CN105001487A - 多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法 - Google Patents

多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，超高分子量聚乙烯树脂首先与特定比例乙烯基硅烷偶联剂、热引发剂、交联催化剂复合，然后再与低分子量聚烯烃流动改性剂复合，制备出注塑级超高分子量聚乙烯复合材料基料，最终根据制品的需求复合定量的润滑剂、抗静电剂、纳米材料制备出不同品质的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。本发明首次将超高分子量聚乙烯用于制备多用途注塑级复合材料，该方法具备工艺简单、成本低、反应条件温和以及适用领域广泛的特性，具有良好发展前景。

Description

多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种材料复合的制备方法，尤其是涉及一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，平均分子量约35万～800万，因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。而且，超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)耐低温性能优异，在-40℃时仍具有较高的冲击强度，甚至可在-269℃下使用。
利用复合技术制备的UHMWPE复合材料具备优异的物理机械性能，使它广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿业、农业、化工及体育运动器械等领域，其中以大型包装容器和管道的应用最为广泛。另外，由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)优异的生理惰性，已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学上使用。
作为高分子材料加工成型工艺的重要方法，注塑技术一直应用于材料的成型加工并且在工业领域占有及其重要的地位，但是由于UHMWPE分子量大、临界剪切粘度低，注塑成型过程中容易分相且极难挤出，到目前为止注塑技术依然没有在UHMWPE领域成功大规模应用。尽快提高UHMW-PE制品的加工技术水平，实现高效率、高产量的工业化连续生产，是我国化工领域急需解决的一个难题。
专利CN102850627公开了一种注塑级碳纤维增强超高分子量聚乙烯及其制备方法，有下列重量份的组分：超高分子量聚乙烯：45～75份；液晶高分子聚合物(LCP)：5～20份；MA-POE：5～10份；碳纤维：15～35份，将所有原料在混合机中混合，经双螺杆挤出机，在200～240℃温度下经双螺杆挤出造粒机挤出造粒即得注塑级碳纤维增强超高分子量聚乙烯，本专利发明注塑级碳纤维增强超高分子量聚乙烯具有超韧、耐低温，高耐磨，高强度，尺寸稳定性好，导电，高刚性等优点，但是使用了液晶高分子以及其他组分，通用性较低且需要双螺杆造粒，成本较高。
专利CN102898825公开了一种UHMWPE/PA66注塑用耐磨合金及其制备方法和用途，该UHMWPE/PA66注塑用耐磨合金是由50～90份PA66、6～40份UHMWPE、1.5～5份相容剂、1～3.5份硅油和1份硅胶粉制成，本专利添加UHMWPE基料份数较低，无法体现材料的优异性能，且无法在此基础上发展其他多功能材料，具有市场局限性。
专利201410039847.0公开了一种膨胀石墨改性的注塑级超高分子量聚乙烯及其制备方法。其由重量比为60～100：5～50：1～10的超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯和膨胀石墨组成；制备方法是将超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯和膨胀石墨加入到橡塑密炼机中密炼，然后通过破碎机破碎，最后挤出造粒。本专利需要挤出造粒，成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效、成本低、可控、方法简便的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(a)将乙烯基硅烷偶联剂、热引发剂和交联催化剂制得混合溶剂，混合溶剂中乙烯基硅烷偶联剂、引发剂和催化剂的质量比为(2～10):1:1；
(b)将超高分子量聚乙烯树脂与步骤(a)制得的混合溶剂复合(混合溶剂的质量份数为所述的超高分子量聚乙烯树脂的0.1％wt～2.0％wt)，制得注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料；
(c)将多种低分子聚烯烃材料复配(多种低分子聚烯烃材料为分子量为10万～50万，熔融指数为0.5～25g/10min(2.16Kg)，复配比例为1：5：1～10:5:1的LLDPE、HDPE和EPDM，复配采取物理共混工艺)，制得低分子量聚烯烃复合流动改性剂，即为注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料；
(d)将步骤(a)制得的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料和步骤(b)制得的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料高速复合，所述的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料和注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料的质量比为7:3～3:7，符合采用物理共混工艺，低速与高速共混相结合，制得分子量聚乙烯注塑级复合材料基料；
(e)将步骤(d)制得的超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料与润滑剂复合，润滑剂的质量为超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料质量的0.5％～10％，复合工艺为物理共混，制得低摩擦系数超高分子量聚乙烯注塑复合材料；将步骤(d)制得的超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料与抗静电剂复合，抗静电剂的质量为超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料质量的0.5％～10％，复合工艺为物理共混，制得抗静电超高分子量聚乙烯注塑复合材料；将步骤(d)制得的超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料与纳米材料复合，纳米材料的质量为超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料质量的0.5％～10％，复合工艺为物理共混，制得高韧超高分子量聚乙烯注塑级复合材料。
本发明中A料与B料的分别复合主要旨在减少交联剂对流动改性剂的影响，使得交联剂能够选择性分布与UHMWPE基料中，而不影响流动改性剂在UHMWPE次级颗粒之间的渗透，从而最大程度的使得交联反应在UHMWPE基料中进行，而流动改性剂能够最大程度的发挥解缠节UHMWPE分子链的作用，A料与B料的分开也使得流动改性剂的分子链不会发生交联使得熔体破裂，为UHMWPE的注塑成型打下良好基础；
所述的超高分子量聚乙烯树脂的粘均分子量为100万～650万。
步骤(a)所述的乙烯基硅烷偶联剂分子式为CH2＝CH(CH2)nSiX3。
所述的分子式CH2＝CH(CH2)nSiX3中的X包括氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基或叔丁氧基。
步骤(a)所述的热引发剂包括过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化氢二异丙苯或2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷。
步骤(a)所述的交联催化剂包括二丁基锡二月桂酸酯、辛酸亚锡、二(十二烷基硫)二丁基锡或二醋酸二丁基锡。
步骤(a)所述的混合溶剂中乙烯基硅烷偶联剂、引发剂和催化剂的质量比为(2～10):1:1，步骤(b)所述的混合溶剂的质量为所述的超高分子量聚乙烯树脂的质量的0.1％～2.0％。
步骤(c)所述的多种低分子聚烯烃材料为分子量为10万～50万，熔融指数为0.5～25g/10min(2.16Kg)，复配比例为1：5：1～10:5:1的LLDPE、HDPE和EPDM。
步骤(d)所述的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料和注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料的质量比为7:3～3:7。
步骤(e)所述的润滑剂、抗静电剂以及纳米材料的质量为超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料质量的0.5％～10％，其中：
所述的润滑剂包括硅酮或二硫化钼；
所述的抗静电剂包括烷基磺酸、磷酸的碱金属盐、二硫代氨基甲酸的碱金属盐或乙氧基化脂肪族烷基胺；
所述的纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化硅或纳米碳化硅。
与现有技术相比，超高分子量聚乙烯由于其极高的熔体粘度，物理加工成型成为其加工成型的难点，作为先进成型的注塑技术，由于其极高的熔体剪切速率，使得很长的时间内UHMWPE都无法直接加工成型，本发明首次将超高分子量聚乙烯用于制备多用途注塑级复合材料，并且该注塑级复合材料具备通用性与发展性，在流动改性解决UHMWPE可注塑性的基础上，可以发展出不同的多功能注塑级复合材料，该方法具备简便、成本低、反应条件温和以及适用领域广泛的特性，具有良好发展前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用粘均分子量100万的超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(2:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比7:3的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的碳纳米管高速复合制备出增强增韧注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例2
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(5:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数0.5g/10min，配比5:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比5:5的配比高速混合制得基料后再与占基料质量10％的抗静电剂二硫代氨基甲酸钾盐高速复合制备出抗静电注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例3
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(10:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比10:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比3:7的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的润滑剂硅酮高速复合制备出低摩擦系数注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例4
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数2.0％的乙烯基三乙酰氧基硅烷/过氧化氢二异丙苯/辛酸亚锡(2:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用50万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比7:3的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的纳米碳化硅高速复合制备出高耐磨注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例5
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数2.0％的乙烯基三乙酰氧基硅烷/2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷/二醋酸二丁基锡(10:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用50万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数10g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比3:7的配比高速混合制得基料后再与占基料质量1％的抗静电剂乙氧基化脂肪族烷基胺复合制备出抗静电注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例6
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数1.0％的乙烯基三叔丁氧基硅烷/2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷/二二(十二烷基硫)二丁基锡(5:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用25万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数10g/10min，配比2:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比5:5的配比高速混合制得基料后再与占基料质量5％的润滑剂复合制备出低摩擦系数注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例7
采用粘均分子量600万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(2:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比7:3的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的碳纳米管高速复合制备出增强增韧注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例8
采用粘均分子量600万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(5:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数0.5g/10min，配比5:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比5:5的配比高速混合制得基料后再与占基料质量10％的抗静电剂二硫代氨基甲酸钾盐高速复合制备出抗静电注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例9
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(10:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比10:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比3:7的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的润滑剂硅酮高速复合制备出低摩擦系数注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例10
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数2.0％的乙烯基三乙酰氧基硅烷/过氧化氢二异丙苯/辛酸亚锡(2:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用50万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比7:3的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的纳米碳化硅高速复合制备出高耐磨注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例11
采用粘均分子量600万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数2.0％的乙烯基三乙酰氧基硅烷/2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷/二醋酸二丁基锡(10:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用50万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数10g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比3:7的配比高速混合制得基料后再与占基料质量1％的抗静电剂乙氧基化脂肪族烷基胺复合制备出抗静电注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例12
采用粘均分子量100万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数1.0％的乙烯基三叔丁氧基硅烷/2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷/二二(十二烷基硫)二丁基锡(5:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用25万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数10g/10min，配比2:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比5:5的配比高速混合制得基料后再与占基料质量5％的润滑剂二硫化钼复合制备出低摩擦系数注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例13
采用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(2:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数25g/10min，配比1:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比7:3的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的碳纳米管高速复合制备出增强增韧注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
实施例14
采用粘均分子量500万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(5:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数0.5g/10min，配比5:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比5:5的配比高速混合制得基料后再与占基料质量10％的抗静电剂二硫代氨基甲酸钾盐高速复合制备出抗静电注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。
材料经注塑标准制品后性能如表1所示。
表1
实施例15
采用粘均分子量650万超高分子量聚乙烯树脂，利用喷雾分散占其质量分数1.0％的乙烯基三甲氧基硅烷/过氧化二异丙苯/二丁基锡二月桂酸酯(5:1:1)混合溶剂制备出A料。
采用10万分子量左右的LLDPE/HDPE/EPDM(熔融指数0.5g/10min，配比5:5:1),利用高速混合制备出B料。
A料与B料按照质量比5:5的配比高速混合制得基料后再与占基料质量0.5％的抗静电剂二硫代氨基甲酸钾盐高速复合制备出抗静电注塑级超高分子量聚乙烯复合材料。

Claims (10)

1.一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)将乙烯基硅烷偶联剂、热引发剂和交联催化剂混合制得混合溶剂；
(b)将超高分子量聚乙烯树脂与步骤(a)制得的混合溶剂共混复合，制得注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料；
(c)将多种低分子聚烯烃材料共混复配，得到低分子量聚烯烃复合流动改性剂，即为注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料；
(d)将步骤(a)制得的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料和步骤(b)制得的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料共混复配，制得分子量聚乙烯注塑级复合材料基料；
(e)将步骤(d)制得的超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料与润滑剂、抗静电剂或纳米材料共混复合，制备得到多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯树脂的粘均分子量为100万～650万。
3.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述的乙烯基硅烷偶联剂分子式为CH2＝CH(CH2)nSiX3，其中的X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基或叔丁氧基。
4.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述的热引发剂包括过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物、过氧化氢二异丙苯或2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷。
5.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述的交联催化剂包括二丁基锡二月桂酸酯、辛酸亚锡、二(十二烷基硫)二丁基锡或二醋酸二丁基锡。
6.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材 料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中乙烯基硅烷偶联剂、引发剂和催化剂的质量比为(2～10):1:1。
7.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(b)所述的混合溶剂的质量为所述的超高分子量聚乙烯树脂的质量的0.1％～2.0％。
8.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)所述的多种低分子聚烯烃材料为分子量为10万～50万，熔融指数为0.5～25g/10min(2.16Kg)的LLDPE、HDPE和EPDM按重量比为1:5:1～10:5:1的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(d)所述的注塑级超高分子量聚乙烯复合材料A料和注塑级超高分子量聚乙烯复合材料B料的质量比为7:3～3:7。
10.根据权利要求1所述的一种多用途注塑级超高分子量聚乙烯功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(e)所述的润滑剂、抗静电剂、纳米材料的质量为超高分子量聚乙烯注塑级复合材料基料质量的0.5％～10％，其中：
所述的润滑剂包括硅酮或二硫化钼；
所述的抗静电剂包括烷基磺酸、磷酸的碱金属盐、二硫代氨基甲酸的碱金属盐或乙氧基化脂肪族烷基胺；
所述的纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化硅或纳米碳化硅。
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