CN1428369A

CN1428369A - 超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法

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Publication number: CN1428369A
Application number: CN 01130158
Authority: CN
Inventors: 阎镇达; 范奎城
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: CN1156527C

Abstract

一种超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法，其重量百分比组分为：超高分子量聚乙烯88－94％、有机硅3－7％、液晶高分子2－5％、硬脂酸钙0.2－2％、抗氧剂0.1－1％；将上述组分混合并搅拌均匀，在真空干燥箱内40－60℃烘干5－7小时；将上述干燥后原料挤出造粒，其挤出温度为：进料段220－250℃，压缩段280－290℃，均化段280－320℃，出口280－300℃。这种超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法，可应用于挤出料和注射料，加工成任何注塑件，制造各种机械零部件等；在各种食品和医药设备部件、各种装配流水线可代替原用塑料部件和金属部件；挤出为各种板材、管材以及压延成片材和中空吹型成各种容器等，应用十分广泛。

Description

超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子化工，具体涉及高聚物的成型加工技术领域，更具体地说，涉及一种超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(以下简称UHMWPE)是一种综合性能十分优异的热塑性工程塑料。因其具有超强的耐磨性(是钢铁的8-9倍、尼龙的4倍、黄铜的27倍)；优异的耐冲击性(是聚碳酸酯的2倍、ABS的5倍、聚甲醛的15倍)，尤其难得的是在液氮-196℃中仍保持其优异的冲击强度；优良的耐药性和耐腐蚀性，可与聚四氟乙烯相媲美，在一定的温度和浓度范围内，耐各种腐蚀性液体和有机溶剂；摩擦系数低(其动摩擦系数为0.1-0.22)，是理想的自润滑材料；极好的消音性和无毒性等优点，因而在世界范围内倍受人们的青睐，其应用范围十分广泛。

但是，由于UHMWPE的熔融黏度极高(达10⁹Pa.S)，流动性能极差——其融体的熔融指数几乎为零。所以，很难直接进行挤出和注射加工成型，这是因为：

1.由于UHMWPE的黏度极高，不成粘流态，而是处于高粘弹态。所以在常规螺杆挤出机和注射机上加工时，物料很难沿螺杆推进，而是包住螺杆一起旋转，陷入不能挤出的状态，形成“料塞”；

2.UHMWPE的摩擦系数极低，使粉料在进料过程中极易打滑，不易进料；

3.UHMWPE的临界剪切速率很低，约10^-2/S，在挤出成型时会造成融体破裂，在注射成型时会由于出现喷射流状态而引起气孔和脱层现象；

4.成型温度范围窄，极易氧化降解。

由于UHMWPE的加工存在上述难点，所以，现在加工技术一般是采用间歇式模压烧结成型工艺，以简单的板材和棒材，再进行二次机械加工成制品。从而限制这种优异材料的工业化应用。虽然近年来国外开始研究设计大功率的挤出机和注射机，如日本三井公司的高压、高速注射机，其注射压力达290Mpa，可以注射小型制品，但设备昂贵、能耗高，难以加工大型制品和工业化使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于挤出和注射的超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法，这种专用料不但极大地改善了超高分子量聚乙烯的加工流动性，生产出能直接进行挤出、注射和中空吹塑、压延的超高分子量聚乙烯专用料，能显著降低加工设备的能量消耗；同时，比原UHMWPE的性能有较大的提高。

本发明上述技术问题是这样解决的，构造一种超高分子量聚乙烯三元共混料，由有机硅、液晶高分子(改性剂)与超高分子量聚乙烯共混而成，包含以下重量百分比的组分：超高分子量聚乙烯88-94％、有机硅3-7％、液晶高分子2-5％、硬脂酸钙0.2-2％、抗氧剂0.1-1％。

在本发明提供的超高分子量聚乙烯三元共混料中，所述抗氧剂为抗氧剂1010或B215等酚类抗氧剂。

按照本发明提供的超高分子量聚乙烯三元共混料的制备方法，包括以下步骤：按以下重量百分比组分混匀：超高分子量聚乙烯88-94％、有机硅3-7％、液晶高分子2-5％、硬脂酸钙0.2-2％、抗氧剂0.1-1％；将上述混合物搅拌均匀，在真空干燥箱内40-60℃烘干5-7小时；将上述干燥后的原料进行挤出造粒，其挤出过程各个部分的温度为：进料段：220-250℃，压缩段：280-290℃，均化段：280-300℃，出口：280-300℃。

实施本发明提供的超高分子量聚乙烯三元共混料及其制备方法，将该共混料作为注射料，可方便实现用注射机加工成任何注塑件，可用于制造各种机械零部件(如轴套)，阀门、泵壳、叶轮等；在各种食品和医药设备部件、各种装配流水线可代替原用塑料部件和金属部件；体育器材以及外科用假肢、人工关节、心脏瓣膜等，应用十分广泛。

具体实施方式

本发明是在超高分子量聚乙烯中加入作为改性剂的有机硅和液晶高分子，可极大改善UHMWPE的加工流动性。对本发明所使用的改性剂进一步详细说明如下：

一、聚硅氧烷(Silicones)，即俗称“有机硅”。

有机硅具有有机聚合物和无机聚合物的特性，因而在性能上有许多独特之处。与其它高分子材料相比，有机硅的最突出性能是：1)优良的耐温性：我们知道，一般高分子合成材料大多数是以碳—碳(C-C)键为主链结构，如PP、PE、丁苯橡胶等，而有机硅是以碳—氧(Si-O)键为主链结构，Si-O键的键能比C-C键的键能高(C-C键能/KJ·Mol^-1为344.4，Si-O键能/KJ·Mol^-1为504.6)，所以，有机硅产品的热稳定性较高(一般为200℃以上)。有机硅产品的热稳定性还表现在燃烧时生成不燃的二氧化碳而自熄。2)优秀的耐候性：有机硅产品的主链为：Si-O-Si，无双键存在，因此不易受紫外光和臭氧的分解。Si-O-Si键的键长大约是C-C键键长的1倍半，使其具有比其它高分子合成材料更好的热稳定性及耐辐照和耐候性能。3)优良的电绝缘性和优异的憎水性：其良好的生理惰性使聚硅氧烷化合物成为已知的最无活性的化合物之一，十分耐生物老化和无毒性；4)极好的表面张力和表面能：有机硅的主链十分柔顺，链的柔顺性可由围绕Si-O键旋转的能量来衡量。在PVC中围绕C-C键所旋转的能量是13.76KJ/mol；在聚四氟乙烯中，这个能量大于19.60KJ/mol，而在围绕Si-O键旋转所需的能量几乎为零。5)融体黏度低，成型加工流动性好。

二、液晶高分子

液晶高分子(以下简称LCP)是一种新型工程塑料。LCP是在一定条件下能形成液晶态的高分子，是介于各向同性液体和完全有序晶体之间的一种热力学稳定相态。其分子链为棒状，刚性链或半刚性链的独特结构，这种刚性链的大分子具有较长的松弛时间，在熔融加工过程中，刚直大分子可以沿流动方向上充分高度取向排列，冷却固化后，这种刚性增强相被保持下来，呈现高强度和高模量，其机械强度比普通工程塑料高很多。因此，国外把LCP称为“超级工程塑料”。它的突出优点表现在：优异的力学性能，拉伸强度可达130MPa--200MPa以上；杰出的耐磨性、摩擦系数小，动摩擦系数为0.15-0.25；表面硬度高，磨耗低，磨耗系数为1.2×10^-5(mm/Km)/(Kg/cm²)，是PTFE的1/6000；极小的线膨胀系数，比一般的工程塑料低一个数量级，与金属和陶瓷相当，接近石英，可在-50至260温度中连续使用；融体黏度低，成型加工流动性好。

由于以上优异性能，有机硅和液晶高分子不仅可以作为一种基础材料、结构材料，更主要的是可以作为补助剂或与其它材料共用或改善其它材料的工艺性能。

有机硅和液晶高分子改性剂用于超高分子量聚乙烯中，其加入量一般为总量的10-15％。本发明所加入的添加剂为硬脂酸钙，所加入的量为原料混合组分的0.2-2％。本发明所加入的抗氧剂是：抗氧剂1010，B215等酚类抗氧剂。所加入的量，一般为原料混合组分的0.1-1％。以下是本发明的第一实施例：

将90份的超高分子量聚乙烯粉与6份有机硅和4份液晶高分子(改性剂)以及0.2份硬脂酸钙、0.2份抗氧剂1010(或B215)混合均匀，在50℃烘干箱内烘干6小时左右，用单螺杆或双螺杆挤出机进行造粒，样条热切或经水冷却后切粒。工艺条件如下：

超高分子量聚乙烯三元共混专用料挤出温度表(1)

加料段℃	压缩段℃	均化段℃	出口℃
加料段℃	压缩段℃	均化段℃	出口℃	240	280	300	280

经过检测，按以上方法制得专用料的拉伸屈服强度MPa：24.92，拉伸断裂强度MPa：37.01，冲击强度KJ/m²：不断，动摩擦系数：0.06。以下是第二实施例：

将94份的超高分子量聚乙烯粉与3份有机硅和2份液晶高分子(改性剂)以及0.2份硬脂酸钙、0.3份抗氧剂1010(或B215)混合均匀，在60℃烘干箱内烘干5小时左右，用单螺杆或双螺杆挤出机进行造粒，样条热切或经水冷却后切粒。工艺条件如下：

超高分子量聚乙烯三元共混专用料挤出温度表(2)

加料段℃	压缩段℃	均化段℃	出口℃
加料段℃	压缩段℃	均化段℃	出口℃	250	290	320	300

经过检测，按以上方法制得专用料的拉伸屈服强度MPa：23，拉伸断裂强度MPa：37，冲击强度KJ/m²：不断，动摩擦系数：0.08。

从以上实施例可见，利用本发明的方法制备的超高分子量聚乙烯三元共混料，其加工流动性得到了极大的改善，取得显著效果。实验证明，本发明所制备的专用料，采用普通的设备就可以方便的进行成型加工，不仅保持原材料的各种优异性能，而且比原超高分子量聚乙烯制品摩擦系数降低很多，耐磨性有较大提高，可以生产出高性能、高质量的制品。这是因为：有机硅和液晶高分子改性剂可以有效的解决超高分子量聚乙烯加工过程中容易出现的融体破裂问题，使原树脂的加工流动性得到了显著提高，不仅保持较高的冲击强度，而且耐磨性有所提高，具体改善的特性包括：模具填充良好、挤出力矩降低、内部润滑性和脱模性变好，制品极少翘曲等。同时能显著降低加工设备的能量消耗，延长加工设备的使用寿命。与原间歇式烧结法相比，可节省投资，缩短生产周期，提高生产效率，具有明显的经济效益和社会效益。

利用本发明的专用料，可以生产出高耐磨的管道，广泛的应用于：电力、冶金、粮食加工、各种矿山选矿和尾矿输送、石油天然气输送、城市煤气输送、有机化工和无机化工、挖泥船输砂、煤矿洗煤厂、水煤浆输送、海洋化工(盐、卤、碱)、自来水主干管、污水处理等行业用管道，以替代原钢管(容易腐蚀和磨损)，应用潜力十分巨大。如火力发电厂粉煤灰输送管，因输送介质中的氧化钙、氧化镁、三氧化二铝和酸离子等与钢管发生电化学作用而极易结垢堵塞。用本材料管道则不会结垢并提高耐磨性，而且输送阻力减小，节能显著，可有效的延长使用寿命和节省清洗费用。另如粮食加工厂，原用钢管3个月左右即可磨穿，并有重金属离子混入；而用本材料管道，可延长使用寿命数倍，并减少噪音，无重金属离子混入，等等。

Claims

1、一种超高分子量聚乙烯三元共混料，其特征在于由有机硅、液晶高分子(改性剂)与超高分子量聚乙烯共混而成。

2、根据权利要求1所述超高分子量聚乙烯三元共混料，其特征在于，包含以下重量百分比的组分：超高分子量聚乙烯88-94％、有机硅3-7％、液晶高分子2-5％、硬脂酸钙0.2-2％、抗氧化剂0.1-1％。

3、根据权利要求2所述超高分子量聚乙烯三元共混料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010或B215等酚类抗氧剂。

4、一种超高分子量聚乙烯三元共混料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按以下重量百分比组分混匀：超高分子量聚乙烯88-94％、有机硅3-7％、液晶高分子2-5％、硬脂酸钙0.2-2％、抗氧剂0.1-1％；将上述混合物搅拌均匀，在真空干燥箱内40-60℃烘干5-7小时；将上述干燥后的原料进行挤出造粒，其挤出过程各部的温度为：进料段：220-250℃，压缩段：280-290℃，均化段：280-320℃，出口：280-300℃。

5、根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述挤出温度可以是：进料段为240℃，压缩段为280℃，均化段为320℃，出口为280℃。