CN1663996A - 一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料 - Google Patents

一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料 Download PDF

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本发明涉及到一种高性能高分子量聚乙烯复合材料的研制方法。高分子量聚乙烯是产量和用量很大的通用热塑性塑料，具有价廉和加工方便的特性，应用领域非常广泛。但是，由于其大分子链段的连续性和柔韧性，使得其性能与工程塑料相比偏低，限制了其向功能化、高性能化方向的应用和发展。向高分子量聚乙烯材料中填加无机材料是聚烯烃塑料工程化的发展主流。良好界面相容的复合材料将无机物的刚性、耐热性、耐磨性等，与有机物的柔韧性、良好的可加工性、可塑性，较好地结合起来，从而赋予通用型材料工程化，或某些特殊性能，提高材料档次、扩充材料的使用范围。

Description

一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料
本发明涉及到一种高性能高分子量聚乙烯复合材料的研制方法。
高分子量聚乙烯是产量和用量很大的通用热塑性塑料，具有价廉和加工方便的特性，应用领域非常广泛。但是，由于其大分子链段的连续性和柔韧性，使得其性能与工程塑料相比偏低，限制了其向功能化、高性能化方向的应用和发展。
向高分子量聚乙烯材料中填加无机材料是聚烯烃塑料工程化的发展主流。良好界面相容的复合材料将无机物的刚性、耐热性、耐磨性等，与有机物的柔韧性、良好的可加工性、可塑性，较好地结合起来，从而赋予通用型材料工程化，或某些特殊性能，提高材料档次、扩充材料的使用范围。
传统的聚乙烯/无机填料复合材料，在两相界面相容性较差，造成复合材料的力学性能和其他性能较差。
本发明提供了一种具有优异力学性能、热学性能和耐磨性能的高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法。
本发明通过偶联处理，增加有机、无机相界面的相容性；通过微交联、控制聚合物熔体剪切强度，促进接枝单体插入到层状硅酸盐片层间，以及减弱并进一步破坏层状硅酸盐相邻两层间的范德华结合力。从而实现有机聚合体在层状硅酸盐外表面及层间的粘合力，制备出高性能的高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料。
本发明的高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料原料的组分、含量如下(重量百分比)：
高分子量聚乙烯          100
层状硅酸盐              0.03-30
偶联剂                  0.01-10
交联剂                  0.001-3
分散助剂                0.5-30
添加剂                  0.01-3
本发明所使用的高分子量聚乙烯是指粘均分子量为20万至80万的工业化生产的品种。
本发明所使用的层状硅酸盐是一类无机矿物质，其化学组成为含有：二氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化铝等的，具有层状结构的、大长径比的滑石、硅灰石。层状硅酸盐片层厚度一般在1-2nm，片层粒径一般在50-200nm，片状结构在热剪切、粘切、有机微交联插入等综合作用下，容易破坏维系两层间的范德华结合，形成均匀分散于聚合物机体中的、大径厚比的无机纳米结构，表征出较强的纳米效应。在本发明中，层状硅酸盐的最佳用量为3-15份。
本发明的偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基丙基)三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、磺酰叠氮三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基硅烷)、乙烯基三氯硅烷等。
本发明的交联剂为2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷、二叔丁基过氧化物(DBP、DTBP)、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基己烷-3)、过氧化二异丙苯等。
本发明的分散助剂为水、丙酮、乙醇、白油等。
本发明采用的添加剂为抗氧剂、抗光剂等。抗氧剂可以为抗氧剂1010、抗氧剂1076等；抗光剂可以为UV327、UV770、UV944等。
本发明的高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料是按以下步骤制备的：
将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐0.03-30份与0.01-10份的偶联剂进行偶联处理。以上处理在高速搅拌机中完成。
将100份高分子量聚乙烯、0.001-3份交联剂、0.5-30分散助剂、0.01-3份添加剂依次加入到高速搅拌机中，与经偶联处理的层状硅酸盐一起高速搅拌3-30分钟，混合均匀。
将上述处理过的混合物在180℃-270℃在同向平行双螺杆挤出机上挤出造粒。
本发明制备的高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，由于偶联、微交联插层的协同效应，使材料的纳米效应得到体现。制备的纳米复合材料在拉伸强度、弯曲强度、弹性模量、热变形温度、材料耐磨等各方面的指标与本体材料相比较，均有较大幅度的提高。
实施例如下：
将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐5份与0.1份的偶联剂进行偶联处理。以上处理在高速搅拌机中完成。
将95份高分子量聚乙烯、0.01份交联剂、0.3分散助剂、0.4份添加剂依次加入到高速搅拌机中，高速搅拌5分钟，混合均匀。
将上述处理过的混合物在同向平行双螺杆挤出机上挤出造粒，挤出机各段温度设定为：200℃、220℃、240℃、240℃、240℃。造粒后的产品在注射机上注射制样，注射温度设定：190℃、225℃、230℃，注射压力30Mpa，检测后的性能见表：
表1
实施例 1 2 3 4
  高分子量聚乙烯   95   90   85   80
  层状硅酸盐   5   10   15   20
  偶联剂   0.1   0.2   0.3   0.4
  交联剂   0.01   0.02   0.02   0.02
  分散助剂   0.3   0.3   0.3   0.3
  添加剂   0.4   0.4   0.4   0.4
  拉伸强度   36.1   36.7   33.2   30.5
  弯曲强度   25   29   32   37
  弹性模量   1350   1710   2150   2360
  热变形温度   93   96   96   98
  沙浆磨耗   0.45   0.38   0.40   0.42

Claims (8)

1、一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，其特征在于所述高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料原料包括如下组分和含量(重量份数)：
高分子量聚乙烯                100
层状硅酸盐                    0.03-30
偶联剂                        0.01-10
交联剂                        0.001-3
分散助剂                      0.5-30
添加剂                        0.01-3
2、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，特征在于所述的高分子量聚乙烯，为粘均分子量为20万至80万的工业化生产的聚乙烯。
3、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，特征在于所述的层状硅酸盐，是一类无机矿物质，其化学组成为含有：二氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化铝等的，具有层状结构的、大长径比的滑石、硅灰石。层状硅酸盐片层厚度一般在1-2nm，片层粒径一般在50-200nm。
4、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，特征在于所述的偶联剂，为乙烯基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基丙基)三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、磺酰叠氮三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基硅烷)、乙烯基三氯硅烷。
5、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，特征在于所述的交联剂，为2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷、二叔丁基过氧化物(DBP、DTBP)、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基己烷-3)、过氧化二异丙苯。
6、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，特征在于所述的分散助剂，为水、丙酮、乙醇、白油。
7、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料，特征在于所述的添加剂，为抗氧剂、抗光剂。抗氧剂可以为抗氧剂1010、抗氧剂1076；抗光剂可以为UV327、UV770、UV944。
8、根据权利要求1所述的一种高性能高分子量聚乙烯/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法，特征在于按以下步骤进行：
1)将具有层状结构的、大长径比的层状硅酸盐0.03-30份与0.01-10份的偶联剂进行偶联处理。以上处理在高速搅拌机中完成。
2)将100份高分子量聚乙烯、0.001-3份交联剂、0.5-30分散助剂、0.01-3份添加剂依次加入到高速搅拌机中，与经偶联处理的层状硅酸盐一起高速搅拌3-30分钟，混合均匀。
3)将上述处理过的混合物在180℃-270℃在同向平行双螺杆挤出机上挤出造粒。
4)造粒后的产品在注射机上注射制样，注射温度设定：190℃、225℃、230℃，注射压力30Mpa。
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