一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料及其制备方法与流程

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种用于海洋装备涉水单元的材料，具体涉及一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料及其制备方法。

背景技术：

近些年来，随着重大海洋工程不断建设，海洋环境下高性能聚合物材料摩擦学行为的研究对海洋工程装备的开发和应用具有非常重要的意义，它为海洋资源开采装备、海上试验检测平台发展提供了有力支撑。超高分子量聚乙烯(uhmwpe)是一种分子量超过150万的线型结构高分子聚合物，是一种自润滑高分子材料，因具有高的机械强度和抗冲击性，低的摩擦系数与良好的耐磨性而著称，且无毒、无污染、可再循环回收等优点。目前单一超高分子量聚乙烯制备成品的抗磨性能还达不到部分工程应用的水平，因此还需要对其进行进一步改进；四苯基锡是一种化学物质，化学式是c24h20sn，分子量是427.13，常温下为无色晶体，主要用作聚二氯苯乙烯抗裂纹剂，聚氯乙烯、硅酮、三醋酸纤维素等的稳定剂，烯烃、交酯聚合等催化剂，黏附剂，燃料添加剂，聚苯醚润滑剂的防老剂以及硅酮润滑剂的抗磨剂等，因此四苯基锡具备一定的抗磨性能，但是如何将四苯基锡和超高分子量聚乙烯结合起来制备高抗磨性能的材料，现有技术还没有先例。因此需要进一步研究发现。

技术实现要素：

抗磨复合材料由超高分子量聚乙烯和四苯基锡组成，首先选配超高分子量聚乙烯粉末和四苯基锡粉末，将两者干燥后混合形成混合粉末，将混合粉末置于模具中，采用热压机对混合粉末进行先预压后热压成型工艺，得到抗磨复合材料。本发明利用四苯基锡的自润滑作用，增加了超高分子量聚乙烯的抗磨损性能，最终得到涉水运动副用抗磨复合材料。抗磨复合材料在海水环境下的磨痕深度和磨痕宽度均大幅度降低。

鉴于以上思路，本发明的目的在于提供一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料及其制备方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

抗磨复合材料由四苯基锡(ph4sn)和超高分子量聚乙烯(uhmwpe)组成，首先按重量比例称取一定量的原料进行混合，即称取一定量ph4sn和uhmwpe原料粉末置于研钵中，然后机械共混1～2h(无明显单一相)。之后将共混粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30mpa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温2～3h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力10～20mpa保压；等温度冷却至100℃，施加压力30～40mpa保压；等温度冷却至90℃，施加压力70～80mpa保压；等温度冷却至80℃，施加压力150～160mpa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模。

作为优选，所述超高分子量聚乙烯和四苯基锡均为粉末状，两种粉末材料经过机械混合通过热压机固化成型形成用于涉水运动副的耐磨聚合物材料。所述抗磨复合材料中的四苯基锡含量为0.5～5wt.％。

本发明的有益效果：

(1)本发明选用超高分子量聚乙烯(uhmwpe)粉末为基础材料，对其添加四苯基锡(ph4sn)进行热压成型得到涉水运动副用ph4sn/uhmwpe聚合物材料试样。由于ph4sn的优异的自润滑抗磨性作用，当ph4sn和uhmwpe的含量分别为1～2wt.％和98～99wt.％时，复合材料的耐磨性效果最好，对材料的损耗减小50％以上。

(2)在海水环境下ph4sn/uhmwpe复合材料与纯uhmwpe材料相比，无明显增摩变化。ph4sn/uhmwpe聚合物材料在海水介质进行摩擦学试验，复合材料磨损体积都比纯uhmwpe材料低，说明ph4sn/uhmwpe复合材料在海水介质中具有更好的耐塑性化和耐磨损性能。

附图说明

图1为本发明中涉水运动副用耐磨聚合物材料海水环境下摩擦系数和摩擦时间关系图，图中曲线1-5分别为实施例1～5中制备的不同组成涉水运动副用抗磨复合材料曲线；

图2为本发明涉水运动副用抗磨聚合物材料海水环境下复合材料比例和磨痕形貌关系图,图中曲线1-5分别为实施例1～5中制备的不同组成的涉水运动副用抗磨复合材料曲线；

图3为本发明实施例1中制备的涉水运动副用聚合物材料海水环境下复合材料的磨痕形貌三维图；

图4为本发明实施例2中制备的涉水运动副用聚合物材料海水环境下复合材料的磨痕形貌三维图；

图5为本发明实施例3中制备的涉水运动副用聚合物材料海水环境下复合材料的磨痕形貌三维图；

图6为本发明实施例4中制备的涉水运动副用聚合物材料海水环境下复合材料的磨痕形貌三维图；

图7为本发明实施例5中制备的涉水运动副用聚合物材料海水环境下复合材料的磨痕形貌三维图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及应用实例，对依据本发明提出的一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料具体实施方式进行详细说明。以下实施例仅用于更清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：称取总重量百分比为0wt.％的ph4sn原料和100wt.％的uhmwpe原料粉末置于研钵中，机械研磨1～2h。之后将粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30mpa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温2～3h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力10～20mpa保压；等温度冷却至100℃，施加压力30～40mpa保压；等温度冷却至90℃，施加压力70～80mpa保压；等温度冷却至80℃，施加压力150～160mpa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模。

实施例2：称取总重量百分比为1wt.％的ph4sn粉末和99wt.％的uhmwpe原料粉末置于研钵中，机械共混1～2h。之后将共混粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30mpa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温2～3h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力10～20mpa保压；等温度冷却至100℃，施加压力30～40mpa保压；等温度冷却至90℃，施加压力70～80mpa保压；等温度冷却至80℃，施加压力150～160mpa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模。

实施例3：称取总重量百分比为2wt.％的ph4sn粉末和98wt.％的uhmwpe原料粉末置于研钵中，机械共混1～2h。之后将共混粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30mpa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温2～3h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力10～20mpa保压；等温度冷却至100℃，施加压力30～40mpa保压；等温度冷却至90℃，施加压力70～80mpa保压；等温度冷却至80℃，施加压力150～160mpa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模。

实施例4：称取总重量百分比为3wt.％的ph4sn粉末和97wt.％的uhmwpe原料粉末置于研钵中，机械共混1～2h。之后将共混粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30mpa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温2～3h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力10～20mpa保压；等温度冷却至100℃，施加压力30～40mpa保压；等温度冷却至90℃，施加压力70～80mpa保压；等温度冷却至80℃，施加压力150～160mpa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模。

实施例5：称取总重量百分比为4wt.％的ph4sn粉末和96wt.％的uhmwpe原料粉末置于研钵中，机械共混1～2h。之后将共混粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30mpa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温2～3h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力10～20mpa保压；等温度冷却至100℃，施加压力30～40mpa保压；等温度冷却至90℃，施加压力70～80mpa保压；等温度冷却至80℃，施加压力150～160mpa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模。

将上述实施例1～5所制备的uhmwpe复合材料试样的摩擦学性能进行对比，所得结果见图1和图2。

海水环境的摩擦学试验是在销-盘摩擦磨损试验机上进行的，运动副的对偶件均为gcr15不锈钢的的球，工作载荷为20n，速度为1.1m/s，旋转半径为21mm时，工作时间为30min的试样摩擦系数和磨损体积。

从图1～7可以看出，实施例1和2的ph4sn/uhmwpe复合材料与uhmwpe试样对比，摩擦系数变化不大和，但磨损体积的变化超50％以上。本发明所制备的改性ph4sn/uhmwpe复合材料含量在称取总重量百分比为1～2wt.％的ph4sn粉料和98～99wt.％的uhmwpe原料粉末范围内在海水环境下具有更优异的耐磨性能。