CN115678140A - 基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯及其制备方法，该抗静电超高分子量聚乙烯，采用以下质量百分比的原料制备而成：超高分子量聚乙烯78‑99％，离子液体抗静电剂0.5‑10％，无机纳米载体0‑10％，功能助剂0.2‑2％；所述无机纳米载体为表面富含羟基的无机纳米材料；所述超高分子量聚乙烯的粘度平均分子量为100万‑400万；所述离子液体抗静电剂选自：咪唑型离子液体、吡啶型离子液体、哌啶型离子液体、吡咯烷型离子液体、季铵型离子液体、吗啉型离子液体、季膦型离子液体中的一种或两种以上。本发明的超高分子量聚乙烯，具有颜色为非黑色、抗静电性持久、热稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，特别是涉及一种基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指粘均分子量在100万以上的线性高密度聚乙烯，是一种新型的热塑性工程塑料，它极高的分子量、高度缠绕的链段结构赋予其优异的力学性能。
UHMWPE是非极性高分子材料，表面电阻率高达1015-1018Ω/square，且材料吸水性差，其制品成型、运输和使用过程中，受到摩擦和挤压容易产生和积累静电，有时电压可高达数万伏。静电的产生和积累，可能给成型操作带来困难，影响产品质量，也可能由于吸尘严重、难以净化，而影响塑料制品外观和在超净环境中的应用。而且，当静电积累到一定数值时就会发生静电放电而产生火花。因此对UHMWPE进行抗静电处理，防止静电产生的危害，具有重要的意义。
目前，多以导电炭黑、碳纳米管或表面活性剂类为抗静电剂对UHMWPE进行抗静电改性，公开号为CN103450537A的专利申请中以石墨烯作为抗静电剂，公开号为CN104045898A的专利申请中以炭黑及膨胀石墨作为抗静电剂。这类抗静电剂具有抗静电效果，但同时也带来热稳定性差、作用时间短、添加量大、改变制品颜色，或受湿度影响大等问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯，具有抗静电、导电性好等优点。
一种基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯，采用以下质量百分比的原料制备而成：
超高分子量聚乙烯78-99％，离子液体抗静电剂0.5-10％，无机纳米载体0-10％，功能助剂0.2-2％；
所述无机纳米载体为表面富含羟基的无机纳米材料；
所述超高分子量聚乙烯的粘度平均分子量为100万-400万；
所述离子液体抗静电剂选自：咪唑型离子液体、吡啶型离子液体、哌啶型离子液体、吡咯烷型离子液体、季铵型离子液体、吗啉型离子液体、季膦型离子液体中的一种或两种以上。
离子液体(IL)具有良好的离子导电性、润滑性、热稳定性和光学透明性，但是目前尚未发现有将其应用于对UHMWPE进行抗静电改性。发明人发现在对材料进行改性时，离子液体在添加量超过一定范围后容易出现过饱和析出现象。在本发明中，发明人利用表面富含羟基的无机纳米材料作为离子液体的载体，通过分子间作用力吸附离子液体，从而解决离子液体容易析出的问题，同时赋予UHMWPE优异的抗静电、热稳定性等性能。
在其中一个实施例中，采用以下质量百分比的原料制备而成：超高分子量聚乙烯92-99％，离子液体抗静电剂0.5-3％，无机纳米载体0-3％，功能助剂0.5-2％。
在超高分子量聚乙烯改性中，离子液体的添加量低于2wt％时通常不易析出，改性后超高分子量聚乙烯具有较好的抗静电效果。
在其中一个实施例中，采用以下质量百分比的原料制备而成：超高分子量聚乙烯94-96.5％，离子液体抗静电剂2-3％，无机纳米载体1-2％，功能助剂0.5-2％。
在超高分子量聚乙烯改性中，离子液体的实际饱和量与离子液体的具体种类有关，例如在本发明的体系中，咪唑型离子液体和季铵型离子液体等的添加量超过2wt％时，容易出现过饱和而析出的现象，加入无机纳米材料可解决析出的问题。
在其中一个实施例中，所述咪唑型离子液体选自：1、3-二甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；所述吡啶型离子液体选自：N-辛基吡啶溴盐、N-乙基吡啶溴盐、N-己基吡啶六氟磷酸盐；哌啶型离子液体选自：N-丁基-N-甲基哌啶溴盐、乙基哌啶六氟磷酸盐；吡咯烷型离子液体选自：N-丁基-N-甲基吡咯溴盐、N-丁基吡咯六氟磷酸盐；季铵型离子液体选自：三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、三丁基甲基氯化铵、N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐；吗啉型离子液体选自：N-甲基/N-烯丙基吗啉季铵离子液体；季膦型离子液体选自：三丁基乙基溴化膦、甲基三丁基膦双三氟甲磺酰亚胺、甲基三丁基膦四氟硼酸盐。
在其中一个实施例中，所述无机纳米载体选自：纳米气相二氧化硅、纳米埃洛石、纳米碳酸钙、纳米滑石粉、纳米氧化锌中的一种或两种以上。
在其中一个实施例中，所述无机纳米载体的粒径为10-100nm。
在其中一个实施例中，所述功能助剂选自：抗氧化剂和内润滑剂中的一种或两种。
在其中一个实施例中，所述抗氧化剂的用量为0.1-1wt％，所述内润滑剂的用量为0.1-1wt％。
在其中一个实施例中，所述抗氧化剂为抗氧化剂1010和抗氧化剂168的组合物。
在其中一个实施例中，所述内润滑剂为硬脂酸钙。
本发明另一方面还提供一种上述基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯的制备方法，包括以下步骤：将各原料混合均匀后，通过挤出机加热并挤出，经牵引拉伸，即得。
由于离子液体室温下是以阴阳离子的形式存在，将原料混合熔融挤出后，离子液体均匀分散在UHMWPE基体之中，形成导电通路，从而降低UHMWPE/IL共混物的表面电阻和表面摩擦电压。同时离子液体也是良好的润滑剂，可以进一步降低UHMWPE共混物的表面摩擦电压。
在其中一个实施例中，挤出机加热温度为220-300℃，挤出机主机转速为25-35rpm，牵引速度为8-10rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于离子液体所具有的优良抗静电性能，通过控制离子液体以及无机纳米载体的添加量可抑制离子液体析出，从而对超高分子量聚乙烯进行改性，同时使材料具备优异的抗静电、热稳定性等性能。而且，采用离子液体或无机纳米材料负载的离子液体作为抗静电剂，添加量较传统的导电填料的添加量小，可以获得非黑色的抗静电超高分子量聚乙烯产品。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合较佳的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
以下实施例中，UHMWPE的粘均分子量为100万到400万，由上海化工研究院提供。离子液体均购买自惠州大亚湾艾利荣化工科技有限公司。无机纳米载体选用市售的羟基化改性的纳米碳酸钙或纳米气相二氧化硅。功能助剂中，抗氧剂选用巴斯夫公司牌号为1010和168的抗氧化剂(按质量比1:1混合)，内润滑剂选用硬脂酸钙，功能助剂由抗氧剂和内润滑剂按质量比1:1混合。
实施例1
将970g UHMWPE、20g咪唑型离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例2
将970g UHMWPE、20g季铵型离子液体三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例3
将960g UHMWPE、20g咪唑型离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、10g纳米碳酸钙、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例4
将960g UHMWPE、20g季铵型离子液体三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、10g纳米气相二氧化硅、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例5
将960g UHMWPE、30g咪唑型离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例6
将960g UHMWPE、30g季铵型离子液体三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例7
将945g UHMWPE、30g咪唑型离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、15g纳米碳酸钙、10g功能助剂在高速混合机中混匀，加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例8
将945g UHMWPE、30g季铵型离子液体三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、15g气相二氧化硅、10g功能助剂在高速混合机中混匀后加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例9
将945g UHMWPE、30g吡啶型离子液体N-己基吡啶六氟磷酸盐、15g气相二氧化硅、10g功能助剂在高速混合机中混匀后加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例10
将945g UHMWPE、30g哌啶型离子液体N-丁基-N-甲基哌啶溴盐、15g纳米碳酸钙、10g功能助剂在高速混合机中混匀后加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例11
将945g UHMWPE、30g吡咯烷型离子液体N-丁基吡咯六氟磷酸盐、15g气相二氧化硅、10g功能助剂在高速混合机中混匀后加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
实施例12
将945g UHMWPE、30g季膦型离子液体甲基三丁基膦双三氟甲磺酰亚胺、15g纳米碳酸钙、10g功能助剂在高速混合机中混匀后加入接有板材模具的挤出机中挤出成型。各区挤出温度为220℃-250℃，挤出主机转速为30rpm，挤出模具温度为130℃到140℃，牵引速度为9rpm，经牵引拉伸后得到改性超高分子量聚乙烯板材。将板材裁成标准样条测试力学性能，裁成面积大于80mm×80mm试样，测试表面电阻及表面摩擦电压等性能，测试结果如表1所示。
表1实施例1-12的表面电性能和力学性能测试结果
从上表可以看出，在离子液体添加量为3wt％时，体系中加入无机纳米载体可以很好地解决离子液体的析出问题，同时由于无机纳米材料的增韧增强作用，所得样品抗静电性能良好、强度高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，采用以下质量百分比的原料制备而成：
超高分子量聚乙烯78-99％，离子液体抗静电剂0.5-10％，无机纳米载体0-10％，功能助剂0.2-2％；
所述无机纳米载体为表面富含羟基的无机纳米材料；
所述超高分子量聚乙烯的粘度平均分子量为100万-400万；
所述离子液体抗静电剂选自：咪唑型离子液体、吡啶型离子液体、哌啶型离子液体、吡咯烷型离子液体、季铵型离子液体、吗啉型离子液体、季膦型离子液体中的一种或两种以上。
2.根据权利要求1所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，采用以下质量百分比的原料制备而成：超高分子量聚乙烯92-99％，离子液体抗静电剂0.5-3％，无机纳米载体0-3％，功能助剂0.5-2％。
3.根据权利要求1所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，采用以下质量百分比的原料制备而成：超高分子量聚乙烯94-96.5％，离子液体抗静电剂2-3％，无机纳米载体1-2％，功能助剂0.5-2％。
4.根据权利要求1所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，所述咪唑型离子液体选自：1、3-二甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；所述吡啶型离子液体选自：N-辛基吡啶溴盐、N-乙基吡啶溴盐、N-己基吡啶六氟磷酸盐；哌啶型离子液体选自：N-丁基-N-甲基哌啶溴盐、乙基哌啶六氟磷酸盐；吡咯烷型离子液体选自：N-丁基-N-甲基吡咯溴盐、N-丁基吡咯六氟磷酸盐；季铵型离子液体选自：三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、三丁基甲基氯化铵、N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐；吗啉型离子液体选自：N-甲基/N-烯丙基吗啉季铵离子液体；季膦型离子液体选自：三丁基乙基溴化膦、甲基三丁基膦双三氟甲磺酰亚胺、甲基三丁基膦四氟硼酸盐。
5.根据权利要求1所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，所述无机纳米载体选自：纳米气相二氧化硅、纳米埃洛石、纳米碳酸钙、纳米滑石粉、纳米氧化锌中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1或5所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，所述无机纳米载体的粒径为10-100nm。
7.根据权利要求1所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，所述功能助剂选自：抗氧化剂和内润滑剂中的一种或两种。
8.根据权利要求7所述的抗静电超高分子量聚乙烯，其特征在于，所述抗氧化剂为抗氧化剂1010和抗氧化剂168的组合物，所述内润滑剂为硬脂酸钙。
9.一种权利要求1-8任一项所述的基于离子液体的抗静电超高分子量聚乙烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将各原料混合均匀后，通过挤出机加热并挤出，经牵引拉伸，即得。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，挤出机加热温度为220-300℃，挤出机主机转速为25-35rpm，牵引速度为8-10rpm。
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| JPH01193344A (ja) * | 1988-01-27 | 1989-08-03 | Mitsuboshi Belting Ltd | 超高分子量ポリエチレン系組成物 |
| CN101910281A (zh) * | 2007-12-05 | 2010-12-08 | 纽约州立大学研究基金会 | 含有功能性离子液体和碳纳米填料的聚烯烃纳米复合材料 |
| CN104448506A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-03-25 | 绍兴佳华高分子材料股份有限公司 | 一种持久有效的抗静电聚烯烃复合材料及其制备方法 |
| CN106046584A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-10-26 | 复旦大学 | 纳米介孔材料负载离子液体抗静电剂及其制备方法和应用 |
| CN107011561A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-08-04 | 华东理工大学 | 一种高抗冲、抗静电超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 |
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Patent Citations (5)
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