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，其包括由二硫化钼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，所述复合材料中二硫化钼的质量百分含量为0.5-2.5％。

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：将二硫化钼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34.9％，摩擦系数降低了23.3％。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，可以在短时间使得二硫化钼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。

图8是实施例1-6制备的超高分子量聚乙烯复合材料结晶度曲线。

具体实施方式

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。

本发明提供一种超高分子量聚乙烯复合材料，其包括由二硫化钼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，所述复合材料中二硫化钼的质量百分含量为0.5-2.5％。

二硫化钼是一种常用的固体润滑剂，具有良好自润滑性能，其具有层状结构，层间结合力很弱，易发生层间剪切，当与其他材料摩擦时，摩擦系数低。将二硫化钼用来对超高分子量聚乙烯进行填充改性，二硫化钼所特有的层间结构相互滑动形成具有自润滑的转移膜，转移膜有效的降低了复合材料的摩擦系数，减弱了磨粒磨损。

在本发明的一种实施例中，所述复合材料中二硫化钼的质量百分含量为0.5-2.5％。

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120～150μm。

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二硫化钼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2.75～4.25×10¹⁵/m³N^-1m^-1。

在本发明的一种实施例中，所述复合材料的结晶度为45-49.5％。

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：将二硫化钼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，输入能量富集于颗粒表面，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。

填料的分散情况是决定超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦磨损性能的最重要因素。与普通混合方法相比，高速气流冲击方法在不添加任何添加剂的情况下，仅依靠机械力作用使填料与基体颗粒产生结合，填料对基体颗粒形成包覆，团聚较少，在较低的填充量下就能实现二硫化钼颗粒和超高分子量聚乙烯颗粒的微观均匀混合。因此该方法制备的复合材料是一种填料结合紧密、分散良好的复合材料，在摩擦过程中能有效地阻碍裂纹扩展，有利于降低复合材料的摩擦系数和磨损率。

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二硫化钼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，所述二硫化钼与超高分子量聚乙烯混合的比例为0.5～2.5：99.5～97.5。

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℃，并恒温30-40min，冷却后得到复合材料。

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，所有裸露在表面的二硫化钼片具有相对该表面一致的倾向性，可使二硫化钼片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、二硫化钼片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0.5g二硫化钼粉末与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20min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料；将超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料在180℃、15MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料。

实施例3

称量1g二硫化钼粉末与99g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/二硫化钼复合材料；将超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料在150℃、20MPa下，热压40min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料。

实施例4

称量1.5g二硫化钼粉末与98.5g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/二硫化钼复合材料；将超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料在160℃、19MPa下，热压40min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料。

实施例5

称量2g二硫化钼粉末与98g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/二硫化钼复合材料；将超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料在170℃、18MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料。

实施例6

称量2.5g二硫化钼粉末与97.5g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/二硫化钼复合材料；将超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料在150℃、17MPa下，热压30min，得到超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料。

实施例7

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9

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分别代表二硫化钼含量为0.5％、1％、1.5％、2％和2.5％。从图1-5中可以看出，随着二硫化钼含量的增加，超高分子量聚乙烯颗粒表面从光滑变得粗糙。这说明超高分子量聚乙烯颗粒表面粘结和镶嵌了大量二硫化钼片层，当二硫化钼含量达到2.5％时，二硫化钼几乎包裹了超高分子量聚乙烯颗粒表面，如图6所示。SEM结果表明在高速气流冲击作用下，二硫化钼粘结和镶嵌在超高分子量聚乙烯颗粒表面，达到了较好的包裹效果。

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。通过测试仪测量出摩擦系数，通过表面轮廓仪测量磨损区域横截面积，并计算磨损率。

磨损率计算公式为：

式中K(m³N^-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。

参见图6，从图6中摩擦系数曲线可以看出，当二硫化钼含量为2.5％时，复合材料的摩擦系数比纯超高分子量聚乙烯降低了23.3％。这是因为二硫化钼具有层间结构，在受剪切作用时层与层之间因结合力弱容易分离，分离出来的二硫化钼层在摩擦时能起到良好的自润滑作用。而二硫化钼在超高分子量聚乙烯中的良好分散性则保证了随着摩擦的进行，二硫化钼不断地因剪切作用向对磨材料转移。随着二硫化钼含量的增加，这种自润滑作用也越明显，因剪切作用而形成的转移膜也就越厚，因此摩擦系数会随着二硫化钼的含量增加明显下降。

参见图7，从图7中磨损率曲线可以看出，本发明超高分子量聚乙烯复合材料随着二硫化钼含量的增加，磨损率降低。当二硫化钼的含量为2％时，复合材料的磨损率比纯超高分子量聚乙烯材料降低了34.9％。但是当含量继续提高时，磨损率转而上升。这是因为，当二硫化钼含量较小时，转移膜的存在会降低磨损率，但当二硫化钼含量超过2％时，摩擦界面存在更厚的转移膜，产生大量的磨屑，而超高分子量聚乙烯/二硫化钼复合材料的混合磨屑硬度大于纯超高分子量聚乙烯，起到了加剧磨损的作用，因此会导致摩擦系数升高。同时，当二硫化钼含量过高时，过量二硫化钼阻碍了超高分子量聚乙烯颗粒间的结合，导致复合材料颗粒间结构被破坏，导致磨损率升高。

结晶度采用差示扫描量热法测试。结果参见图8，从图8中结晶度曲线可以看出，随着二硫化钼含量的增加，本发明超高分子量聚乙烯复合材料的结晶度也逐渐增加，当二硫化钼含量达到2％时，结晶度反而下降，这与图7的磨损率变化趋势恰好相反。这说明二硫化钼促进了超高分子量聚乙烯分子物理交联缠结，但当二硫化钼含量过高时，其较好的分散效果反而阻碍了超高分子量聚乙烯颗粒间的结合，使得结晶度降低。结晶度降低使得超高分子量聚乙烯无定形区域面积增大，降低了复合材料的力学性能，因此磨损率增加。

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。