CN106397927A - 超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由碳纳米管与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物；其中，所述复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.1‑0.5％。本发明还提供一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法。本发明的超高分子量聚乙烯复合材料具有优良的耐摩擦磨损性能，相比纯的超高分子量聚乙烯材料，磨损率降低了62.5％，摩擦系数降低了7.4％。本发明的制备方法无需采用有机溶剂，不会对环境造成危害，也无需添加任何的加工助剂，工艺简单，成本低。

Description

超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，特别是一种超高分子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(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)是一种线型的高分子聚合物，其分子量通常在1×106g/mol以上。极大的分子量导致分子间强烈的互相缠绕，带来优良的力学性能，使得其具备良好的润滑性能、耐冲击、耐磨损、耐化学腐蚀等性能。但与其他工程塑料相比，它的抗摩擦磨损能力差，从而影响了其使用效果和应用范围，目前通常采用添加填料使UHMWPE成为复合材料来改善其性能。
在以UHMWPE为基体制备复合材料时，一般是通过将UHMWPE、填料和加工助剂混合，经过热压成型形成复合材料。该制备过程中涉及添加较多的加工助剂，生产加工成本较高，制备过程复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐磨性能好、制备工艺简单的超高分子聚乙烯复合材料及其制备方法。
本发明一方面提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由碳纳米管与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物；其中，所述复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.1-0.5％。
本发明另一方面提供一种制备上述复合材料的方法，包括如下步骤：将碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合后在高速气流冲击下复合，得到复合材料。
本发明的超高分子量聚乙烯复合材料具有优良的耐摩擦磨损性能，相比纯的超高分子量聚乙烯材料，磨损率降低了62.5％，摩擦系数降低了7.4％。本发明的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，采用高速气流冲击式颗粒复合系统制备，该系统利用高速运动的转子产生高速气流来带动颗粒做高速运动，使得颗粒表面活化，可以在短时间使得碳纳米管包裹超高分子量聚乙烯颗粒，从而形成耐磨损性能优良的超高分子量聚乙烯复合材料。本发明的制备方法无需采用有机溶剂，不会对环境造成危害，也无需添加任何的加工助剂，工艺简单，成本低。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例2中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。
图2是本发明实施例3中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。
图3是本发明实施例4中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。
图4是本发明实施例5中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。
图5是本发明实施例6中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。
图6是实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料摩擦系数曲线图。
图7是实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料磨损率曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由碳纳米管与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物；其中，所述复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.1-0.5％。
碳纳米管由六边形碳原子网格围成的无缝的中空管体，直径在零点几纳米到几十纳米，长度则为几十到几百微米，是一种新型的纳米材料,其具有较高的强度、极高的韧性和极轻的比重。将碳纳米管用来对超高分子量聚乙烯进行填充改性，碳纳米管团聚在超高分子量聚乙烯的纤维拉丝处，使超高分子量聚乙烯颗粒间结合更紧密，复合材料强度更高，摩擦时的真实接触面积更小。同时碳纳米管在复合材料中起到了“钉轧”作用，表层不容易累积变形形成裂纹，防止了超高分子量聚乙烯的大面积破坏。
在本发明的一种实施例中，所述复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.2％。
在本发明的一种实施例中，所述超高分子量聚乙烯的分子量为2～3×106，平均粒径为30～150μm。
在本发明的一种实施例中，所述在高速气流冲击下复合为将碳纳米管与超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的转速下复合。
在本发明的一种实施例中，所述复合材料的所述摩擦系数为0.135～0.155，磨损率为3～8×1015/m3n-1m-1。
在本发明的一种实施例中，所述复合材料还包括碳纳米管或碳纳米管与石墨烯的混合物与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物，其中所述复合材料中石墨烯的质量百分含量为0.1-0.5％。
本发明另一方面还提供一种制备上述复合材料的方法，包括如下步骤：将碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合后在高速气流冲击下复合，得到复合材料。
高速气流冲击方法，是一种采用干式、机械的方法对微颗粒进行复合处理的方法，该方法利用高速运动的转子产生高速气流来带动颗粒作高速运动，颗粒在冲击、剪切作用下，输入能量富基于颗粒表面，从而使得颗粒表面活化。填料颗粒粘附于超高分子量聚乙烯颗粒的表面，可以在短时间内均匀地完成包裹，同时可实现颗粒粒径的均匀化和颗粒形状的球形化。
气流冲击复合方式制备的复合材料中碳纳米管分散性越差，摩擦表面的碳纳米管对剪切的阻碍作用就越不明显，摩擦系数也就越低。碳纳米管主要分布在UHMWPE颗粒的纤维拉丝处，而UHMWPE颗粒的这种纤维状结构恰好是颗粒间相互结合作用力最强的地方，碳纳米管在这些地方的团聚，使UHMWPE颗粒间结合更紧密，复合材料强度更高，摩擦时的真实接触面积更小，因此摩擦系数降低。
在本发明的一种实施例中，所述在高速气流冲击下复合为将碳纳米管与超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的转速下，处理15-20min。
在本发明的一种实施例中，所述碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合的比例为0.1～0.5:99.5～99.9。
在本发明的一种实施例中，将碳纳米管与石墨烯混合后，将混合物与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合，碳纳米管与超高分子量聚乙烯的比例为0.1～0.5:99.5～99.9。
在本发明的一种实施例中，所述制备的复合材料进一步包括：将复合材料采用模压成型，得到复合材料片材。
在本发明的一种实施例中，所述模压成型所采用的压力为15-20MPa，加压同时升温至150-180℃，并恒温30-40min，冷却后得到复合材料片材。
在本发明的一种实施例中，所述模压成型还包括将复合材料置于斜面模具中，在热压机下以15～20Mpa的压力，在150～180℃热压30Min，自然冷却后得到复合材料片材，其中，所述形成的复合材料其中一表面沿着统一的方向倾斜或平行于表面，另一表面倾斜方向刚好相反。本发明通过热压工艺制备得到单面单向摩擦系数更低的复合材料。该方法制备的复合材料，所有裸露在表面的碳纳米管具有相对该表面一致的倾向性，可使碳纳米管在复合材料表面有效增强耐磨性同时降低了摩擦系数。
在本发明的一种实施例中，所述复合材料进一步置于热滚机中，在180℃下通过热滚机，得到复合材料片材，其中，上滚筒转速为40r/min，下滚筒转速为20r/min。本发明采用变速滚筒工艺，制备得到厚度更薄、碳纳米管沿板材表面取向度更高的复合材料，所制备的复合材料具有更低的摩擦系数。
实施例
为让本发明的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法更明显易懂，以下特举较佳实施例，作详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
将超高分子量聚乙烯粉末在180℃、15MPa下，热压30min，得到纯超高分子量聚乙烯材料。
实施例2
称量0.1g碳纳米管粉末与99.9g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理20min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料在180℃、15MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料。
实施例3
称量0.2g碳纳米管粉末与99.8g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在4000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料在150℃、20MPa下，热压40min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料。
实施例4
称量0.3g碳纳米管粉末与99.7g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在4000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料在160℃、19MPa下，热压40min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料。
实施例5
称量0.4g碳纳米管粉末与99.6g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理20min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料在170℃、18MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料。
实施例6
称量0.5g碳纳米管粉末与99.5g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料在150℃、17MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料。
实施例7
称量0.2g石墨烯粉末及0.3g碳纳米管粉末，与99.5g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳纳米管复合材料在150℃、17MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳纳米管复合材料。
实施例8
将通过高速气流冲击复合方法制备的超高分子量聚乙烯复合材料置于内径为25mm的斜面模具中，在热压机下以15～20MPa的压力，150～180℃下热压30min，自然冷却后得到复合材料片材。其中，形成的复合材料其中一表面沿着统一的方向倾斜或平行于表面，另一表面倾斜方向刚好相反。
实施例9
将通过高速气流冲击复合方法制备的超高分子量聚乙烯复合材料在120摄氏度的温度下预热20min，将热滚机加热至180摄氏度，其中，上滚筒转速调至40r/min，下滚筒转速为20r/min。将预热好的超高分子量聚乙烯复合材料经过热滚机，得到复合材料片材，自然冷却成型。
实施例10
将上述实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料进行性能测试。
电镜形貌检测结果参见图1-5，超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图，图1-5分别代表碳纳米管含量为0.1％、0.2％、0.3％、0.4％和0.5％。从图中可以看出，碳纳米管主要团聚在高分子量聚乙烯颗粒的纤维拉丝处，在光滑表面部分几乎没有。高速气流冲击使碳纳米管团聚在超高分子量聚乙烯的纤维拉丝处，而超高分子量聚乙烯颗粒的这种纤维状结构恰好是颗粒间相互结合作用力最强的地方，碳纳米管在这些地方的团聚在成型时会帮助超高分子量聚乙烯分子间的缠结与交联，从而使复合材料强度更高，摩擦时的真实接触面积更小，因此摩擦系数更低。
基于碳纳米管独特的管状结构，分布在摩擦表层的碳纳米管主要垂直于摩擦表面，碳纳米管在超高分子量聚乙烯颗粒表面分散性越好，摩擦剪切作用需要更大的阻力，抗摩擦性能越差。气流冲击复合工艺制备的复合材料中碳纳米管的团聚效果相比常规的超声工艺更明显，摩擦表面的碳纳米管对剪切的阻碍作用更小，所以气流冲击复合工艺制备的复合材料抗摩擦性能更好。
摩擦性能测试采用摩擦磨损测试仪(HSR-2M)测试复合材料的磨损性能。通过测试仪测量出的摩擦系数，采用如下公式计算复合材料的磨损率。
磨损率计算公式为：
式中K(mm3N-1m-1)为材料磨损率，S为磨损区域横截面积，L为磨损区域长度，F为施加的载荷，D为总磨损距离。
结果参见图6，从图6的摩擦系数曲线可以看出，本发明超高分子量聚乙烯复合材料随着碳纳米管含量的增加，摩擦系数有所降低。当碳纳米管的含量为0.2％时，复合材料的摩擦系数相比纯超高分子量聚乙烯降低了7.4％，含量进一步提高时，摩擦系数也随之上升。如前所述，碳纳米管团聚在超高分子量聚乙烯纤维拉丝处，碳纳米管有助于超高分子量聚乙烯分子间的缠结与交联，从而使复合材料强度更高，降低了摩擦系数。而后摩擦系数上升，是因为超高分子量聚乙烯复合材料的磨损机制为疲劳剥层磨损，添加碳纳米管以后，露出摩擦表面的碳纳米管充当了硬质磨粒的作用，引起摩擦系数的上升。
参见图7，从图7的磨损率曲线可以看出，当碳纳米管的含量为0.5％时，磨损率相比纯超高分子量聚乙烯降低了62.5％。这是因为，填充碳纳米管后，复合材料的摩擦表面受剪切作用时，表层材料发生屈服变形，随着摩擦的持续进行，变形随着载荷重负作用累积起来，产生微裂纹，裂纹在载荷和变形的作用下扩展直至与表面之间的材料由于切应变而以薄片形式剥落下来变成磨屑。碳纳米管在复合材料中起到了“钉轧”作用，表层不容易累积变形形成裂纹，防止了超高分子量聚乙烯的大面积破坏。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案所做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (12)

1.一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由碳纳米管与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物；其中，所述复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.1-0.5％。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的分子量为2～3×106，平均粒径为30～150μm。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述在高速气流冲击下复合为将碳纳米管与超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的转速下复合。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，磨损率为3～8×1015/m3n-1m-1。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料还包括碳纳米管或碳纳米管与石墨烯的混合物与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物，其中所述复合材料中石墨烯的质量百分含量为0.1-0.5％。
6.一种制备权利要求1所述的复合材料的方法，包括如下步骤：将碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合后在高速气流冲击下复合，得到复合材料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在高速气流冲击下复合为将碳纳米管与超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的转速下，处理15-20min。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管与超高分子量聚乙烯混合的比例为0.1～0.5:99.5～99.9。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将碳纳米管与石墨烯混合后，将混合物与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合，所述碳纳米管与超高分子量聚乙烯的比例为0.1～0.5:99.5～99.9。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述复合材料进一步模压成型，得到复合材料片材，所述模压成型所采用的压力为15-20MPa，加压同时升温至150-180℃，并恒温30-40min，冷却后得到复合材料片材。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述模压成型还包括将复合材料置于斜面模具中，在热压机下以15～20Mpa的压力，在150～180℃热压30Min，自然冷却后得到复合材料片材，其中，所述形成的复合材料其中一表面沿着统一的方向倾斜或平行于表面，另一表面倾斜方向刚好相反。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复合材料进一步置于热滚机中，在180℃下通过热滚机，得到复合材料片材，其中上滚筒转速为40r/min，下滚筒转速为20r/min。
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