CN108084541A - 一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，组成材料包括：聚乙烯、添加剂、超高分子量聚乙烯树脂，所述聚乙烯是LDPE或HDPE，所述添加剂是聚合物流动改性剂；制备方法包括如下：(1)原料的制备、(2)材料坯体的制备以及(3)微孔材料的制备，所述原料的制备是指将添加剂加入聚乙烯中进行熔融混炼，制得添加剂与普通聚乙烯的母料，然后按配比将该母料与超高分子量聚乙烯树脂在高速混合机中进行预混合后，进行熔融混炼，直至均匀为止，得到以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料。本发明的有益之处是，原料成本低，制作方法简单，拓宽超高分子量聚乙烯泡沫材料的制备方法和应用范围。

Description

一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料及制备方法。
背景技术
滑动材料要求材料具备较低的摩擦系数和良好的抗磨损性能。由于石油资源日渐匮乏和环保要求的提高，各行业对材料的使用和生产提出了轻量化和高性能化等新要求。材料多孔化和孔结构调节是实现材料轻量化和高性能的重要手段之一。适当控制孔尺寸是平衡轻量化与抗磨损性能的关键，过度的多孔化会使材料变得疏松，容易使其滑动性能受到损伤。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是粘均分子量大于150万的半结晶型聚合物，具有优异的抗冲击性、耐磨性、耐低温性和生物相容性等卓越性能，是常用的聚合物类滑动材料之一，广泛应用于轴承、导轨、衬片、滑雪板和人工关节等领域。目前，UHMWPE多孔材料的主要制备方式包括烧结法、粒滤法和相分离法等。这些方法获得的多孔材料，其孔结构和形态复杂，性能不稳定，不适合用作滑动材料。UHMWPE的分子质量巨大，熔体粘度极高，化学发泡剂难以在基体中均匀混合，导致发泡时难以形成多孔结构。
超临界流体发泡技术是制备聚合物多孔材料常用的一种物理发泡方法，超临界流体介质作为发泡剂，可渗透进入聚合物基体内部形成均匀分散，最终经过发泡使材料形成多孔结构。尽管采用超临界流体发泡技术可避免发泡剂与UHMWPE树脂基体难混合均匀的棘手问题而获得UHMWPE的多孔材料，但材料的成孔性不理想或孔结构容易坍塌。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料及制备方法，原料成本低，制作方法简单，拓宽泡沫材料的制备方法和应用范围。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，组成材料包括：聚乙烯、添加剂、超高分子量聚乙烯树脂。
进一步地，所述聚乙烯是LDPE或HDPE。
进一步地，所述添加剂是聚合物流动改性剂。
进一步地，一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，制备方法如下：
(1)原料的制备：将添加剂加入聚乙烯中进行熔融混炼，制得添加剂与普通聚乙烯的母料，然后按配比将该母料与超高分子量聚乙烯树脂在高速混合机中进行预混合后，进行熔融混炼，直至均匀为止，得到以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料；
(2)材料坯体的制备：将步骤(1)制备的混合物材料进行熔融成型获得超高分子量聚乙烯的坯体试样；
(3)微孔材料的制备：将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜，通入超临界流体对坯体试样进行浸泡，高压反应釜中的压力控制在高于超临界流体介质的临界压力，温度控制在高于超临界流体介质的临界温度，超临界流体浸泡过程中须进行短暂小幅的降压操作，操作结束后仍保持原先设定的饱和压力至坯体浸泡达到饱和状态，然后通过快速降压法或快速升温法使超高分子量聚乙烯的坯体发泡，冷却定型后即获得超高分子量聚乙烯的微孔滑动材料。
进一步地，步骤(2)所述的熔融成型是挤出成型、注塑成型或模压成型。
进一步地，所述模压成型中，模压成型的温度高于所述混合物材料的混炼温度5℃～20℃，保压压力为3MPa～20MPa，保压时间为5分钟～20分钟。
进一步地，步骤(3)中所述超临界流体是二氧化碳、氮气、空气或氩气中的一种或几种。
进一步地，步骤(3)中所述快速降压法的降压速率为1MPa/s～50MPa/s。
进一步地，步骤(3)中所述快速升温法的升温速率为1℃/s～100℃/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述超高分子量聚乙烯微孔滑动材料是一类新型的具有微孔结构的滑动材料，此微孔滑动材料可广泛用于生物医学工程、建筑材料、运动器械等领域。
2、本发明所述超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，可根据实际需要对滑动材料的微孔结构进行调节，以满足不同的需求。
3、本发明所述超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，在超高分子量聚乙烯基体中引入细小的孔洞结构，使材料的密度降低从而达到材料轻量化的目的，细小密集的孔结构还能使微孔材料的抗磨损性能与致密基体材料的抗磨损性能接近。
4、本发明所述方法的工艺简单，所用设备为常规设备，便于实现工业化生产。
5、本发明所述方法以超临界流体为环境友好的物理发泡剂，有利于环境保护。
附图说明
图1是实施例中所制备的超高分子量聚乙烯微孔滑动材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，组成材料包括：聚乙烯、添加剂、超高分子量聚乙烯树脂，优选地，聚乙烯是LDPE或HDPE，优选地，添加剂是聚合物流动改性剂。
优选地，一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，制备方法如下：
(1)原料的制备：将添加剂加入聚乙烯中进行熔融混炼，制得添加剂与普通聚乙烯的母料，然后按配比将该母料与超高分子量聚乙烯树脂在高速混合机中进行预混合后，进行熔融混炼，直至均匀为止，得到以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料；
(2)材料坯体的制备：将步骤(1)制备的混合物材料进行熔融成型获得超高分子量聚乙烯的坯体试样；
(3)微孔材料的制备：将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜，通入超临界流体对坯体试样进行浸泡，高压反应釜中的压力控制在高于超临界流体介质的临界压力，温度控制在高于超临界流体介质的临界温度，超临界流体浸泡过程中须进行短暂小幅的降压操作，操作结束后仍保持原先设定的饱和压力至坯体浸泡达到饱和状态，然后通过快速降压法或快速升温法使超高分子量聚乙烯的坯体发泡，冷却定型后即获得超高分子量聚乙烯的微孔滑动材料。
进一步地，步骤(2)的熔融成型是挤出成型、注塑成型或模压成型。
进一步地，模压成型中，模压成型的温度高于混合物材料的混炼温度5℃～20℃，保压压力为3MPa～20MPa，保压时间为5分钟～20分钟。
进一步地，步骤(3)中超临界流体是二氧化碳、氮气、空气或氩气中的一种或几种。
进一步地，步骤(3)中快速降压法的降压速率为1MPa/s～50MPa/s。
进一步地，步骤(3)中快速升温法的升温速率为1℃/s～100℃/s。
实施例1
本实施例以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为原料，高密度聚乙烯(HDPE)作为流动改性剂的载体，UHMWPE由三井石油化学公司生产，型号145M，密度为0.94g/cm3，HDPE是中国石油化工有限公司茂名分公司生产，型号7000F，密度为0.96g/cm3。工艺步骤如下：
(1)原料的制备
按质量比配料，取20％流动改性剂与80％HDPE在转矩流变仪中进行熔融混炼，将所试样进行粉碎获得HDPE母料，再取5％所制备的母料与95％UHMWPE树脂置于高速混合机中预混后取出用挤出机进行熔融混合，获得以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料。
(2)材料坯体的制备
将步骤(1)制备的以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料进行真空压膜成型，模压温度均为210℃，模具保压压力为15MPa，保压时间均为15分钟，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯坯体材料。
(3)微孔材料的制备
以超临界二氧化碳作为发泡剂，将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜中，通入超临界二氧化碳对试样进行浸泡，发泡高压反应釜中的压力控制在30MPa、温度控制在150℃，当超临界二氧化碳在所述坯体中达到饱和状态(约6小时)后，以约3MPa/s的卸压速率将发泡高压釜内的压力卸压至常压，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯的微孔材料。
用液氮将本实施例制备的超高分子量聚乙烯的微孔材料进行淬断处理，并用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，其照片见图1，从图1可以看出，超高分子量聚乙烯片材中形成了良好的微孔结构。
实施例2
本实施例的原料与实施例1相同，工艺步骤如下：
本实施例以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为原料，低密度聚乙烯(LDPE)作为流动改性剂的载体，UHMWPE由北京助剂二厂生产，型号M2，密度为0.95g/cm3，LDPE是中国石油化工有限公司茂名分公司生产，型号951-050，密度为0.92g/cm3。工艺步骤如下：
(1)原料的制备
按质量比配料，取20％流动改性剂与80％LDPE在转矩流变仪中进行熔融混炼，将所试样进行粉碎获得LDPE母料，再取5％所制备的母料与95％UHMWPE树脂置于高速混合机中预混后取出用挤出机进行熔融混合，获得以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料。
(2)材料坯体的制备
将步骤(1)制备的以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料进行真空压膜成型，模压温度均为210℃，模具保压压力为15MPa，保压时间均为15分钟，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯坯体材料。
(3)微孔材料的制备
以超临界二氧化碳作为发泡剂，将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜中，通入超临界二氧化碳对试样进行浸泡，发泡高压反应釜中的压力控制在15MPa、温度控制在140℃，当超临界二氧化碳在所述坯体中达到饱和状态(约6小时)后，以约3MPa/s的卸压速率将发泡高压釜内的压力卸压至常压，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯的微孔材料。
用液氮将本实施例制备的超高分子量聚乙烯的微孔材料进行淬断处理，并用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，其断面形态如图1所示。
实施例3
本实施例的原料与实施例1相同，工艺步骤如下：
(1)原料的制备
按质量比配料，取30％流动改性剂与70％HDPE在转矩流变仪中进行熔融混炼，将所试样进行粉碎获得HDPE母料，再取5％所制备的母料与95％UHMWPE树脂置于高速混合机中预混后取出用挤出机进行熔融混合，获得以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料。
(2)材料坯体的制备
将步骤(1)制备的以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料进行真空压膜成型，模压温度均为210℃，模具保压压力为15MPa，保压时间均为15分钟，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯坯体材料。
(3)微孔材料的制备
以超临界氮气作为发泡剂，将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜中，通入超临界氮气对试样进行浸泡，发泡高压反应釜中的压力控制在20MPa、温度控制在150℃，当超临界二氧化碳在所述坯体中达到饱和状态(约6小时)后，以约3MPa/s的卸压速率将发泡高压釜内的压力卸压至常压，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯的微孔材料。
用液氮将本实施例制备的超高分子量聚乙烯的微孔材料进行淬断处理，并用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，其断面形态如图1所示。
实施例4
本实施例的原料与实施例1相同，工艺步骤如下：
(1)原料的制备
按质量比配料，取30％流动改性剂与70％HDPE在转矩流变仪中进行熔融混炼，将所试样进行粉碎获得HDPE母料，再取5％所制备的母料与95％UHMWPE树脂置于高速混合机中预混后取出用挤出机进行熔融混合，获得以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料。
(2)材料坯体的制备
将步骤(1)制备的以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料进行真空压膜成型，模压温度均为210℃，模具保压压力为15MPa，保压时间均为15分钟，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯坯体材料。
(3)微孔材料的制备
将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜中并通入超临界二氧化碳作为发泡剂，发泡高压反应釜中的压力控制在12MPa、温度控制在130℃，当超临界二氧化碳在所述坯体中达到饱和状态(约8小时)后，将高压釜内的压力卸压至常压(卸压速率为1MPa/s)，然后从发泡高压反应釜中取出板材并迅速转入150℃的硅油浴中发泡30s，发泡时间届满后，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯微孔材料。
用液氮将本实施例制备的超高分子量聚乙烯的微孔材料进行淬断处理，并用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，其断面形态如图1所示。
实施例5
本实施例的原料与实施例2相同，工艺步骤如下：
(1)原料的制备
按质量比配料，取10％流动改性剂与90％LDPE在转矩流变仪中进行熔融混炼，将所试样进行粉碎获得LDPE母料，再取5％所制备的母料与95％UHMWPE树脂置于高速混合机中预混后取出用挤出机进行熔融混合，获得以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料。
(2)材料坯体的制备
将步骤(1)制备的以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料进行真空压膜成型，模压温度均为210℃，模具保压压力为15MPa，保压时间均为15分钟，用自来水冷却定型后得到超高分子量聚乙烯坯体材料。
(3)微孔材料的制备
将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜中并通入超临界二氧化碳作为发泡剂，发泡高压反应釜中的压力控制在50MPa、温度控制在100℃，当超临界二氧化碳在所述坯体中达到饱和状态(约8小时)后，将高压釜内的压力卸压至常压(卸压速率为1MPa/s)，然后从发泡高压反应釜中取出板材并迅速转入150℃的硅油浴中发泡30s，发泡时间届满后，用自来水冷却定型后得到具有超高分子量聚乙烯微孔材料。
用液氮将本实施例制备的超高分子量聚乙烯的微孔材料进行淬断处理，并用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，其断面形态如图1所示。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，其特征在于，组成材料包括：聚乙烯、添加剂、超高分子量聚乙烯树脂。
2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，其特征在于，所述聚乙烯是LDPE或HDPE。
3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，其特征在于，所述添加剂是聚合物流动改性剂。
4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料，其特征在于，制备方法如下：
(1)原料的制备：将添加剂加入聚乙烯中进行熔融混炼，制得添加剂与普通聚乙烯的母料，然后按配比将该母料与超高分子量聚乙烯树脂在高速混合机中进行预混合后，进行熔融混炼，直至均匀为止，得到以超高分子量聚乙烯为基体的混合物材料；
(2)材料坯体的制备：将步骤(1)制备的混合物材料进行熔融成型获得超高分子量聚乙烯的坯体试样；
(3)微孔材料的制备：将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯的坯体试样置于发泡高压反应釜，通入超临界流体对坯体试样进行浸泡，高压反应釜中的压力控制在高于超临界流体介质的临界压力，温度控制在高于超临界流体介质的临界温度，超临界流体浸泡过程中须进行短暂小幅的降压操作，操作结束后仍保持原先设定的饱和压力至坯体浸泡达到饱和状态，然后通过快速降压法或快速升温法使超高分子量聚乙烯的坯体发泡，冷却定型后即获得超高分子量聚乙烯的微孔滑动材料。
5.根据权利要求4所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的熔融成型是挤出成型、注塑成型或模压成型。
6.根据权利要求5所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料的制备方法，其特征在于，所述模压成型中，模压成型的温度高于所述混合物材料的混炼温度5℃～20℃，保压压力为3MPa～20MPa，保压时间为5分钟～20分钟。
7.根据权利要求4所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述超临界流体是二氧化碳、氮气、空气或氩气中的一种或几种。
8.根据权利要求4所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述快速降压法的降压速率为1MPa/s～50MPa/s。
9.根据权利要求4所述的一种超高分子量聚乙烯微孔滑动材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述快速升温法的升温速率为1℃/s～100℃/s。
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