CN108148248B - 超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法和应用。超高分子量聚乙烯复合材料由如下重量份数的原料制成：超高分子量聚乙烯100份、热塑性聚酯弹性体0.2‑20份、乙烯‑降冰片烯共聚物0.1‑10份、相容剂1‑30份、润滑剂0.1‑5份、无机填料1‑10份。本发明复合材料既具有好的加工性能，又同时具有强度高、韧性好、动态力学性能好的特点，制备的管材、型材、膜具有优良的耐磨性、自润滑性、抗冲击性、耐穿刺性。

Description

超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国国民经济和工业化的高速发展，对于高性能材料的需求越来越迫切。矿山、钢铁、冶金、火电、油田等行业需要适合输送固液混合物、固体粉末、液体、气体等介质的耐磨、抗腐蚀、防结垢、“以塑代钢”、“节能降耗”的塑料管材。在国防军工和尖端制造产业需要高端工程材料和其注塑成型的精密工程部件。防治雾霭和绿色出行，国家在大力扶持电动汽车，动力电池技术是电动汽车的核心技术之一，而高性能的锂电池膜是动力电池的关键部件。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量极高，有着优异的机械性能，是高性能聚合物中最有代表性的材料之一。UHMWPE高度缠结的分子链结构赋予材料极其优异的性能：①耐磨损性能卓越，是一般碳钢和铜等金属耐磨的数倍，比PA66耐磨4倍；②冲击强度极高，比PA666和聚丙烯大10倍；③能吸收震动冲击和防噪声；④摩擦系数很低，能自润滑；⑤不易粘附异物，滑动时有优良的抗粘着性；⑥耐化学腐蚀；⑦工作范围宽，从－265℃到+80℃，都能保持很好的韧性和强度；⑧无毒，可循环回收。但是，也是由于UHMWPE高度缠结的分子链结构，使它在熔点以上也没有流动性，其在熔融后是半透明的高粘弹态，熔体粘度高达108Pa.s。用单螺杆挤出机加工该材料的时候，熔体极易在压缩段粘附在螺杆的压缩段随着螺杆旋转，难以沿着螺槽方向推进，造成材料打滑和堵塞现象，无法正常加工成型。
热塑性聚酯弹性体(TPEE)是含有聚酯硬段和聚醚软段的嵌段共聚物。其中，聚酯硬段部分结晶形成结晶微区，这些结晶区起到物理交联聚醚软段和未结晶聚酯的无定形区的作用。软段赋予TPEE橡胶一样的弹性，硬段赋予其塑料一样的加工性能；所以TPEE既具有橡胶的弹性，又有工程塑料的强度。乙烯-降冰片烯共聚物是由乙烯与降冰片烯共聚而成的一种非晶性聚烯烃，具有高透明性、高刚性、耐热、尺寸稳定性好，同时具有聚烯烃的耐化学药品性、耐光性、安全卫生性。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，具有良好的流动性，可用于高效率挤出、注塑、压延成型，又同时具有强度高、韧性好、动态力学性能好的特点；本发明同时提供了超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，科学合理、简单易行；本发明还提供了超高分子量聚乙烯复合材料的应用，制备的管材、注塑型材、膜具有优异的耐磨性、自润滑性、耐冲击性、耐穿刺性。
本发明所述的超高分子量聚乙烯复合材料，由如下重量份数的原料制成：
Figure BDA0001552048180000021
所述的超高分子量聚乙烯为粘均分子量100万-1000万的聚乙烯。
所述的热塑性聚酯弹性体为聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙二醇醚嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙二醇醚嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙交酯嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙交酯嵌段共聚物或聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚己内酯嵌段共聚物中的一种或几种。
所述的乙烯-降冰片烯共聚物为重均分子量1万-150万的共聚物。
所述的相容剂为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯或低密度聚乙烯中的一种或几种。
所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钡、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯蜡或氧化聚乙烯蜡中的一种或几种。
所述的无机填料为二氧化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硅或滑石粉中的一种或几种。
本发明所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法是将超高分子量聚乙烯、热塑性聚酯弹性体、乙烯-降冰片烯共聚物、相容剂、润滑剂和无机填料高速混合，得到超高分子量聚乙烯复合材料。
所述的混合时间为5-90分钟。
所述的高速混合的转速为500-1500r/min。
本发明所述的超高分子量聚乙烯复合材料的应用是将超高分子量聚乙烯复合材料放入单螺杆挤出机中挤出成型，得到管材，管材的挤出熔体温度为140-250℃；
或将超高分子量聚乙烯复合材料放入注塑机中注塑成型，得到型材，型材的注塑熔体温度为170-270℃；
或将超高分子量聚乙烯复合材料放入挤出压延机中压延成型，得到膜，膜的挤出压延熔体温度为140-230℃。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明专利将TPEE和乙烯-降冰片烯共聚物流动改性UHMWPE，在相容剂的相容作用下，共聚物与UHMWPE形成共晶，使得复合材料既具有好的加工性能，又同时具有强度高、韧性好、动态力学性能好的特点。用无机填料进一步增韧增强复合材料，使得材料分别用于挤出成型管材、注塑成型型材、压延成型膜等制品时具有优良的尺寸稳定性。本发明专利制备的管材、型材、膜具有优良的耐磨性、自润滑性、抗冲击性、耐穿刺性。本发明解决了现有UHMWPE难以加工成型技术的瓶颈，大大提高UHMWPE制品的生产效率，促进UHMWPE行业的发展。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
按重量份将100份粘均分子量1000万超高分子量聚乙烯、20份对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙二醇醚嵌段共聚物、5份重均分子量10万乙烯-降冰片烯共聚物、20份低密度聚乙烯、3份聚乙烯蜡、5份碳化硅高速混合，混合时间为60分钟，然后将混合物放入单螺杆挤出机中挤出成型，管材的挤出熔体温度为250℃。
管材的各项性能指标见表1。
实施例2
按重量份将100份粘均分子量600万超高分子量聚乙烯、10份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、10份重均分子量150万乙烯-降冰片烯共聚物、10份高密度聚乙烯、5份氧化聚乙烯蜡、3份氧化锆高速混合，混合时间为30分钟，然后将混合物放入单螺杆挤出机中挤出成型，管材的挤出熔体温度为230℃。
管材的各项性能指标见表1。
实施例3
按重量份将100份粘均分子量400万超高分子量聚乙烯、5份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙交酯嵌段共聚物、8份重均分子量100万乙烯-降冰片烯共聚物、15份中密度聚乙烯、0.2份硬脂酸钙、1份硬脂酸锌、10份滑石粉高速混合，混合时间为90分钟，然后将混合物放入单螺杆挤出机中挤出成型，管材的挤出熔体温度为220℃。
管材的各项性能指标见表1。
实施例4
按重量份将100份粘均分子量500万超高分子量聚乙烯、15份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚己内酯嵌段共聚物、2份重均分子量3万乙烯-降冰片烯共聚物、5份线性低密度聚乙烯、0.1份硬脂酸、1份二氧化硅高速混合，混合时间为20分钟，然后将混合物放入单螺杆挤出机中挤出成型，管材的挤出熔体温度为240℃。
管材的各项性能指标见表1。
实施例5
按重量份将100份粘均分子量150万超高分子量聚乙烯、0.2份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、0.1份重均分子量1万乙烯-降冰片烯共聚物、1份线性低密度聚乙烯、4份聚乙烯蜡、2份氧化铝高速混合，混合时间为5分钟，然后将混合物放入单螺杆挤出机中挤出成型，管材的挤出熔体温度为140℃。
管材的各项性能指标见表1。
表1实施例1-5管材力学性能
Figure BDA0001552048180000041
实施例6
按重量份将100份粘均分子量800万超高分子量聚乙烯、17份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、4份重均分子量20万乙烯-降冰片烯共聚物、30份高密度聚乙烯、4份硬脂酸、3份氮化硅高速混合，混合时间为70分钟，然后将混合物放入注塑机中注塑成型，型材的注塑熔体温度为270℃。
型材的各项性能指标见表2。
实施例7
按重量份将100份粘均分子量600万超高分子量聚乙烯、12份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、4份重均分子量20万乙烯-降冰片烯共聚物、25份低密度聚乙烯、4份硬脂酸锌、2份氮化硅高速混合，混合时间为50分钟，然后将混合物放入注塑机中注塑成型，型材的注塑熔体温度为250℃。
型材的各项性能指标见表2。
实施例8
按重量份将100份粘均分子量500万超高分子量聚乙烯、10份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙交酯嵌段共聚物、3份重均分子量80万乙烯-降冰片烯共聚物、16份高密度聚乙烯、3份聚乙烯蜡、9份碳化硅高速混合，混合时间为80分钟，然后将混合物放入注塑机中注塑成型，型材的注塑熔体温度为240℃。
型材的各项性能指标见表2。
实施例9
按重量份将100份粘均分子量400万超高分子量聚乙烯、5份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、2份重均分子量5万乙烯-降冰片烯共聚物、15份中密度聚乙烯、5份氧化聚乙烯、1份滑石粉高速混合，混合时间为20分钟，然后将混合物放入注塑机中注塑成型，型材的注塑熔体温度为180℃。
型材的各项性能指标见表2。
实施例10
按重量份将100份粘均分子量250万超高分子量聚乙烯、0.5份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙二醇醚嵌段共聚物、1份重均分子量5万乙烯-降冰片烯共聚物、10份线性低密度聚乙烯、4份硬脂酸、5份氮化硅高速混合，混合时间为10分钟，然后将混合物放入注塑机中注塑成型，型材的注塑熔体温度为170℃。
型材的各项性能指标见表2。
表2实施例6-10注塑型材力学性能
Figure BDA0001552048180000051
实施例11
按重量份将100份粘均分子量450万超高分子量聚乙烯、3份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙二醇醚嵌段共聚物、2份重均分子量10万乙烯-降冰片烯共聚物、20份线性低密度聚乙烯、3份聚乙烯蜡、1份滑石粉高速混合，混合时间为40分钟，然后将混合物放入挤出压延机中压延成型，膜的挤出压延熔体温度为230℃。
膜的各项性能指标见表3。
实施例12
按重量份将100份粘均分子量300万超高分子量聚乙烯、15份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙二醇醚嵌段共聚物、3份重均分子量120万乙烯-降冰片烯共聚物、20份中密度聚乙烯、2份硬脂酸钙、6份二氧化硅高速混合，混合时间为50分钟，然后将混合物放入挤出压延机中压延成型，膜的挤出压延熔体温度为200℃。
膜的各项性能指标见表3。
实施例13
按重量份将100份粘均分子量200万超高分子量聚乙烯、1份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙交酯嵌段共聚物、3份重均分子量70万乙烯-降冰片烯共聚物、5份中密度聚乙烯、2份硬脂酸、1份氮化硅高速混合，混合时间为30分钟，然后将混合物放入挤出压延机中压延成型，膜的挤出压延熔体温度为180℃。
膜的各项性能指标见表3。
实施例14
按重量份将100份粘均分子量150万超高分子量聚乙烯、4份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙交酯嵌段共聚物、3份重均分子量30万乙烯-降冰片烯共聚物、5份线性低密度聚乙烯、5份聚乙烯蜡、1份氮化硅高速混合，混合时间为40分钟，然后将混合物放入挤出压延机中压延成型，膜的挤出压延熔体温度为160℃。
膜的各项性能指标见表3。
实施例15
按重量份将100份粘均分子量100万超高分子量聚乙烯、1份聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙交酯嵌段共聚物、2份重均分子量10万乙烯-降冰片烯共聚物、25份高密度聚乙烯、5份硬脂酸、7份氧化锆高速混合，混合时间为60分钟，然后将混合物放入挤出压延机中压延成型，膜的挤出压延熔体温度为140℃。
膜的各项性能指标见表3。
表3实施例11-15膜力学性能
Figure BDA0001552048180000061
Figure BDA0001552048180000071

Claims (4)

1.一种超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于由如下重量份数的原料制成：
Figure FDA0002698644460000011
所述的超高分子量聚乙烯为粘均分子量100万-1000万的聚乙烯；
所述的热塑性聚酯弹性体为聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙二醇醚嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙二醇醚嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丁二醇醚嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚丙交酯嵌段共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚乙交酯嵌段共聚物或聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚己内酯嵌段共聚物中的一种或几种；
所述的乙烯-降冰片烯共聚物为重均分子量1万-150万的共聚物；
所述的相容剂为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯或低密度聚乙烯中的一种或几种；
所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钡、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯蜡或氧化聚乙烯蜡中的一种或几种；
所述的无机填料为二氧化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硅或滑石粉中的一种或几种。
2.一种权利要求1所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于将超高分子量聚乙烯、热塑性聚酯弹性体、乙烯-降冰片烯共聚物、相容剂、润滑剂和无机填料高速混合，得到超高分子量聚乙烯复合材料。
3.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述的混合时间为5-90分钟。
4.一种权利要求1所述的超高分子量聚乙烯复合材料的应用，其特征在于：
将超高分子量聚乙烯复合材料放入单螺杆挤出机中挤出成型，得到管材；
或将超高分子量聚乙烯复合材料放入注塑机中注塑成型，得到型材；
或将超高分子量聚乙烯复合材料放入挤出压延机中压延成型，得到膜。
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