CN1279100C - 一种超高分子量聚乙烯料斗的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高分子量聚乙烯料斗的制造方法，是将超高分子量聚乙烯100重量份，无机填料0.5～15重量份，偶联剂0.05～1.5重量份，分散剂0～10重量份，稀释剂0～10重量份，抗氧剂0.1～1重量份，辅助抗氧剂0.1～1重量份，加入到高速混合器内高速混合，得到的混合物加入模具中模压成型。本发明的聚乙烯料斗具有强度高，抗冲击性能和抗弯性能好，耐磨性好，摩擦系数低，耐化学腐蚀，使用寿命长等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯料斗的配方及其成型制备方法。
背景技术
料斗是一个承载部件，料斗形状的选择取决于物料的性质，如粉状或块状、干湿程度及粘性等，同时也受装料与卸料方法的影响。通常采用的料斗形式有三种，即深斗、浅斗、角斗(如图1所示)。
目前，各类矿山、化工厂、粮食加工厂输送物料的料斗均是铁制的，存在极易腐烂、易积料、噪音大、不耐磨、不卫生等缺陷。例如用于输送颗粒复混肥料的提斗机上的铁斗，由于复混肥料中的磷酸会腐蚀铁，通常不到十个月铁斗就会烂穿；同时颗粒极易粘附在铁斗上，形成的硬块会逐渐占去铁斗容积的二分之一以上，需要经常用铁榔头敲击铁斗背部除积料，噪音污染很厉害。人们曾尝试用高密度聚乙烯、聚丙烯制成的料斗替代铁斗，但因其本身强度不够，使用时易开裂。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种综合机械性能非常优异的热塑性工程塑料，具有摩擦系数小、磨耗低、耐化学药品性、耐冲击性、耐压性、抗冻性、保温性、自润滑性、抗结垢性、耐应力开裂性、卫生性等优良特性。如摩擦系数最小为0.07～0.11，故表现出极高的自润滑性和抗结垢性。抗磨耗性居塑料之首，比尼龙66、聚四氟乙烯高4倍，比高密度聚乙烯高9倍，为碳钢的7倍、不锈钢的10倍，是以塑代钢的理想材料。
由于超高分子量聚乙烯的卫生性、耐磨性、自润滑性，它通常用来被模压成型成人工关节。美国专利USP5037928、USP5621070、USP5684124均是关于制造人工关节的发明，这些发明的压制成型工艺所得的UHMWPE制品的有优异的抗蠕变性能。这些发明工艺主要包括：加工时需要用氩气保护，高压(压力至少保持在300MPa)，分段冷却，冷却速率很低(10℃/小时)以避免制品内部产生温度梯度，缓慢的冷却能确保UHMWPE在高压下充分结晶。但上述工艺的压力过高，在中国企业现有设备无法实现。
在UHMWPE压制成型生产过程中的非等温冷却将导致残余应力的产生，从而影响到制品的尺寸稳定性。KEITH MILLER建立了模型来预测压制成型过程中残余热应力的形成。UHMWPE制品残余应力形成的温度范围是在从120℃～23℃的冷却过程中。由于UHMWPE的生产过程中没有象PEEK等经历玻璃化转变，熔融UHMWPE制品的表面至核心从重结晶温度(120℃)冷却到室温(23℃)有一个持续的模量变化必须被考虑。在制品冷却到室温的过程中模量从0.1GPa增加至1.1GPa是导致残余应力产生的原因。该模型验证不同的冷却过程将产生不同的残余热应力。快速冷却(水冷，冷却速率11℃/min)产生的应力高达14MPa，接近于UHMWPE屈服强度(20 MPa)的70％；慢速冷却(冷却速率2.6℃/min)产生的热应力只有2.5MPa。残余热应力会影响制品的性能或导致制品弯曲，该模型验证其是影响UHMWPE屈服强度的重要因素。
由于超高分子量聚乙烯的分子量极高、流动性极差，使得超高分子量聚乙烯难以用常规的塑料加工技术进行加工成型，它的成型加工目前还是依赖于压制成型法。为了提高生产效率、降低成本，使其能挤出成型，就需对超高分子量聚乙烯进行流动改性。美国专利USP4487875、USP4281070、日本专利特开昭60-240748A、特开昭57-177037、特开昭1-272603、中国专利99119536、98100960、01100016报导了添加改性剂以提高超高分子量聚乙烯的流动性，但随着改性剂的加入，它的力学性能有所下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高分子量聚乙烯料斗的配方及其成型制备方法。该超高分子量聚乙烯料斗具有高强度、高耐磨、耐腐蚀、不积料、使用寿命长的特点。
本发明的一种超高分子量聚乙烯料斗的配方是：
超高分子量聚乙烯 100重量份；
无机填料 0.5～15重量份；
偶联剂 0.05～1.5重量份；
分散剂 0～10重量份；
稀释剂 0～10重量份；
抗氧剂 0.1～1重量份；
辅助抗氧剂 0.1～1重量份。
所述的超高分子量聚乙烯是基体粘均分子量为150～500万的超高分子量聚乙烯。
所述的无机填料是硅灰石、二氧化硅、玻璃微珠、碳酸钙、氧化锆。本发明加入无机填料的目的是进一步提高超高分子量聚乙烯的性能，随着无机粒子的加入，复合体系的热变形温度、抗冲击性、拉伸强度、抗弯强度、耐磨性均有明显提高。为使无机填料能够均匀地分布于混合物中，更好地发挥作用，可将无机填料尽可能磨细，如纳米级二氧化硅、纳米级碳酸钙等。
所述的偶联剂是硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂中的一种或一种以上的混合物。硅烷类偶联剂可以是KH-560、KH-570等，钛酸酯类偶联剂可以是复合性单烷氧基类钛酸酯、三(十二烷基苯磺酰基)钛酸异丙酯等。
所述的分散剂是液体石蜡、聚乙烯蜡中的一种或它们的混合物。分散剂的使用有利于无机粒子在超高分子量聚乙烯粉末中的均匀分散，减少无机粒子间的团聚。
所述的稀释剂是丙酮、乙醇、石油醚。本发明将偶联剂稀释于易挥发的溶剂中，有助于偶联剂均匀包覆无机粒子。
所述的抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂264。
所述的辅助抗氧剂是硫代二丙酸二月桂酯。
采用上述配方制造超高分子量聚乙烯料斗的方法，是将超高分子量聚乙烯、无机填料、偶联剂、分散剂、稀释剂、抗氧剂、辅助抗氧剂加入高速混合器内高速混合，得到的混合物加入模具中，先常温预压，预压压力为20～30MPa，接着从补料口补料，然后模压成型，加热温度为180～220℃，时间为60～180分钟，压力为15～30MPa，保压冷却，冷却速度为缓慢的自然冷却，压力为20～30MPa。
本发明与现有技术比具有以下优点：
一、本发明的采用超高分子量聚乙烯材料制造的料斗，耐磨性是铁斗的10倍，摩擦系数低，自润滑性优异，不积料，高耐化学腐蚀，使用寿命是铁斗的数倍，成功地解决了铁斗存在的易磨穿、易积料、易腐蚀等问题。
二、本发明的超高分子量聚乙烯料斗的强度十分优异，冲击强度、抗弯强度优于纯超高分子量聚乙烯，拉伸强度＞30MPa(纯超高分子量聚乙烯30MPa)，解决了高密度聚乙烯、聚丙烯料斗强度不够，易开裂的问题。
三、本发明的超高分子量聚乙烯料斗，同样容积，重量比铁斗轻8倍，使输送物料时机器本身的能耗大大降低，并且安装方便。
附图说明
图1是现有技术中深斗、浅斗和角斗形状示意图。
图2是深斗模压模示意图。
图中标号所示：
a-深斗，b-浅斗，c-角斗，1-上模，2-下模，3-补料口。
具体实施方式
下面以本发明的具体实施例来进一步详细说明本发明，但并不意味着限制本发明。实施例中各组分含量均为重量份数。
实施例1
将基体粘均分子量为250万的100份超高分子量聚乙烯、3份纳米二氧化硅、0.2份KH-570、2份丙酮、0.3份抗氧剂1010、0.3份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为30MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为220℃，时间为180分钟，压力为25MPa。保压冷却，压力为30MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。
制品的机械强度见表1。测试样品的制备，是从制品上取样，机械加工成各类标准测试样条，然后测试。以下各实施例制品的机械强度的测试同本实施例。
实施例2
将基体粘均分子量为500万的100份超高分子量聚乙烯、5份纳米玻璃微珠(5000目)、0.5份KH-570、5份丙酮、0.3份抗氧剂1010、0.3份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为30MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为220℃，时间为180分钟，压力为25MPa。保压冷却，压力为30MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
实施例3
将基体粘均分子量为150万的100份超高分子量聚乙烯、10份硅灰石(2500目)、4份液体石蜡、1份KH-570、8份丙酮、0.3份抗氧剂1010、0.3份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为30MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为230℃，时间为180分钟，压力为25MPa。保压冷却，压力为30MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
实施例4
将基体粘均分子量为300万的100份超高分子量聚乙烯、15份硅灰石(2500目)、8份液体石蜡、1.5份KH-570、10份丙酮、0.3份抗氧剂1010、0.3份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为30MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为230℃，时间为180分钟，压力为25MPa。保压冷却，压力为30MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
实施例5
将基体粘均分子量为400万的100份超高分子量聚乙烯、1份纳米碳酸钙、0.5份液体石蜡、0.15份三(十二烷基苯磺酰基)钛酸异丙酯、0.3份抗氧剂1010、0.3份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为30MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为210℃，时间为150分钟，压力为25MPa。保压冷却，压力为30MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
实施例6
将基体粘均分子量为200万的100份超高分子量聚乙烯、0.5份纳米二氧化硅、0.05份KH-560、1份聚乙烯蜡、0.1份乙醇、0.5份抗氧剂264、0.25份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为25MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为200℃，时间为100分钟，压力为15MPa。保压冷却，压力为25MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
实施例7
将基体粘均分子量为250万的100份超高分子量聚乙烯、12份氧化锆硅、0.1份复合性单烷氧基类钛酸酯、10份液体石蜡、1份石油醚、0.1份抗氧剂1010、0.1份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为20MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为180℃，时间为60分钟，压力为30MPa。保压冷却，压力为20MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
对比例
将100份超高分子量聚乙烯、0.3份抗氧剂1010、0.3份辅助抗氧剂硫代二丙酸二月桂酯高速混合后放入模具中；常温预压，预压压力为30MPa；往补料口补料；接着加热模压，温度为210℃，时间为120分钟，压力为25MPa。保压冷却，压力为30MPa，冷却速度为缓慢的空气自然冷却。制品的机械强度见表1。
表1
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 对比例 | |
| 冲击强度(kJ/m2) | 120 | 108 | 114 | 85 | 117 | 113 | 87 | 100 | |
| 拉伸强度(MPa) | 41 | 35 | 45 | 49 | 43 | 37 | 51 | 32 | |
| 断裂伸长率(％) | 365 | 342 | 363 | 320 | 417 | 355 | 337 | 350 | |
| 弯曲模量(MPa) | 647 | 681 | 697 | 715 | 628 | 624 | 749 | 600 | |
| 热变形温度(℃) | 91 | 87 | 89 | 96 | 86 | 88 | 94 | 85 | |
| 磨耗(％) | 0.013 | 0.015 | 0.015 | 0.013 | 0.015 | 0.016 | 0.010 | 0.016 | |
| 滑动摩擦系数 | 0.08 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.11 | 0.11 | 0.009 | 0.14 | |
| 耐化学腐蚀性* | 外观变化 | 无变化 | 无变化 | 无变化 | 无变化 | 无变化 | 无变化 | 无变化 | 无变化 |
| 质量损失(％) | 0.0546 | 0.0562 | 0.0538 | 0.0574 | 0.0547 | 0.539 | 0.0534 | 0.0521 | |
| 浸泡后冲击性能(kJ/m2) | 120 | 105 | 109 | 82 | 104 | 112 | 89 | 100 | |
*耐化学腐蚀性标准试验采用国家标准塑料耐液体化学药品(包括水)性能测定方法(GB 11547-89)，试验周期：一周，试验温度：23℃，试液：98％浓硫酸。
Claims (10)
1、一种制备超高分子量聚乙烯料斗的组合物，其特征在于该组合物由以下成分组成：
超高分子量聚乙烯 100重量份；
无机填料 0.5～15重量份；
偶联剂 0.05～1.5重量份；
分散剂 0～10重量份；
稀释剂 0～10重量份；
抗氧剂 0.1～1重量份；
辅助抗氧剂 0.1～1重量份。
2、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯是基体粘均分子量为150～500万的超高分子量聚乙烯。
3、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的无机填料是硅灰石、二氧化硅、玻璃微珠、碳酸钙或氧化锆。
4、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的偶联剂是硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂中的一种或一种以上的混合物。
5、如权利要求4所述的组合物，其特征在于所述的硅烷类偶联剂是KH-560或KH-570，所述的钛酸酯类偶联剂是复合性单烷氧基类钛酸酯或三(十二烷基苯磺酰基)钛酸异丙酯。
6、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的分散剂是液体石蜡、聚乙烯蜡中的一种或一种以上的混合物。
7、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的稀释剂是丙酮、乙醇或石油醚。
8、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的抗氧剂是抗氧剂1010或抗氧剂264。
9、如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述的辅助抗氧剂是硫代二丙酸二月桂酯。
10、一种采用权利要求1所述组合物制造超高分子量聚乙烯料斗的方法，其特征在于：将超高分子量聚乙烯、无机填料、偶联剂、分散剂、稀释剂、抗氧剂、辅助抗氧剂加入高速混合器内高速混合，得到的混合物加入模具中，先常温预压，预压压力为20～30MPa，接着从补料口补料，然后模压成型，加热温度为180～230℃，时间为60～180分钟，压力为15～30MPa，保压冷却，冷却速度为缓慢的自然冷却，压力为20～30MPa。
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