超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及高分子材料领域，特别是一种超高分子聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术：

超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)是一种线型的高分子聚合物，其分子量通常在1×10⁶g/mol以上。极大的分子量导致分子间强烈的互相缠绕，带来优良的力学性能，使得其具备良好的润滑性能、耐冲击、耐磨损、耐化学腐蚀等性能。但与其他工程塑料相比，它的抗摩擦磨损能力差，从而影响了其使用效果和应用范围，目前通常采用添加填料使UHMWPE成为复合材料来改善其性能。

在以UHMWPE为基体制备复合材料时，一般是通过将UHMWPE、填料和加工助剂混合，经过热压成型形成复合材料。该制备过程中涉及添加较多的加工助剂，生产加工成本较高，制备过程复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种耐磨性能好、制备工艺简单的超高分子聚乙烯复合材料及其制备方法。

本发明一方面提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由石墨烯与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物；其中，所述复合材料中石墨烯的质量百分含量为0.1-0.5％。

本发明另一方面提供一种制备上述复合材料的方法，包括如下步骤：将石墨烯与超高分子量聚乙烯混合后在高速气流冲击下复合，得到复合材料。

本发明的超高分子量聚乙烯复合材料具有优良的耐摩擦磨损性能，相比纯的超高分子量聚乙烯材料，磨损率降低了55％，摩擦系数降低了22.1％。本发明的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，采用高速气流冲击式颗粒复合系统制备，该系统利用高速运动的转子产生高速气流来带动颗粒做高速运动，使得颗粒表面活化，可以在短时间使得石墨烯包裹超高分子量聚乙烯颗粒，从而形成耐磨损性能优良的超高分子量聚乙烯复合材料。本发明的制备方法无需采用有机溶剂，不会对环境造成危害，也无需添加任何的加工助剂，工艺简单，成本低。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例2中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。

图2是本发明实施例3中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。

图3是本发明实施例4中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。

图4是本发明实施例5中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。

图5是本发明实施例6中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。

图6是实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料摩擦系数曲线图。

图7是实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料磨损率曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由石墨烯与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物；其中，所述复合材料中石墨烯的质量百分含量为0.1-0.5％。

石墨烯具有良好的机械性能和自润滑性能，将石墨烯用来对超高分子量聚乙烯进行填充改性，其包裹在超高分子量聚乙烯颗粒的表面能阻碍、改变和反射磨损产生的微裂纹的扩展，从而有效地减缓聚合物磨削的形成，并减小聚合物磨削的尺寸。同时石墨烯所特有的层间结构容易发生剪切从而形成具有润滑和保护作用的转移膜层，进一步较少磨损。

在本发明的一种实施例中，所述复合材料中石墨烯的质量百分含量为0.5％。

在本发明的一种实施例中，所述超高分子量聚乙烯的分子量为2～3×10⁶，平均粒径为30～150μm。

在本发明的一种实施例中，所述在高速气流冲击下复合为将石墨烯与超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的转速下复合。

在本发明的一种实施例中，所述复合材料的磨损率为3.5～8×10¹⁵/m³n^-1m^-1。

在本发明的一种实施例中，所述复合材料还包括碳纳米管或碳纳米管与石墨烯的混合物与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合得到的产物，其中所述复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.1-0.5％。

本发明另一方面还提供一种制备上述复合材料的方法，包括如下步骤：将石墨烯与超高分子量聚乙烯混合后在高速气流冲击下复合，得到复合材料。

高速气流冲击方法，是一种采用干式、机械的方法对微颗粒进行复合处理的方法，该方法利用高速运动的转子产生高速气流来带动颗粒作高速运动，颗粒在冲击、剪切作用下，输入能量富基于颗粒表面，从而使得颗粒表面活化。填料颗粒粘附于超高分子量聚乙烯颗粒的表面，可以在短时间内均匀地完成包裹，同时可实现颗粒粒径的均匀化和颗粒形状的球形化。

气流冲击复合方式分散的石墨烯在复合材料中分散性好，分布密度高，团聚尺寸小，能够起到很好的减磨作用。

并且，气流冲击复合方式分散的石墨烯更倾向于分布在UHMWPE颗粒表面纤维拉丝处，这是因为在气流冲击机械力作用下UHMWPE颗粒表面和石墨烯表面都具有更高的活性，更容易在表面积大的位置结合起来。石墨烯在这些地方的团聚，使UHMWPE颗粒间结合更紧密，复合材料强度更高，摩擦时的真实接触面积更小，因此摩擦系数降低。

在本发明的一种实施例中，所述在高速气流冲击下复合为将石墨烯与超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的转速下，处理15-20min。

在本发明的一种实施例中，所述石墨烯与超高分子量聚乙烯混合的比例为0.1～0.5:99.5～99.9。

在本发明的一种实施例中，将石墨烯与碳纳米管混合后，将混合物与超高分子量聚乙烯在高速气流冲击下复合，碳纳米管与超高分子量聚乙烯的比例为0.1～0.5:99.5～99.9。

在本发明的一种实施例中，所述制备的复合材料进一步包括：将复合材料采用模压成型，得到复合材料片材。

在本发明的一种实施例中，所述模压成型所采用的压力为15～20MPa，加压同时升温至150～180℃，恒温30-40min，冷却后得到复合材料片材。

在本发明的一种实施例中，所述模压成型还包括将复合材料置于斜面模具中，在热压机下以15～20Mpa的压力，在150～180℃热压30Min，自然冷却后得到复合材料片材，其中，所述形成的复合材料其中一表面沿着统一的方向倾斜或平行于表面，另一表面倾斜方向刚好相反。本发明通过热压工艺制备得到单面单向摩擦系数更低的复合材料。该方法制备的复合材料，所有裸露在表面的石墨烯具有相对该表面一致的倾向性，可使石墨烯在复合材料表面有效增强耐磨性同时降低了摩擦系数。

在本发明的一种实施例中，所述复合材料进一步置于热滚机中，在180℃下通过热滚机，得到复合材料片材，其中，上滚筒转速为40r/min，下滚筒转速为20r/min。本发明采用变速滚筒工艺，制备得到厚度更薄、石墨烯沿板材表面取向度更高的复合材料，所制备的复合材料具有更低的摩擦系数。

实施例

为让本发明的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法更明显易懂，以下特举较佳实施例，作详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例1

将超高分子量聚乙烯粉末在180℃、15MPa下，热压30min，得到纯超高分子量聚乙烯材料。

实施例2

称量0.1g石墨烯粉末与99.9g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理20min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料在180℃、15MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料。

实施例3

称量0.2g石墨烯粉末与99.8g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在4000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料在150℃、20MPa下，热压40min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料。

实施例4

称量0.3g石墨烯粉末与99.7g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在4000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料在160℃、19MPa下，热压40min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料。

实施例5

称量0.4g石墨烯粉末与99.6g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理20min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料在170℃、18MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料。

实施例6

称量0.5g石墨烯粉末与99.5g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料在150℃、17MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料。

实施例7

称量0.2g石墨烯粉末及0.3g碳纳米管粉末，与99.5g超高分子量聚乙烯加入高速气流冲击复合装置，在3000r/min的转速下进行复合处理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳纳米管复合材料；将超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳纳米管复合材料在150℃、17MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳纳米管复合材料。

实施例8

将通过高速气流冲击复合方法制备的超高分子量聚乙烯复合材料置于内径为25mm的斜面模具中，在热压机下以15～20MPa的压力，150～180℃下热压30min，自然冷却后得到复合材料片材。其中，形成的复合材料其中一表面沿着统一的方向倾斜或平行于表面，另一表面倾斜方向刚好相反。

实施例9

将通过高速气流冲击复合方法制备的超高分子量聚乙烯复合材料在120摄氏度的温度下预热20min，将热滚机加热至180摄氏度，其中，上滚筒转速调至40r/min，下滚筒转速为20r/min。将预热好的超高分子量聚乙烯复合材料经过热滚机，得到复合材料片材，自然冷却成型。

实施例10

将上述实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料进行性能测试。

电镜形貌检测结果参见图1-5，超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图，图1-5分别代表石墨烯含量为0.1％、0.2％、0.3％、0.4％和0.5％。从图中可以看出，石墨烯大部分分布在高分子量聚乙烯颗粒表面纤维拉丝处。这是因为在高速气流冲击下高分子量聚乙烯颗粒表面和石墨烯表面都具有更高的活性，更容易在表面积大的位置结合起来。而超声方式不能有效分散石墨烯，其原因可能是在溶液挥发的干燥过程中石墨烯又再次发生了团聚，而高速气流冲击则不存在这个问题。

采用气流冲击复合方式分散的石墨烯较超声分散的石墨烯分散性更好，在复合材料中分布密度更高，因此抗摩擦性能更好。而超声分散的石墨烯分散性差，团聚尺寸大，摩擦表面或表层的石墨烯分布密度低，不能起到很好的减磨作用。

摩擦性能测试采用摩擦磨损测试仪(HSR-2M)测试复合材料的磨损性能。通过测试仪测量出的摩擦系数，采用如下公式计算复合材料的磨损率。

磨损率计算公式为：

式中K(mm³N^-1m^-1)为材料磨损率，S为磨损区域横截面积，L为磨损区域长度，F为施加的载荷，D为总磨损距离。

结果参见图6，从图6的摩擦系数曲线可以看出，本发明超高分子量聚乙烯复合材料随着石墨烯含量的增加，摩擦系数逐渐下降。当石墨烯的含量为0.5％时，复合材料的摩擦系数相比纯超高分子量聚乙烯降低了22.1％。石墨烯因为其独特的层间结构，受剪切作用时层间易发生相对滑动，在摩擦表面形成具有自润滑和高结合特性的连续转移膜，能有效降低摩擦阻力。

结果参见图7，从图7的磨损率曲线可以看出，当石墨烯的含量为0.5％时，磨损率相比纯超高分子量聚乙烯降低了55％。这是因为，填充石墨烯后，一方面复合材料力学性能增强，另一方面石墨烯能有效阻碍裂纹形成和扩散，减缓磨削效果，并减小磨削尺寸，起到降低磨损率的作用。另外使用常规超声分散制备的复合材料磨损率与纯超高分子量聚乙烯相比几乎没有变化，而使用气流冲击复合制备的复合材料磨损率则大大降低。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案所做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。