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)致分子間強烈的互相纏繞，帶來優(yōu)良的力學(xué)性能，使得其具備良好的潤滑性能、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)合材料來改善其性能。

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

技術(shù)實現(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，其包括由碳納米管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)合材料中碳納米管的質(zhì)量百分含量為0.1-0.5％。

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：將碳納米管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62.5％，摩擦系數(shù)降低了7.4％。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)利用高速運動的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流來帶動顆粒做高速運動，使得顆粒表面活化，可以在短時間使得碳納米管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)明的制備方法無需采用有機溶劑，不會對環(huán)境造成危害，也無需添加任何的加工助劑，工藝簡單，成本低。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實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。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，其包括由碳納米管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)合材料中碳納米管的質(zhì)量百分含量為0.1-0.5％。

碳納米管由六邊形碳原子網(wǎng)格圍成的無縫的中空管體，直徑在零點幾納米到幾十納米，長度則為幾十到幾百微米，是一種新型的納米材料,其具有較高的強度、極高的韌性和極輕的比重。將碳納米管用來對超高分子量聚乙烯進行填充改性，碳納米管團聚在超高分子量聚乙烯的纖維拉絲處，使超高分子量聚乙烯顆粒間結(jié)合更緊密，復(fù)合材料強度更高，摩擦?xí)r的真實接觸面積更小。同時碳納米管在復(fù)合材料中起到了“釘軋”作用，表層不容易累積變形形成裂紋，防止了超高分子量聚乙烯的大面積破壞。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述復(fù)合材料中碳納米管的質(zhì)量百分含量為0.2％。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述超高分子量聚乙烯的分子量為2～3×10⁶，平均粒徑為30～150μm。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述在高速氣流沖擊下復(fù)合為將碳納米管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)明的一種實施例中，所述復(fù)合材料的所述摩擦系數(shù)為0.135～0.155，磨損率為3～8×10¹⁵/m³n^-1m^-1。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述復(fù)合材料還包括碳納米管或碳納米管與石墨烯的混合物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)合材料中石墨烯的質(zhì)量百分含量為0.1-0.5％。

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：將碳納米管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、機械的方法對微顆粒進行復(fù)合處理的方法，該方法利用高速運動的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流來帶動顆粒作高速運動，顆粒在沖擊、剪切作用下，輸入能量富基于顆粒表面，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，可以在短時間內(nèi)均勻地完成包裹，同時可實現(xiàn)顆粒粒徑的均勻化和顆粒形狀的球形化。

氣流沖擊復(fù)合方式制備的復(fù)合材料中碳納米管分散性越差，摩擦表面的碳納米管對剪切的阻礙作用就越不明顯，摩擦系數(shù)也就越低。碳納米管主要分布在UHMWPE顆粒的纖維拉絲處，而UHMWPE顆粒的這種纖維狀結(jié)構(gòu)恰好是顆粒間相互結(jié)合作用力最強的地方，碳納米管在這些地方的團聚，使UHMWPE顆粒間結(jié)合更緊密，復(fù)合材料強度更高，摩擦?xí)r的真實接觸面積更小，因此摩擦系數(shù)降低。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述在高速氣流沖擊下復(fù)合為將碳納米管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)明的一種實施例中，所述碳納米管與超高分子量聚乙烯混合的比例為0.1～0.5:99.5～99.9。

在本發(fā)明的一種實施例中，將碳納米管與石墨烯混合后，將混合物與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合，碳納米管與超高分子量聚乙烯的比例為0.1～0.5:99.5～99.9。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述制備的復(fù)合材料進一步包括：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)明的一種實施例中，所述模壓成型所采用的壓力為15-20MPa，加壓同時升溫至150-180℃，并恒溫30-40min，冷卻后得到復(fù)合材料片材。

在本發(fā)明的一種實施例中，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，所有裸露在表面的碳納米管具有相對該表面一致的傾向性，可使碳納米管在復(fù)合材料表面有效增強耐磨性同時降低了摩擦系數(shù)。

在本發(fā)明的一種實施例中，所述復(fù)合材料進一步置于熱滾機中，在180℃下通過熱滾機，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、碳納米管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)。

實施例

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，以下特舉較佳實施例，作詳細說明，本發(fā)明的保護范圍不受以下實施例的限制。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。

實施例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。

實施例2

稱量0.1g碳納米管粉末與99.9g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)速下進行復(fù)合處理20min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料在180℃、15MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料。

實施例3

稱量0.2g碳納米管粉末與99.8g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)速下進行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料在150℃、20MPa下，熱壓40min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料。

實施例4

稱量0.3g碳納米管粉末與99.7g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)速下進行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料在160℃、19MPa下，熱壓40min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料。

實施例5

稱量0.4g碳納米管粉末與99.6g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)速下進行復(fù)合處理20min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料在170℃、18MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料。

實施例6

稱量0.5g碳納米管粉末與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)速下進行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料在150℃、17MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/碳納米管復(fù)合材料。

實施例7

稱量0.2g石墨烯粉末及0.3g碳納米管粉末，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)速下進行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料在150℃、17MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料。

實施例8

將通過高速氣流沖擊復(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。

實施例9

將通過高速氣流沖擊復(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)過熱滾機，得到復(fù)合材料片材，自然冷卻成型。

實施例10

將上述實施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料進行性能測試。

電鏡形貌檢測結(jié)果參見圖1-5，超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖，圖1-5分別代表碳納米管含量為0.1％、0.2％、0.3％、0.4％和0.5％。從圖中可以看出，碳納米管主要團聚在高分子量聚乙烯顆粒的纖維拉絲處，在光滑表面部分幾乎沒有。高速氣流沖擊使碳納米管團聚在超高分子量聚乙烯的纖維拉絲處，而超高分子量聚乙烯顆粒的這種纖維狀結(jié)構(gòu)恰好是顆粒間相互結(jié)合作用力最強的地方，碳納米管在這些地方的團聚在成型時會幫助超高分子量聚乙烯分子間的纏結(jié)與交聯(lián)，從而使復(fù)合材料強度更高，摩擦?xí)r的真實接觸面積更小，因此摩擦系數(shù)更低。

基于碳納米管獨特的管狀結(jié)構(gòu)，分布在摩擦表層的碳納米管主要垂直于摩擦表面，碳納米管在超高分子量聚乙烯顆粒表面分散性越好，摩擦剪切作用需要更大的阻力，抗摩擦性能越差。氣流沖擊復(fù)合工藝制備的復(fù)合材料中碳納米管的團聚效果相比常規(guī)的超聲工藝更明顯，摩擦表面的碳納米管對剪切的阻礙作用更小，所以氣流沖擊復(fù)合工藝制備的復(fù)合材料抗摩擦性能更好。

摩擦性能測試采用摩擦磨損測試儀(HSR-2M)測試復(fù)合材料的磨損性能。通過測試儀測量出的摩擦系數(shù)，采用如下公式計算復(fù)合材料的磨損率。

磨損率計算公式為：

式中K(mm³N^-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)域長度，F(xiàn)為施加的載荷，D為總磨損距離。

結(jié)果參見圖6，從圖6的摩擦系數(shù)曲線可以看出，本發(fā)明超高分子量聚乙烯復(fù)合材料隨著碳納米管含量的增加，摩擦系數(shù)有所降低。當(dāng)碳納米管的含量為0.2％時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)相比純超高分子量聚乙烯降低了7.4％，含量進一步提高時，摩擦系數(shù)也隨之上升。如前所述，碳納米管團聚在超高分子量聚乙烯纖維拉絲處，碳納米管有助于超高分子量聚乙烯分子間的纏結(jié)與交聯(lián)，從而使復(fù)合材料強度更高，降低了摩擦系數(shù)。而后摩擦系數(shù)上升，是因為超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的磨損機制為疲勞剝層磨損，添加碳納米管以后，露出摩擦表面的碳納米管充當(dāng)了硬質(zhì)磨粒的作用，引起摩擦系數(shù)的上升。

參見圖7，從圖7的磨損率曲線可以看出，當(dāng)碳納米管的含量為0.5％時，磨損率相比純超高分子量聚乙烯降低了62.5％。這是因為，填充碳納米管后，復(fù)合材料的摩擦表面受剪切作用時，表層材料發(fā)生屈服變形，隨著摩擦的持續(xù)進行，變形隨著載荷重負作用累積起來，產(chǎn)生微裂紋，裂紋在載荷和變形的作用下擴展直至與表面之間的材料由于切應(yīng)變而以薄片形式剝落下來變成磨屑。碳納米管在復(fù)合材料中起到了“釘軋”作用，表層不容易累積變形形成裂紋，防止了超高分子量聚乙烯的大面積破壞。

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