本發(fā)明涉及高分子材料領(lǐng)域，特別是一種超高分子聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)是一種線型的高分子聚合物，其分子量通常在1×10⁶g/mol以上。極大的分子量導(dǎo)致分子間強(qiáng)烈的互相纏繞，帶來(lái)優(yōu)良的力學(xué)性能，使得其具備良好的潤(rùn)滑性能、耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕等性能。但與其他工程塑料相比，它的抗摩擦磨損能力差，從而影響了其使用效果和應(yīng)用范圍，目前通常采用添加填料使UHMWPE成為復(fù)合材料來(lái)改善其性能。

在以UHMWPE為基體制備復(fù)合材料時(shí)，一般是通過(guò)將UHMWPE、填料和加工助劑混合，經(jīng)過(guò)熱壓成型形成復(fù)合材料。該制備過(guò)程中涉及添加較多的加工助劑，生產(chǎn)加工成本較高，制備過(guò)程復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種耐磨性能好、制備工藝簡(jiǎn)單的超高分子聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明一方面提供一種超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，其包括由二硫化鉬與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合得到的產(chǎn)物；其中，所述復(fù)合材料中二硫化鉬的質(zhì)量百分含量為0.5-2.5％。

本發(fā)明另一方面提供一種制備上述復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：將二硫化鉬與超高分子量聚乙烯混合后在高速氣流沖擊下復(fù)合，得到復(fù)合材料。

本發(fā)明的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐摩擦磨損性能，相比純的超高分子量聚乙烯材料，磨損率降低了34.9％，摩擦系數(shù)降低了23.3％。本發(fā)明的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法，采用高速氣流沖擊式顆粒復(fù)合系統(tǒng)制備，該系統(tǒng)利用高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流來(lái)帶動(dòng)顆粒做高速運(yùn)動(dòng)，使得顆粒表面活化，可以在短時(shí)間使得二硫化鉬包裹超高分子量聚乙烯顆粒，從而形成耐磨損性能優(yōu)良的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法無(wú)需采用有機(jī)溶劑，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，也無(wú)需添加任何的加工助劑，工藝簡(jiǎn)單，成本低。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例2中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例3中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例4中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例5中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例6中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖6是實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料摩擦系數(shù)曲線圖。

圖7是實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料磨損率曲線圖。

圖8是實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料結(jié)晶度曲線。

具體實(shí)施方式

為讓本發(fā)明的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，作詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。所述方法如無(wú)特別說(shuō)明均為常規(guī)方法。所述原材料如無(wú)特別說(shuō)明均能從公開(kāi)商業(yè)途徑而得。

本發(fā)明提供一種超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，其包括由二硫化鉬與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合得到的產(chǎn)物；其中，所述復(fù)合材料中二硫化鉬的質(zhì)量百分含量為0.5-2.5％。

二硫化鉬是一種常用的固體潤(rùn)滑劑，具有良好自潤(rùn)滑性能，其具有層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力很弱，易發(fā)生層間剪切，當(dāng)與其他材料摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)低。將二硫化鉬用來(lái)對(duì)超高分子量聚乙烯進(jìn)行填充改性，二硫化鉬所特有的層間結(jié)構(gòu)相互滑動(dòng)形成具有自潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移膜有效的降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，減弱了磨粒磨損。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料中二硫化鉬的質(zhì)量百分含量為0.5-2.5％。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述超高分子量聚乙烯的分子量為2～3×10⁶，平均粒徑為120～150μm。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述在高速氣流沖擊下復(fù)合為將二硫化鉬與超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的轉(zhuǎn)速下復(fù)合。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料的磨損率為2.75～4.25×10¹⁵/m³N^-1m^-1。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料的結(jié)晶度為45-49.5％。

本發(fā)明另一方面還提供一種制備上述復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：將二硫化鉬與超高分子量聚乙烯混合后在高速氣流沖擊下復(fù)合，得到復(fù)合材料。

高速氣流沖擊方法，是一種采用干式、機(jī)械的方法對(duì)微顆粒進(jìn)行復(fù)合處理的方法，該方法利用高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流來(lái)帶動(dòng)顆粒作高速運(yùn)動(dòng)，顆粒在沖擊、剪切作用下，輸入能量富集于顆粒表面，從而使得顆粒表面活化。填料顆粒粘附于超高分子量聚乙烯顆粒的表面，可以在短時(shí)間內(nèi)均勻地完成包裹，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)顆粒粒徑的均勻化和顆粒形狀的球形化。

填料的分散情況是決定超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能的最重要因素。與普通混合方法相比，高速氣流沖擊方法在不添加任何添加劑的情況下，僅依靠機(jī)械力作用使填料與基體顆粒產(chǎn)生結(jié)合，填料對(duì)基體顆粒形成包覆，團(tuán)聚較少，在較低的填充量下就能實(shí)現(xiàn)二硫化鉬顆粒和超高分子量聚乙烯顆粒的微觀均勻混合。因此該方法制備的復(fù)合材料是一種填料結(jié)合緊密、分散良好的復(fù)合材料，在摩擦過(guò)程中能有效地阻礙裂紋擴(kuò)展，有利于降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述在高速氣流沖擊下復(fù)合為將二硫化鉬與超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的轉(zhuǎn)速下，處理15-20min。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述二硫化鉬與超高分子量聚乙烯混合的比例為0.5～2.5：99.5～97.5。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述制備的復(fù)合材料進(jìn)一步包括：將復(fù)合材料采用模壓成型，得到復(fù)合材料片材。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述模壓成型所采用的壓力為15-20MPa，加壓同時(shí)升溫至150-180℃，并恒溫30-40min，冷卻后得到復(fù)合材料。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述模壓成型還包括將復(fù)合材料置于斜面模具中，在熱壓機(jī)下以15～20Mpa的壓力，在150～180℃熱壓30Min，自然冷卻后得到復(fù)合材料片材，其中，所述形成的復(fù)合材料其中一表面沿著統(tǒng)一的方向傾斜或平行于表面，另一表面傾斜方向剛好相反。本發(fā)明通過(guò)熱壓工藝制備得到單面單向摩擦系數(shù)更低的復(fù)合材料。該方法制備的復(fù)合材料，所有裸露在表面的二硫化鉬片具有相對(duì)該表面一致的傾向性，可使二硫化鉬片在復(fù)合材料表面有效增強(qiáng)耐磨性同時(shí)降低了摩擦系數(shù)。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料進(jìn)一步置于熱滾機(jī)中，在180℃下通過(guò)熱滾機(jī)，得到復(fù)合材料片材，其中，上滾筒轉(zhuǎn)速為40r/min，下滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min。本發(fā)明采用變速滾筒工藝，制備得到厚度更薄、二硫化鉬片沿板材表面取向度更高的復(fù)合材料，所制備的復(fù)合材料具有更低的摩擦系數(shù)。

實(shí)施例1

將超高分子量聚乙烯粉末在180℃、15MPa下，熱壓30min，得到純超高分子量聚乙烯材料。

實(shí)施例2

稱量0.5g二硫化鉬粉末與99.5g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理20min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料在180℃、15MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料。

實(shí)施例3

稱量1g二硫化鉬粉末與99g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在4000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料在150℃、20MPa下，熱壓40min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料。

實(shí)施例4

稱量1.5g二硫化鉬粉末與98.5g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在4000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料在160℃、19MPa下，熱壓40min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料。

實(shí)施例5

稱量2g二硫化鉬粉末與98g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理20min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料在170℃、18MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料。

實(shí)施例6

稱量2.5g二硫化鉬粉末與97.5g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料在150℃、17MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料。

實(shí)施例7

將通過(guò)高速氣流沖擊復(fù)合方法制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料置于內(nèi)徑為25mm的斜面模具中，在熱壓機(jī)下以15～20MPa的壓力，150～180℃下熱壓30min，自然冷卻后得到復(fù)合材料片材。其中，形成的復(fù)合材料其中一表面沿著統(tǒng)一的方向傾斜或平行于表面，另一表面傾斜方向剛好相反。

實(shí)施例8

將通過(guò)高速氣流沖擊復(fù)合方法制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料在120攝氏度的溫度下預(yù)熱20min，將熱滾機(jī)加熱至180攝氏度，其中，上滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)至40r/min，下滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min。將預(yù)熱好的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料經(jīng)過(guò)熱滾機(jī)，得到復(fù)合材料片材，自然冷卻成型。

實(shí)施例9

將上述實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試。

電鏡形貌檢測(cè)結(jié)果參見(jiàn)圖1-5，超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖，圖1-5分別代表二硫化鉬含量為0.5％、1％、1.5％、2％和2.5％。從圖1-5中可以看出，隨著二硫化鉬含量的增加，超高分子量聚乙烯顆粒表面從光滑變得粗糙。這說(shuō)明超高分子量聚乙烯顆粒表面粘結(jié)和鑲嵌了大量二硫化鉬片層，當(dāng)二硫化鉬含量達(dá)到2.5％時(shí)，二硫化鉬幾乎包裹了超高分子量聚乙烯顆粒表面，如圖6所示。SEM結(jié)果表明在高速氣流沖擊作用下，二硫化鉬粘結(jié)和鑲嵌在超高分子量聚乙烯顆粒表面，達(dá)到了較好的包裹效果。

摩擦性能測(cè)試采用摩擦磨損測(cè)試儀(HSR-2M)測(cè)試復(fù)合材料的磨損性能。通過(guò)測(cè)試儀測(cè)量出摩擦系數(shù)，通過(guò)表面輪廓儀測(cè)量磨損區(qū)域橫截面積，并計(jì)算磨損率。

磨損率計(jì)算公式為：

式中K(m³N^-1m^-1)為材料磨損率，S為磨損區(qū)域橫截面積，L為磨損區(qū)域長(zhǎng)度，F(xiàn)為施加的載荷，D為總磨損距離。

參見(jiàn)圖6，從圖6中摩擦系數(shù)曲線可以看出，當(dāng)二硫化鉬含量為2.5％時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比純超高分子量聚乙烯降低了23.3％。這是因?yàn)槎蚧f具有層間結(jié)構(gòu)，在受剪切作用時(shí)層與層之間因結(jié)合力弱容易分離，分離出來(lái)的二硫化鉬層在摩擦?xí)r能起到良好的自潤(rùn)滑作用。而二硫化鉬在超高分子量聚乙烯中的良好分散性則保證了隨著摩擦的進(jìn)行，二硫化鉬不斷地因剪切作用向?qū)δゲ牧限D(zhuǎn)移。隨著二硫化鉬含量的增加，這種自潤(rùn)滑作用也越明顯，因剪切作用而形成的轉(zhuǎn)移膜也就越厚，因此摩擦系數(shù)會(huì)隨著二硫化鉬的含量增加明顯下降。

參見(jiàn)圖7，從圖7中磨損率曲線可以看出，本發(fā)明超高分子量聚乙烯復(fù)合材料隨著二硫化鉬含量的增加，磨損率降低。當(dāng)二硫化鉬的含量為2％時(shí)，復(fù)合材料的磨損率比純超高分子量聚乙烯材料降低了34.9％。但是當(dāng)含量繼續(xù)提高時(shí)，磨損率轉(zhuǎn)而上升。這是因?yàn)?，?dāng)二硫化鉬含量較小時(shí)，轉(zhuǎn)移膜的存在會(huì)降低磨損率，但當(dāng)二硫化鉬含量超過(guò)2％時(shí)，摩擦界面存在更厚的轉(zhuǎn)移膜，產(chǎn)生大量的磨屑，而超高分子量聚乙烯/二硫化鉬復(fù)合材料的混合磨屑硬度大于純超高分子量聚乙烯，起到了加劇磨損的作用，因此會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高。同時(shí)，當(dāng)二硫化鉬含量過(guò)高時(shí)，過(guò)量二硫化鉬阻礙了超高分子量聚乙烯顆粒間的結(jié)合，導(dǎo)致復(fù)合材料顆粒間結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致磨損率升高。

結(jié)晶度采用差示掃描量熱法測(cè)試。結(jié)果參見(jiàn)圖8，從圖8中結(jié)晶度曲線可以看出，隨著二硫化鉬含量的增加，本發(fā)明超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的結(jié)晶度也逐漸增加，當(dāng)二硫化鉬含量達(dá)到2％時(shí)，結(jié)晶度反而下降，這與圖7的磨損率變化趨勢(shì)恰好相反。這說(shuō)明二硫化鉬促進(jìn)了超高分子量聚乙烯分子物理交聯(lián)纏結(jié)，但當(dāng)二硫化鉬含量過(guò)高時(shí)，其較好的分散效果反而阻礙了超高分子量聚乙烯顆粒間的結(jié)合，使得結(jié)晶度降低。結(jié)晶度降低使得超高分子量聚乙烯無(wú)定形區(qū)域面積增大，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此磨損率增加。

上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案所做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。