CN111320797B - 一种超高分子量聚乙烯复合材料及其加工方法和制品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料领域，公开了一种超高分子量聚乙烯复合材料及其加工方法和制品。该超高分子量聚乙烯复合材料通过在超高分子量聚乙烯中加入聚乙烯醇和聚乳酸，在相容剂的作用下发生结合，进而在加入润滑剂的条件下与超高分子量聚乙烯发生协同作用，再配合使用无机填料，大大改善了超高分子量聚乙烯的流动性，降低了加工的难度，可在温和条件下挤出加工成型，且复合材料力学性能良好。

Description

一种超高分子量聚乙烯复合材料及其加工方法和制品
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料及其加工方法和制品。
背景技术
超高分子量聚乙烯是一种具有优异综合物理机械性能的工程塑料，具有普通聚乙烯及其他工程塑料不可比拟的耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性及耐低温性能。但是其分子量大，分子链间的缠结度高，无法应用普通的挤出或者注塑成型方法加工。目前超高分子量聚乙烯制品的生产仍然以压制-烧结方法为主，效率较低，制约了超高分子量聚乙烯的发展。
解决超高分子量聚乙烯加工难题一般有两种途径，一是应用特殊设计的机械设备；二是将其制备成复合材料，改善超高分子量聚乙烯的加工流动性，从而使其在相对较温和的条件下实现挤出或注塑成型。一般情况下，特殊设计的机械设备造价昂贵且对不同品种牌号原料的适应性较差。因此改善超高分子量聚乙烯的加工问题，目前主要以制备超高分子量聚乙烯复合材料为主。
美国专利US4281070A、日本专利JPS60240748A、JPS57177037A报道了将超高分子量聚乙烯与低分子量聚乙烯共混改性制备超高分子量聚乙烯复合材料的方法。报道显示，该低分子量聚乙烯的添加量在30％左右时，所述复合材料才具有较好的加工流动性；但是该复合材料的力学性能随着低分子量聚乙烯含量的增加会下降，即当低分子量聚乙烯的添加量为30％左右时，复合材料的力学性能和纯的超高分子量聚乙烯相比已大幅度下降。
中国专利申请CN98100960报道了超高分子量聚乙烯和高分子液晶一起制备的复合材料。该复合材料利用高分子液晶的取向和润滑作用，来提高超高分子量聚乙烯的流动性，但高分子液晶价格昂贵，且添加量大(10％以上)，成本很高。
中国专利申请CN99919536报道的超高分子量聚乙烯复合材料，添加了十氢化萘、低分子量聚乙烯蜡、酰胺类润滑剂等，虽然加工性能得到了一定的改善，但该复合材料中的低分子量改性剂的含量较高，导致复合材料力学性能也有较大幅度下降。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种可用于挤出的超高分子量聚乙烯复合材料及其加工方法和制品。
本发明由以下技术方案实现：
一种超高分子量聚乙烯复合材料，其原料以重量份计包括如下组分：超高分子量聚乙烯60～95份、聚乙烯醇1～8份、聚乳酸1～8份、相容剂0.5～5份、润滑剂0.5～8份和无机填料0.5～20份。
作为本发明的实施方案，所述原料以重量份计可以包括如下组分：超高分子量聚乙烯80-90份、聚乙烯醇2-5份、聚乳酸2-5份、相容剂1-3份、润滑剂1-5份和无机填料1-10份。
所述超高分子量聚乙烯为粘均分子量100万～1000万的超高分子量聚乙烯。
所述聚乙烯醇可以为聚合度为5000～10000的聚乙烯醇。
所述聚乳酸可以为数均分子量为50000～100000的聚乳酸。
所述相容剂为钛酸酯类化合物中的一种或两种以上的组合。例如，所述钛酸酯类化合物选自钛酸烷基酯中的一种或两种以上的组合，所述烷基为C1-C20的烷基(例如为C1-C10的烷基)；具体的，所述钛酸酯类化合物包括但不限于钛酸四甲酯、钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四丁酯、钛酸四戊酯、钛酸四己酯、钛酸四庚酯、钛酸四异辛酯、钛酸四壬酯中的一种或两种以上的组合。
所述润滑剂可选自聚乙烯蜡、硬脂酸盐(如硬脂酸锌、硬脂酸铜、硬脂酸钙等)等的一种或两种以上的组合。
所述无机填料可选自碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、滑石粉、水滑石中的一种或两种以上的组合。
本发明还提供所述的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：将上述用量的超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、相容剂、润滑剂和无机填料高速混合，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
示例性地，所述混合时间为2～90分钟；所述高速混合的转速为500～2000转/分钟。
本发明还提供一种挤出型制品，所述制品由上述超高分子量聚乙烯复合材料经挤出成型制备得到。
所述挤出型制品为管材、棒材以及板材等。
本发明还提供上述挤出型制品的加工方法，包括以下步骤：(1)将上述超高分子量复合材料加入至挤出机中，挤出机压力设定为5～50MPa，挤出温度为180-270℃，熔融挤出；
(2)冷却，定型，即得制品。
作为本发明的一个具体实施方案，所述挤出机各区段温度设定为：加热室设定温度180～230℃，机筒一区设定温度180～230℃，机筒二区设定温度180～250℃，机筒三区设定温度200～270℃，模头一区设定温度200～270℃，模头二区设定温度200～270℃，模头三区设定温度180～250℃，模头四区设定温度150～220℃。
作为本发明的一个具体实施方案，所述冷却为采用温度为40～80℃的水进行冷却。
有益效果
本发明人经过研究发现同时加入聚乙烯醇和聚乳酸后，聚乙烯醇和聚乳酸可在相容剂的作用下发生结合，进而在加入润滑剂的条件下与超高分子量聚乙烯发生协同作用，使得到的超高分子量聚乙烯复合材料的熔体流动性得到很大改善，从而降低了加工难度，再配合使用无机填料，使得到的超高分子量聚乙烯复合材料力学性能也保持较好。研究发现，若仅仅单独加入聚乙烯醇或者聚乳酸对超高分子量聚乙烯的熔体流动性改善并不理想。
本发明的超高分子量聚乙烯复合材料具有优良的物理性能和加工性能，可直接用于挤出加工，生产例如管材等挤出成型制品。由于加工流动性得到大幅改善，提高了生产效率，利于生产规模的扩大，具有良好的产业化前景。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式，以挤出管材为例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例和对比例中有关数据按照以下测试方法获得：
熔融指数按照GB/T3682-2000所述方法检测。
拉伸强度、断裂伸长率及弯曲模量按照QB/T2668-2004所述方法检测。
【实施例1】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为600万)80份
聚乙烯醇(数均分子量为6万)2份
聚乳酸(数均分子量为10万)2份
钛酸四乙酯1份
硬脂酸锌5份
碳酸钙10份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【实施例2】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为500万)85份
聚乙烯醇(聚合度8000)4份
聚乳酸(数均分子量为5万)4份
钛酸四丙酯1份
聚乙烯蜡2份
滑石粉4份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【实施例3】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为600万)90份
聚乙烯醇(聚合度7000)3份
聚乳酸(数均分子量为6万)3份
钛酸四丁酯2份
硬脂酸锌1份
二氧化硅1份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定10MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【实施例4】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为300万)80份
聚乙烯醇(聚合度5000)4份
聚乳酸(数均分子量为5万)4份
钛酸四乙酯3份
硬脂酸钙2份，硬脂酸锌2份
滑石粉5份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【实施例5】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为500万)80份
聚乙烯醇(聚合度8000)5份
聚乳酸(数均分子量为5万)5份
钛酸四丁酯3份
聚乙烯蜡2份
碳酸钙2份、氧化铝3份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【对比例1】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为600万)80份
聚乙烯醇(数均分子量为6万)2份
钛酸四乙酯1份
硬脂酸锌5份
碳酸钙10份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【对比例2】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为600万)80份
聚乳酸(数均分子量为10万)2份
钛酸四乙酯1份
硬脂酸锌5份
碳酸钙10份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【对比例3】
本实施例中的超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的原料组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为600万)80份
钛酸四乙酯1份
硬脂酸锌5份
碳酸钙10份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
【对比例4】
超高分子量聚乙烯复合材料，包括以下重量份的组分：
超高分子量聚乙烯(粘均分子量为500万)80份
钛酸四丁酯3份
聚乙烯蜡2份
碳酸钙2份、氧化铝3份
将上述组分加入高速混合机中，1000转/分钟，高速混合5分钟，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
将上述超高分子量聚乙烯复合材料，加入至挤出机中，挤出机压力设定8MPa，加热室温度设定190℃，机筒一区设定温度190℃，机筒二区设定温度210℃，机筒三区设定温度230℃，模头一区设定温度230℃，模头二区设定温度230℃，模头三区设定温度210℃，模头四区设定温度180℃。用温度为60℃的水进行冷却，定型，得超高分子量聚乙烯管材。
表1为实施例1～5和对比例1～4所得的超高分子量聚乙烯管材的力学性能测试结果。
Figure BDA0001907044050000091
通过表1数据可以看出，实施例1-5复合材料的熔融指数远大于对比例1-4，说明聚乙烯醇和聚乳酸在超高分子量聚乙烯中协同作用，大大改善了材料的流动性，并且仍然保持了良好的机械性能，避免了改善超高密度聚乙烯加工性能时机械性能的大幅下降，取得了预料不到的效果。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种超高分子量聚乙烯复合材料，其特征在于，其原料以重量份计包括如下组分：超高分子量聚乙烯60～95份、聚乙烯醇1～8份、聚乳酸1～8份、相容剂0.5～5份、润滑剂0.5～8份和无机填料0.5～20份；
所述相容剂为钛酸酯类化合物中的一种或两种以上的组合，所述钛酸酯类化合物选自钛酸烷基酯中的一种或两种以上的组合，所述钛酸烷基酯中的烷基为C1-C10的烷基。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述原料以重量份计包括如下组分：超高分子量聚乙烯80-90份、聚乙烯醇2-5份、聚乳酸2-5份、相容剂1-3份、润滑剂1-5份和无机填料1-10份。
3.根据权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述超高分子量聚乙烯为粘均分子量100万～1000万的超高分子量聚乙烯。
4.根据权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述聚乙烯醇为聚合度为5000～10000的聚乙烯醇；
和/或，所述聚乳酸为数均分子量为50000～100000的聚乳酸。
5.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述钛酸酯类化合物包括钛酸四甲酯、钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四丁酯、钛酸四戊酯、钛酸四己酯、钛酸四庚酯、钛酸四异辛酯、钛酸四壬酯中的一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸盐的一种或两种以上的组合；
和/或，所述无机填料为碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、滑石粉、水滑石中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求6所述的超高分子量聚乙烯复合材料，其中，硬脂酸盐选自硬脂酸锌、硬脂酸铜、硬脂酸钙中的一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1-7任一项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，所述方法包括以下步骤：将上述用量的超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、相容剂、润滑剂和无机填料高速混合，即得到超高分子量聚乙烯复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述混合时间为2～90分钟；所述高速混合的转速为500～2000转/分钟。
10.一种挤出型制品，其特征在于，所述制品由权利要求1-7任一项所述的超高分子量聚乙烯复合材料经挤出成型制备得到。
11.根据权利要求10所述的挤出型制品，其中，所述挤出型制品为管材、棒材或板材。
12.根据权利要求10或11所述的挤出型制品的加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将所述超高分子量聚乙烯复合材料加入至挤出机中，挤出机压力设定为5～50MPa，挤出温度为180-270℃，熔融挤出；(2)冷却，定型。
13.根据权利要求12所述的加工方法，其特征在于，所述挤出机各区段温度设定为：加热室设定温度180～230℃，机筒一区设定温度180～230℃，机筒二区设定温度180～250℃，机筒三区设定温度200～270℃，模头一区设定温度200～270℃，模头二区设定温度200～270℃，模头三区设定温度180～250℃，模头四区设定温度150～220℃。
14.根据权利要求12所述的加工方法，其特征在于，所述冷却为采用温度为40～80℃的水进行冷却。
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