一种改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料及其制备方法。

背景技术：

高密度聚乙烯管具有价格低廉、化学稳定性高、易于加工成型、耐腐蚀性良好以及易安装等优点而替代了传统的水泥管、钢管等，广泛应用于城市建设的各个领域，如城镇市政建设及住宅小区的地下污水、雨水排放管网，农田、果园、林带排灌管网，工业废水排放管网，以及矿山细颗粒固体输送管等。在这些场合都要求高密度聚乙烯具有良好的耐磨性能。

陶瓷材料硬度高、耐高温、耐摩擦磨损，是常用的工程材料。其粉体因保留了其优良的特性而被广泛用于增强体，以提高基体材料的力学性能及摩擦磨损性能。

本发明将陶瓷粉与高密度聚乙烯复合，并采用接枝聚合物法改性陶瓷粉，从而改善陶瓷粉的分散性和与高密度聚乙烯基体的界面结合，使得两者各自的性能优势相结合。制备所得的复合材料运用于管材领域，可进一步拓宽高密度聚乙烯管的应用范围，同时可降低成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料及其制备方法，使用该复合材料制备的高密度聚乙烯管耐磨性能得到改善，同时可降低生产成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料，由下列质量份数的原料制备而成：高密度聚乙烯80~95份，改性陶瓷粉5~20份，分散剂质量为改性陶瓷粉质量的10%。所述的高密度聚乙烯熔体质量流动速率为20g/10min，密度为0.9564g/cm^-3。所述的改性陶瓷粉由主要成分为sio2，粒径为10μm~30μm的陶瓷粉经活化处理及聚合物接枝改性得到。所述的分散剂为硅油。

所述陶瓷粉的具体改性步骤如下：

步骤一：陶瓷粉的活化

首先配制体积分数95%的乙醇水溶液，并用盐酸调节溶液ph值至4～5，而后加入3.5ml乙烯基三乙氧基硅烷静置半小时；将35g干燥至恒重的陶瓷粉加入到上述溶液中，超声分散后移入80℃水浴加热并磁力搅拌4h；反应结束后将产物多次离心、洗涤、干燥后得到活化的陶瓷粉；

步骤二：接枝聚丙烯酰胺

称取32.4g干燥至恒重的步骤一活化处理后的陶瓷粉超声分散于400ml蒸馏水中,而后加入14.2g丙烯酰胺单体，继续超声分散均匀后转入集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴加热至30℃，使丙烯酰胺单体溶解；将0.228g的过硫酸铵和0.104g的亚硫酸氢钠溶解于5ml蒸馏水中后加入到溶液中，逐渐升温至85℃并磁力搅拌4h；反应结束后对溶液进行离心并用丙酮洗涤去除均聚物，再进行离心、洗涤、干燥后得到聚丙烯酰胺接枝改性的陶瓷粉。

所述的改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料的制备方法具体步骤如下：

1）将干燥至恒重的改性陶瓷粉、高密度聚乙烯和分散剂按照配比配制成各组分原料后机械混合均匀；

2）将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中熔融共混后挤出，其中双螺杆挤机的挤出工艺为：一区温控为130~135℃、二区温控为135~140℃、三区温控为140~145℃、四区温控为145~150℃，螺杆转数为30r/min，循环时间为7min；

3）将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为60℃，注射筒温度为170℃，注射压力为0.2~0.3mpa,保压压力为0.2~0.3mpa,注射时间为20s，合模时间为22s。

本发明的显著优点在于：本发明选用了具有高硬度和耐磨性的陶瓷粉为增强相来提高高密度聚乙烯的摩擦性能，并对陶瓷粉进行了改性来改善陶瓷粉的分散性以及增强其与高密度聚乙烯基体的界面结合，较好的实现了两者的优势互补。且原料低价易得，制备方法简单，所得复合材料应用于高密度聚乙烯管领域，可降低成本及拓宽其应用范围。

附图说明

图1为样品的红外光谱图：其中1曲线指的是陶瓷粉，2曲线指的是活化处理陶瓷粉，3曲线指的是聚合物接枝陶瓷粉。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

在实施例复合材料的配方中，高密度聚乙烯型号为dmda-8920，中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司；陶瓷粉主要成分为sio2，粒径为10μm~30μm，灵寿县华硕矿产品加工厂；硅油由福州联友实验仪器有限公司购买。

改性陶瓷粉的制备：

步骤一：陶瓷粉的活化

首先配制体积分数95%的乙醇水溶液，并用盐酸调节溶液ph值至4～5，而后加入3.5ml乙烯基三乙氧基硅烷静置半小时；将35g干燥至恒重的陶瓷粉加入到上述溶液中，超声分散后移入80℃水浴加热并磁力搅拌4h；反应结束后将产物多次离心、洗涤、干燥后得到活化的陶瓷粉；

步骤二：接枝聚丙烯酰胺

称取32.4g干燥至恒重的步骤一活化处理后的陶瓷粉超声分散于400ml蒸馏水中,而后加入14.2g丙烯酰胺单体，继续超声分散均匀后转入集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴加热至30℃，使丙烯酰胺单体溶解；将0.228g的过硫酸铵和0.104g的亚硫酸氢钠溶解于5ml蒸馏水中后加入到溶液中，逐渐升温至85℃并磁力搅拌4h；反应结束后对溶液进行离心并用丙酮洗涤去除均聚物，再进行离心、洗涤、干燥后得到聚丙烯酰胺接枝改性的陶瓷粉。

实施例1

取原料高密度聚乙烯85份，改性陶瓷粉15份，硅油1.5份（相对于改性陶瓷粉），按下述步骤制备及摩擦性能测试：

1）将硅油和高密度聚乙烯机械搅拌混合均匀，然后边搅拌边加入改性陶瓷粉，再经旋涡混合器机械混和至均匀；

2）将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中熔融共混后挤出，其中双螺杆挤出机的挤出工艺为：一区温控为135℃、二区温控为140℃、三区温控为145℃、四区温控为150℃，螺杆转数为30r/min，循环时间为7min；

3）将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为60℃，注射筒温度为170℃，注射压力为0.2~0.3mpa,保压压力为0.2~0.3mpa,注射时间为20s，合模时间为22s；

4）参考标准gb3960-1983将试样制成30mm×7mm×8mm的摩擦试样进行摩擦试验，试验载荷为50n，试验时间为120min，转数为200r/min，对偶环为高频淬火45，表面硬度大于55hrc，半径为40mm，测试时从摩擦副侧边不断滴自来水。

实施例2

取原料高密度聚乙烯90份，改性陶瓷粉10份，硅油1份（相对于改性陶瓷粉），按下述步骤制备及摩擦性能测试：

1）将硅油和高密度聚乙烯机械搅拌混合均匀，然后边搅拌边加入改性陶瓷粉，再经旋涡混合器机械混和至均匀；

2）将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中熔融共混后挤出，其中双螺杆挤出机的挤出工艺为：一区温控为135℃、二区温控为140℃、三区温控为145℃、四区温控为150℃，螺杆转数为30r/min，循环时间为7min；

3）将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为60℃，注射筒温度为170℃，注射压力为0.2~0.3mpa,保压压力为0.2~0.3mpa,注射时间为20s，合模时间为22s；

4）参考标准gb3960-1983将试样制成30mm×7mm×8mm的摩擦试样进行摩擦试验，试验载荷为150n，试验时间为120min，转数为200r/min，对偶环为高频淬火45，表面硬度大于55hrc，半径为40mm，测试时从摩擦副侧边不断滴自来水。

实施例3

取原料高密度聚乙烯90份，改性陶瓷粉10份，硅油1份（相对于改性陶瓷粉），按下述步骤制备及摩擦性能测试：

1）将硅油和高密度聚乙烯机械搅拌混合均匀，然后边搅拌边加入改性陶瓷粉，再经旋涡混合器机械混和至均匀；

2）将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中熔融共混后挤出，其中双螺杆挤出机的挤出工艺为：一区温控为135℃、二区温控为140℃、三区温控为145℃、四区温控为150℃，螺杆转数为30r/min，循环时间为7min；

3）将步骤2）中挤出物料注射成型，其中注射成型工艺为：模具温度为60℃，注射筒温度为170℃，注射压力为0.2~0.3mpa,保压压力为0.2~0.3mpa,注射时间为20s，合模时间为22s；

4）将所制试样在100℃下水煮10h；

5）参考标准gb3960-1983将水煮后试样制成30mm×7mm×8mm的摩擦试样进行摩擦试验，试验载荷为150n，试验时间为120min，转数为200r/min，对偶环为高频淬火45，表面硬度大于55hrc，半径为40mm。

对比例1

取原料高密度聚乙烯100份，改性陶瓷粉0份，硅油0份，按实施例1的步骤制备试样及摩擦性能测试。

对比例2

取原料高密度聚乙烯100份，改性陶瓷粉0份，硅油0份，按实施例2的步骤制备试样及摩擦性能测试。

对比例3

取原料高密度聚乙烯100份，改性陶瓷粉0份，硅油0份，按实施例3的步骤制备试样及摩擦性能测试。

将陶瓷粉、活化处理陶瓷粉及聚合物接枝陶瓷粉用kbr压片后采用尼高力360智能型红外光谱仪进行红外表征，结果如图1所示。

图1可以看出，陶瓷粉（1曲线）、活化处理陶瓷粉（2曲线）及聚合物接枝陶瓷粉（3曲线）在3434cm^-1都出现了-oh伸缩振动吸收峰，且峰的强度依次减弱。活化处理陶瓷粉（2曲线）在2974cm^-1和2893cm^-1处有-ch³伸缩振动吸收峰，在1875cm^-1处出现了硅烷偶联剂中c＝o吸收峰值，1614cm^-1代表c＝c吸收峰值。这说明作为桥梁的乙烯基三乙氧基硅烷成功地接枝上了陶瓷粉。聚合物接枝陶瓷粉（3曲线）在1662cm^-1处出现了酰胺基团c＝o吸收峰，1618cm^-1代表酰胺基团中n-h弯曲振动吸收峰，相较于活化处理陶瓷粉（2曲线）少了1614cm^-1处吸收峰，该c＝c吸收峰值的消失说明接枝聚丙烯酰胺时在引发剂的作用下碳碳双键打开发生聚合反应，即聚丙烯酰胺接枝陶瓷粉成功。

试验摩擦系数直接从测试软件读出，磨损率（ω）按下式计算：

ω=△v/(π·2r·r·f)

△v=14bh/3

h=r-(r²-b²/4)^0.5

式中：△v为试样的磨损体积（mm³）；r为对偶环半径（mm）；r为对偶环实转圈数；f为试验力（n）；b为磨痕宽度（mm）。

实施例1-3与对比例1-3的摩擦系数及磨损率见表1。

表1实施例1-3与对比例1-3的摩擦系数及磨损率

由表1可知：实施例1较对比例1，实施例2较对比例2，摩擦系数和磨损率都有明显的减小。实施例3较对比例3，虽然摩擦系数有小幅度增加，但磨损率明显减小。这表明本发明所得复合材料在水摩擦、100℃沸水处理后摩擦具有好的摩擦性能，尤其是水摩擦，当载荷为50n时（实施例1），摩擦系数和磨损率分别降低了37.3%和74.9%；当载荷为150n时（实施例2），摩擦系数和磨损率分别降低了43.0%和76.0%。

综上可知，采用本发明制备的改性陶瓷粉/高密度聚乙烯复合材料具有良好的耐磨性能，将此复合材料应用于高密度聚乙烯管材领域，将拓宽高密度聚乙烯管的应用范围，并且可降低成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。