CN113817227B - 聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料及其制备方法、改性uhmwpe及其制备方法 - Google Patents

聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料及其制备方法、改性uhmwpe及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚醚酰亚胺‑凹凸棒石‑碳纤维杂化材料及其制备方法、改性UHMWPE及其制备方法，属于固体润滑材料技术领域。本发明制备的聚醚酰亚胺‑凹凸棒石‑碳纤维杂化材料与UHMWPE基体之间界面结合良好，将聚醚酰亚胺‑凹凸棒石‑碳纤维杂化材料用于UHMWPE的改性，得到的改性UHMWPE具有优异的减摩耐磨性能。

Description

聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料及其制备方法、改性 UHMWPE及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体润滑材料技术领域，尤其涉及一种聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料及其制备方法、改性UHMWPE及其制备方法。
背景技术
碳纤维增强聚合物复合材料具有优异的力学性能，尤其在汽车、航天、电气设备等领域内发挥着重要作用。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为一种具有优异生物相容性、化学稳定性、良好的耐磨性和低摩擦的热塑性工程塑料，经碳纤维填充改性后，可提高其弹性模量和屈服强度。但在摩擦过程中刚性碳纤维与金属对偶表面硬质凸起之间的接触应力增大，摩擦副之间的运动阻力增大，导致摩擦系数增大，复合材料减摩性能降低。此外，UHMWPE为非极性材料，而碳纤维又有一定的化学惰性，表现出了与UHMWPE基体的低粘附性，而碳纤维与基体之间结合力的薄弱易导致材料受损，因此提高碳纤维与UHMWPE基体之间的界面性能对提高复合材料整体性能至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料及其制备方法、改性UHMWPE及其制备方法，本发明制备的聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料与UHMWPE基体之间界面结合良好，将聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料用于UHMWPE的改性，得到的改性UHMWPE具有优异的减摩耐磨性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料的制备方法，包括以下步骤：将聚醚酰亚胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到聚醚酰亚胺溶液；
将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液；
将所述聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液和酸化碳纤维混合，进行酰胺化反应，固液分离后，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。
优选的，将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合前，还包括对所述凹凸棒石进行纯化；所述纯化包括：将凹凸棒石与水混合，得到悬浮液；调整所述悬浮液的pH值为9～11，将调整pH值后的悬浮液依次进行陈化和搅拌分散，固液分离后对所得固体进行干燥和研磨，得到纯化凹凸棒石。
优选的，所述聚醚酰亚胺和N,N-二甲基甲酰胺的用量比为1g:(150～300) mL；所述凹凸棒石与聚醚酰亚胺溶液的用量比为1g:(200～300)mL。
优选的，所述酸化碳纤维和聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液的用量比为1g:(40～60)mL。
优选的，所述酰胺化反应在水浴条件下进行，所述酰胺化反应的温度为 30～50℃，时间为2～4h。
本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的聚醚酰亚胺-凹凸棒石- 碳纤维杂化材料。
本发明提供了一种改性UHMWPE，包括聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料和UHMWPE。
优选的，所述改性UHMWPE中聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维的含量为 5～20wt％。
本发明提供了上述方案所述改性UHMWPE的制备方法，包括以下步骤：将UHMWPE和聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维混合，得到混合物料；将所述混合物料进行热压烧结，脱模后，得到改性UHMWPE。
优选的，所述热压烧结的温度为200～220℃，压力为8～15MPa，保温保压时间为30～50min。
本发明提供了一种聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料的制备方法，包括以下步骤：将聚醚酰亚胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到聚醚酰亚胺溶液；将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液；将所述聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液和酸化碳纤维混合，进行酰胺化反应，固液分离后，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。
本发明在碳纤维表面原位接枝一层聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石，能够有效增加碳纤维表面粗糙度和反应活性，改善了碳纤维与UHMWPE之间的润湿性和化学作用，并且修饰过程温和，不会造成纤维结构与强度的破坏，将本发明所述聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料对UHMWPE进行填充改性，碳纤维与UHMWPE基体之间界面结合良好的同时，碳纤维起到增强作用，可以有效分散载荷，降低磨损；与具有减摩效果的凹凸棒石通过聚醚酰亚胺结合后，在降低UHMWPE摩擦系数与磨损率方面具有协同效应，因此得到的改性UHMWPE具有优异的减摩耐磨性能，可作为固体润滑材料。
附图说明
图1为UHMWPE及实施例1～3和对比例1～2的邵氏硬度及压缩强度柱状图；
图2所示为UHMWPE及实施例1～3和对比例1～2的拉伸断面形貌图；
图3为UHMWPE及其实施例1～3和对比例1～2的摩擦系数及磨损率。
具体实施方式
本发明提供了一种聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚醚酰亚胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到聚醚酰亚胺溶液；
将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液；
将所述聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液和酸化碳纤维混合，进行酰胺化反应，固液分离后，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
本发明将聚醚酰亚胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到聚醚酰亚胺溶液。在本发明中，所述聚醚酰亚胺和N,N-二甲基甲酰胺的用量比优选为1g: (150～300)mL，更优选为1g:(200～250)mL。本发明采用N,N-二甲基甲酰胺既能将分子链较长的聚醚酰亚胺分子溶解，同时又不会对碳纤维和凹凸棒石造成破坏。本发明对所述溶解的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的溶解过程即可。
得到聚醚酰亚胺溶液后，本发明将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液。
将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合前，本发明优选还包括对所述凹凸棒石进行纯化；所述纯化优选包括：将凹凸棒石与水混合，得到悬浮液；调整所述悬浮液的pH值为9～11，将调整pH值后的悬浮液依次进行陈化和搅拌分散，固液分离后对所得固体进行干燥和研磨，得到纯化凹凸棒石。在本发明中，与水混合前的凹凸棒石的粒径优选为200目以下，长度优选为 0.5～5μm，直径优选为50～150nm。在本发明中，所述悬浮液中凹凸棒石的质量浓度优选为5～10％，更优选为6～8％。本发明对所述凹凸棒石与水混合的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够将原料混合均匀即可。在本发明中，出厂凹凸棒石为酸性，本发明调节悬浮液的pH至碱性是为了与凹凸棒石发生阳离子交换作用，提高凹凸棒石表面负电荷含量以增加其反应活性。本发明优选采用冰醋酸调整悬浮液的pH值为9～11。在本发明中，所述陈化的时间优选为24h。本发明利用陈化促进凹凸棒石表面的阳离子与碱液充分进行阳离子交换。本发明对所述搅拌分散的条件没有特殊要求，在本发明的实施例中，具体是于240rpm的转速下磁力搅拌分散4h。本发明对所述固液分离的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的固液分离方式即可，具体的如抽滤。本发明对所述干燥的条件没有特殊要求，采用本领域熟知的干燥条件即可。在本发明的实施例中，具体是60℃干燥12h。在本发明中，所述研磨后优选过400目筛，取筛下物作为纯化凹凸棒石。
在本发明中，所述凹凸棒石与聚醚酰亚胺溶液的用量比优选为1g: (200～300)mL，更优选为1g:(240～260)mL。
在本发明中，将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合优选包括：将凹凸棒石加入到聚醚酰亚胺溶液中，依次交替进行搅拌和超声分散。本发明对所述搅拌和超声分散的条件没有特殊要求，直至混合溶液呈现粘稠且不沉降的状态，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液。本发明将聚醚酰亚胺与凹凸棒石混合过程中，醚酰亚胺长链对凹凸棒石进行包覆。
得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液后，本发明将所述聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液和酸化碳纤维混合，进行酰胺化反应，固液分离后，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。
在本发明中，所述酸化碳纤维优选由碳纤维经酸化得到；所述酸化优选包括：将浓硝酸与水混合，得到硝酸溶液；将碳纤维加入到硝酸溶液中形成悬浮液，水浴加热搅拌反应后，过滤洗涤至中性，干燥后得到酸化碳纤维。
在本发明中，所述浓硝酸的浓度优选为65～68％；所述水优选为去离子水；所述浓硝酸与水的体积比优选为1：(3～5)，更优选为1:4。在本发明中，所述碳纤维的长径比优选为(10～20)：1。在本发明中，所述碳纤维在悬浮液中的质量浓度优选为10～18％，更优选为13～15％。在本发明中，所述水浴加热搅拌反应的温度优选为50～60℃，时间优选为2～4h。本发明对所述水浴加热搅拌反应的搅拌速率没有特殊要求，采用本领域熟知的搅拌速率即可。本发明对碳纤维进行酸化，去除碳纤维表面胶状物质，并使纤维表面氧化形成羧基等基团，进而参与后续的酰胺化反应。
在本发明中，所述酸化碳纤维和聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液的用量比优选为1g:(40～60)mL，更优选为1g:(45～55)mL。
在本发明中，所述酰胺化反应优选在水浴条件下进行，所述酰胺化反应的温度优选为30～50℃，更优选为40℃；时间优选为2～4h，更优选为3h。进行酰胺化反应之前，本发明优选调整聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液的 pH值为5～6，从而促进酰胺化反应的正向进行。本发明优选采用盐酸或乙酸进行pH值的调节。本发明在所述酰胺化反应过程中，所述酸化碳纤维表面的羧基与聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石上的氨基发生反应，进而实现对碳纤维的接枝改性。
完成所述酰胺化反应后，本发明将所得反应体系进行固液分离，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。本发明对所述固液分离的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的固液分离方式即可，具体的如离心。本发明优选将固液分离后所得固体依次进行洗涤和干燥，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。在本发明中，所述洗涤所用洗液优选为N,N-二甲基甲酰胺，本发明利用洗涤以除去多余的聚醚酰亚胺。在本发明中，所述干燥的温度优选为40～60℃，更优选为45～55℃，时间优选为8～15h，更优选为10～12h。
本发明在碳纤维表面原位接枝一层聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石，能够有效增加碳纤维表面粗糙度和反应活性，改善了碳纤维与UHMWPE之间的润湿性和化学作用，并且修饰过程温和，不会造成纤维结构与强度的破坏，将本发明所述聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料对UHMWPE进行填充改性，碳纤维与UHMWPE基体之间界面结合良好的同时，碳纤维起到增强作用，可以有效分散载荷，降低磨损；与具有减摩效果的凹凸棒石通过聚醚酰亚胺结合后，在降低UHMWPE摩擦系数与磨损率方面具有协同效应，因此得到的改性UHMWPE具有优异的减摩耐磨性能，可作为固体润滑材料。
本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的聚醚酰亚胺-凹凸棒石- 碳纤维杂化材料，包括聚醚酰亚胺、凹凸棒石和碳纤维；所述聚醚酰亚胺将凹凸棒石包裹，同时所述聚醚酰亚胺与碳纤维之间通过酰胺化反应相连。
本发明提供了一种改性UHMWPE，包括聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料和UHMWPE。在本发明中，所述聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料和UHMWPE之间优选通过范德华力结合。在本发明中，所述改性 UHMWPE中聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维的含量优选为5～20wt％，更优选为10～15wt％。
本发明提供了上述方案所述改性UHMWPE的制备方法，包括以下步骤：将UHMWPE和聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维混合，得到混合物料；将所述混合物料进行热压烧结，脱模后，得到改性UHMWPE。
本发明将UHMWPE和聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维混合，得到混合物料。在本发明中，所述UHMWPE的分子量优选为(6～9.5)×106g/mol，更优选为(6.5～8.5)×106g/mol，进一步优选为(7.0～8.0)×106g/mol。本发明对所述混合的过程没有特殊要求，本领域熟知的混合方式均可。在本发明中，所述UHMWPE和聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维的用量优选对应所述改性 UHMWPE的组成。
得到混合物料后，本发明将所述混合物料进行热压烧结，脱模后，得到改性UHMWPE。
本发明优选将混合物料置于不锈钢模具中，然后采用热压机进行热压烧结。在本发明中，所述热压烧结的温度优选为200～220℃，更优选为 205～215℃，压力优选为8～15MPa，更优选为10～12MPa；保温保压时间优选为30～50min，更优选为35～45min。
在本发明中，所述热压烧结的升温程序优选为：由室温进行第一升温至180～200℃，然后自180～200℃进行第二升温至热压烧结的温度。在本发明中，所述第一升温的速率优选为3℃/min；所述第二升温的速率优选为 1℃/min。本发明先升温至180～200℃，然后第二升温至热压烧结的温度，可以更精确的控制温度，避免加热炉温度过高，而样品温度较低的情况的发生。
完成热压烧结后，本发明优选将所得材料自然冷却至70～80℃，进行脱模，得到改性UHMWPE。
下面结合实施例对本发明提供的聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料及其制备方法、改性UHMWPE及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例、对比例中所用凹凸棒石即按照以下步骤进行预处理后的纯化凹凸棒石：将凹凸棒石(产自江苏省明光市，长度为1μm，直径为90nm) 研磨至200目以下，用蒸馏水配成质量浓度为5％的悬浮液，调节所述悬浮液的pH值至11，在25℃陈化24h，磁力搅拌分散4h(240rpm)，抽滤，对所得固体于60℃干燥12h，研磨过400目筛，得到纯化凹凸棒石。
以下实施例、对比例中所用碳纤维即按照以下步骤进行酸处理后的酸化碳纤维：将浓硝酸(质量分数为68％)与去离子混合，混合体积比率为1： 4；将碳纤维加入稀释后的硝酸溶液中形成悬浮液，60℃水浴加热搅拌反应 3h后过滤洗涤至中性，干燥后得到酸化碳纤维。
以下实施例、对比例中所用UHMWPE牌号为GUR4150，分子量9.2×106 g/mol。
实施例1
①将4g聚醚酰亚胺溶于1000mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声搅拌直至完全溶解。溶解后加入4g纯化凹凸棒石，搅拌、超声5h，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液(记为PEI-ATP悬浮液)，调整其pH值至6。
②将20g酸化碳纤维加入制备好的PEI-ATP悬浮液中，40℃搅拌3h进行酰胺化反应，反应后离心，用N,N-二甲基甲酰胺洗涤残余聚醚酰亚胺，产物在50℃下干燥12h得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维(PEI-ATP-CF)杂化材料。
③将30g干燥的超高分子量聚乙烯与3g聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维进行机械混合10min，得到混合物料；将所述混合物料装入不锈钢模具中，于 5吨热压机中进行烧结，烧结压力10MPa，烧结程序如下：以升温速率 3℃/min，自室温升温至180℃，然后以升温速率1℃/min，升温至200℃后，保温30min，自然冷却至70℃脱模，得到直径为25mm、厚度为8mm的改性UHMWPE。
实施例2
①将3g聚醚酰亚胺溶于800mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声搅拌直至完全溶解。溶解后加入3g纯化凹凸棒石，搅拌、超声5h，得到反应物PEI-ATP悬浮液，调整其pH值至5。
②将15g酸化碳纤维加入制备好的PEI-ATP悬浮液中，50℃搅拌3h，反应后离心，用N,N-二甲基甲酰胺洗涤残余聚醚酰亚胺，产物在60℃下干燥12h得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维(PEI-ATP-CF)杂化材料。
③将20g干燥的超高分子量聚乙烯与3g聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维进行机械混合10min，得到混合物料；将所述混合物料装入不锈钢模具中，于 5吨热压机中进行烧结，烧结压力10MPa，烧结程序如下：以升温速率 3℃/min，自室温升温至200℃，然后以升温速率1℃/min，升温至220℃后，保温30min，自然冷却至70℃脱模，得到直径为25mm、厚度为8mm的改性UHMWPE。
实施例3
①将5g聚醚酰亚胺溶于1000mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声搅拌直至完全溶解。溶解后加入4g纯化凹凸棒石，搅拌、超声6h，得到反应物PEI-ATP悬浮液，调整其pH值至5。
②将20g酸化碳纤维加入制备好的PEI-ATP悬浮液中，40℃搅拌4h，反应后离心，用N,N-二甲基甲酰胺洗涤残余聚醚酰亚胺，产物在60℃下干燥12h得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维(PEI-ATP-CF)杂化材料。
③将30g干燥的超高分子量聚乙烯与6g聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维进行机械混合12min，得到混合物料；将所述混合物料装入不锈钢模具中，于 5吨热压机中进行烧结，烧结压力10MPa，烧结程序如下：以升温速率 3℃/min，自室温升温至180℃，然后以升温速率1℃/min，升温至200℃后，保温40min，自然冷却至70℃脱模，得到直径为25mm、厚度为8mm的改性UHMWPE。
为了对比聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维相较于酸化碳纤维以及聚醚酰亚胺包覆酸化碳纤维(PEI-CF)对超高分子量聚乙烯的作用，进行以下对比实验。
对比例1
将20g干燥的超高分子量聚乙烯与3g酸化碳纤维进行机械混合10min，得到混合物料；将所述混合物料装入不锈钢模具中，于5吨热压机中进行烧结，烧结压力10MPa，烧结程序如下：以升温速率3℃/min，自室温升温至 180℃，然后以升温速率1℃/min，升温至200℃后，保温30min，自然冷却至70℃脱模，得到直径为25mm、厚度为8mm的改性UHMWPE。
对比例2
①将4g聚醚酰亚胺(PEI)溶于1000mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声搅拌直至完全溶解，调整其pH值至5，得到PEI溶液。
②将20g酸化碳纤维加入制备好的PEI溶液中，40℃搅拌4h，反应后离心，用N,N-二甲基甲酰胺洗涤残余聚醚酰亚胺，产物在60℃下干燥12h得到聚醚酰亚胺-碳纤维(PEI-CF)杂化材料。
将30g干燥的超高分子量聚乙烯与6g聚醚酰亚胺-碳纤维进行机械混合 12min，得到混合物料；将所述混合物料装入不锈钢模具中，于5吨热压机中进行烧结，烧结压力10MPa，烧结程序如下：以升温速率3℃/min，自室温升温至180℃，然后以升温速率1℃/min，升温至200℃后，保温40min，自然冷却至70℃脱模，得到直径为25mm、厚度为8mm的改性UHMWPE。
性能测试：
1、对实施例1～3和对比例1～2制备的改性UHMWPE的硬度及压缩强度进行测试，结果如图1所示，图1对应的具体数据如表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～2制备的改性UHMWPE的邵氏硬度与压缩强度
Figure BDA0003320958270000091
Figure BDA0003320958270000101
图1为UHMWPE及实施例1～3和对比例1～2的邵氏硬度及压缩强度柱状图，其中，(a)为邵氏硬度D，(b)为压缩强度。从图1中(a)和表1 可以看出，加入聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料后，改性UHMWPE 材料的硬度有所提升。纯UHMWPE邵氏硬度约为57，实施例1～3中聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料的添加含量依次升高，发现杂化填料的含量的提高促使改性UHMWPE复合材料硬度的提高，材料硬度的提高有利于其承载能力的提高。对比例1～2与实施例2改性UHMWPE的填料含量相同，发现单一酸化碳纤维和聚醚酰亚胺-碳纤维杂化材料的对复合材料硬度的提高不及聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。图1中(b)和表1显示，实施例1～3与对比例1～2相较纯UHMWPE，压缩强度都有所增加。相同添加含量下，酸化碳纤维与聚醚酰亚胺-碳纤维对UHMWPE基复合材料压缩强度的作用基本没有差别，但同时都略高于聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。
2)对实施例1～3和对比例1～2制备的改性UHMWPE的微观结构进行表征，结果如图2所示，其中，(a)UHMWPE，(b)实施例1，(c)实施例 2，(d)实施例3，(e)对比例1，(f)对比例2。
由图2可知，UHMWPE表面较为平整，加入聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化填料后，实施例1～3受到拉伸力作用时，UHMWPE基体与杂化材料界面之间存在大量的树脂纤维，并且从基体中拔出的杂化填料表面紧密附着了一层网状UHMWPE树脂纤维。这些现象的产生主要有两个方面，一方面，凹凸棒石纳米纤维包覆酸化CF增加了碳纤维表面的粗糙度和比表面积，有利于杂化填料与基体之间的机械嵌合，另一方面，杂化材料表面能的提高，改善了其润湿性，因此在熔融过程中，UHMWPE分子链与杂化材料之间充分浸润形成良好的粘结界面。作为对比，碳纤维与UHMWPE基体之间有较明显间隙(如图2中(e)对比例1)，对比例2中聚醚酰亚胺-碳纤维与 UHMWPE基体之间有稀疏的树脂晶须。说明聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料与基体之间的界面结合更好。
3)对实施例1～3和对比例1～2制备的改性UHMWPE的微动摩擦磨损性能进行测试，具体的，由SRV-IV(Optimol，德国)摩擦磨损试验机进行测试，实验条件为载荷为10N，频率为100Hz，振幅为50μm，试验周期为 60分钟，结果如图3和表2所示。
表2UHMWPE及改性UHMWPE的平均摩擦系数和磨损率
Figure BDA0003320958270000111
图3为UHMWPE及其实施例1～3和对比例1～2的摩擦系数及磨损率，其中，(a)动态摩擦系数；(b)平均摩擦系数；(c)比磨损率
从图3中(a)～(b)和表1可以看出，纯UHMWPE的摩擦系数约为 0.40，加入聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料后，改性UHMWPE的摩擦系数降低，其中实施例2改性UHMWPE的摩擦系数降低至0.28，较纯 UHMWPE降低了34％。酸化碳纤维与聚醚酰亚胺-碳纤维的加入，对复合材料摩擦系数基本无作用，这是由于刚性碳纤维与金属对偶表面硬质凸起之间的接触应力较大，使得摩擦副之间的运动阻力大而导致摩擦系数无明显降低。观察图3中(c)可以发现，实施例1～3及对比例1的磨损率均有不同程度降低，实施例2磨损率较纯UHMWPE基本无变化。实施例1～3和对比例1～2摩擦系数和磨损率的差异说明相较于酸化碳纤维及聚醚酰亚胺-碳纤维，聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化填料在提高改性UHMWPE磨损率的同时，也提高了其减摩效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料的制备方法，包括以下步骤：将聚醚酰亚胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到聚醚酰亚胺溶液；
将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合，得到聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液；
将所述聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液和酸化碳纤维混合，进行酰胺化反应，固液分离后，得到聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料；
所述聚醚酰亚胺和N,N-二甲基甲酰胺的用量比为1g:(150～300)mL；所述凹凸棒石与聚醚酰亚胺溶液的用量比为1g:(200～300)mL；
所述酸化碳纤维和聚醚酰亚胺功能化凹凸棒石悬浮液的用量比为1g:(40～60)mL。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述聚醚酰亚胺溶液与凹凸棒石混合前，还包括对所述凹凸棒石进行纯化；所述纯化包括：将凹凸棒石与水混合，得到悬浮液；调整所述悬浮液的pH值为9～11，将调整pH值后的悬浮液依次进行陈化和搅拌分散，固液分离后对所得固体进行干燥和研磨，得到纯化凹凸棒石。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酰胺化反应在水浴条件下进行，所述酰胺化反应的温度为30～50℃，时间为2～4h。
4.权利要求1～3任一项所述制备方法制备得到的聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料。
5.一种改性超高分子量聚乙烯，包括权利要求4所述的聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维杂化材料和超高分子量聚乙烯。
6.根据权利要求5所述的改性超高分子量聚乙烯，其特征在于，所述改性超高分子量聚乙烯中聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维的含量为5～20wt％。
7.权利要求5或6所述改性超高分子量聚乙烯的制备方法，包括以下步骤：将超高分子量聚乙烯和聚醚酰亚胺-凹凸棒石-碳纤维混合，得到混合物料；将所述混合物料进行热压烧结，脱模后，得到改性超高分子量聚乙烯。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结的温度为200～220℃，压力为8～15MPa，保温保压时间为30～50min。
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