电炭黑投入研磨机中研磨30min，加入剩余原料研磨50min，研磨机的转速为600转/分钟。

将研磨后的物料以11MPa压力压紧，再在230℃下以5MPa的压力塑模10min，再于15MPa压力下冷却。

产品体积电阻率4×10⁵Ω，表面电阻率7×10⁹Ω；断裂伸长率350%，拉伸强度20MPa；弯曲模量1250MPa，冲击强度5kJ/m²；弯曲强度125MPa。

实施例3:

按照重量份数配比称取UHMWPE100份；镍粉25份；氧化锌20份；PE蜡2份；导电炭黑15份；硬脂酸钙3份；钛酸酯偶联剂45份；聚异丁烯15份；聚苯胺10份；CPE为45份；抗氧剂DNP1份；POE为15份；UHMWPE-g-MAH10份；SBS4份；不锈钢纤维为9份。

将UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡和导电炭黑投入研磨机中研磨15min，加入剩余原料研磨35min，研磨机的转速为450转/分钟。

将研磨后的物料以9MPa压力压紧，再在215℃下以2MPa的压力塑模6min，再于10MPa压力下冷却。

产品体积电阻率4.5×10⁵Ω，表面电阻率8×10⁹Ω；断裂伸长率400%，拉伸强度25MPa；弯曲模量1300MPa，冲击强度6kJ/m²；弯曲强度130MPa。

实施例4:

按照重量份数配比称取UHMWPE100份；镍粉35份；氧化锌30份；PE蜡4份；导电炭黑25份；硬脂酸钙7份；铝酸酯偶联剂55份；聚异丁烯25份；聚苯胺20份；CPE为55份；抗氧剂DNP2份；POE为25份；UHMWPE-g-MAH20份；SBS6份；不锈钢纤维为11份。

将UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡和导电炭黑投入研磨机中研磨25min，加入剩余原料研磨45min，研磨机的转速为550转/分钟。

将研磨后的物料以11MPa压力压紧，再在225℃下以4MPa的压力塑模8min，再于12MPa压力下冷却。

产品体积电阻率5×10⁵Ω，表面电阻率8×10⁹Ω；断裂伸长率450%，拉伸强度30MPa；弯曲模量1350MPa，冲击强度7kJ/m²；弯曲强度140MPa。

实施例5:

按照重量份数配比称取UHMWPE100份；镍粉30份；氧化锌25份；PE蜡3份；导电炭黑20份；硬脂酸钙5份；铝酸酯偶联剂50份；聚异丁烯20份；聚苯胺15份；CPE为50份；抗氧剂DNP1.5份；POE为20份；UHMWPE-g-MAH15份；SBS5份；不锈钢纤维为10份。

将UHMWPE、镍粉、氧化锌、PE蜡和导电炭黑投入研磨机中研磨20min，加入剩余原料研磨40min，研磨机的转速为500转/分钟。

将研磨后的物料以10MPa压力压紧，再在220℃下以3MPa的压力塑模8min，再于12MPa压力下冷却。

产品体积电阻率5.5×10⁵Ω，表面电阻率9×10⁹Ω；断裂伸长率500%，拉伸强度35MPa；弯曲模量1400MPa，冲击强度8kJ/m²；弯曲强度150MPa。

以上实施例中的组合物所有组分均可以商业购买。

上述实施例只是用于对本发明的内容进行阐述，而不是限制，因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种导电UHMWPE金属粉末复合材料，其特征在于所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的原料按重量份数配比如下：UHMWPE100份；镍粉20-40份；氧化锌15-35份；PE蜡1-5份；导电炭黑10-30份；硬脂酸钙2-8份；偶联剂40-60份；聚异丁烯10-30份；聚苯胺5-25份；CPE为40-60份；抗氧剂0.5-2.5份；POE为10-30份；UHMWPE-g-MAH5-25份；SBS3-7份；不锈钢纤维为8-12份。

2.根据权利要求1所述的一种导电UHMWPE金属粉末复合材料，其特征在于所述导电UHMWPE金属粉末复合材料原料按重量份数配比如下：UHMWPE100份；镍粉25-35份；氧化锌20-30份；PE蜡2-4份；导电炭黑15-25份；硬脂酸钙3-7份；偶联剂45-55份；聚异丁烯15-25份；聚苯胺10-20份；CPE为45-55份；抗氧剂1-2份；POE为15-25份；UHMWPE-g-MAH10-20份；SBS4-6份；不锈钢纤维为9-11份。

3.根据权利要求1所述的一种导电UHMWPE金属粉末复合材料，其特征在于所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的原料按重量份数配比如下：UHMWPE100份；镍粉30份；氧化锌25份；PE蜡3份；导电炭黑20份；硬脂酸钙5份；偶联剂50份；聚异丁烯20份；聚苯胺15份；CPE为50份；抗氧剂1.5份；POE为20份；UHMWPE-g-MAH15份；SBS5份；不锈钢纤维为10份。

4.根据权利要求1所述的一种导电UHMWPE金属粉末复合材料，其特征在于：所述偶联剂采用铝酸酯偶联剂或钛酸酯偶联剂。

5.根据权利要求1所述的一种导电UHMWPE金属粉末复合材料，其特征在于：所述抗氧剂采用抗氧剂DNP或抗氧剂1010。

6.一种权利要求1所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第三步：加入剩余原料研磨30-50min；

7.根据权利要求6所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的制备方法，其特征在于：所述研磨机的转速均为400-600转/分钟。

8.根据权利要求6所述导电UHMWPE金属粉末复合材料的制备方法，其特征在于：所述第四步中塑模温度为210-230℃。