一种复合材料的制备方法及复合材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种复合材料的制备方法及复合材料。该按质量份配比，该制备方法包括以下步骤：a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，磁力搅拌后超声剥离；b、将100份的UHMWPE加入溶液中，磁力搅拌后超声剥离；c、干燥处理；d、将干燥物研磨粉碎；e、采用平板硫化机在5-10MPa压力下预压10-20min；f、电热风干处理；g、硫化处理并冷却。根据该方法制备的复合材料按质量份配比，包括0.3-0.5份的单层氧化石墨烯及100份的UHMWPE。这种复合材料的制备方法及复合材料，实现了提高UHMWPE的力学性能，提高了其硬度、抗拉性能以及摩擦磨损性能。
【专利说明】一种复合材料的制备方法及复合材料
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料的制备方法及复合材料，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，属于高分子材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene)是一种性能优异的热塑性工程材料，分子量通常150万在以上，比普通的聚乙烯高100倍，因此也叫超高分子量聚乙烯。UHMWPE具有较好的耐磨减磨性能、抗冲击性能、抗拉伸性能以及自润滑性能，广泛的应用于航空航天、国防军工、工业工程、医疗卫生等领域，是现在全球应用量最大的工程塑料之一。但是UHMWPE材料表面硬度低、强度低，因此传统的UHMWPE复合材料，多采用A1203、Si02、蒙脱土、高岭土、碳纳米管等作为填充物，但是这些填充物的力学性能较为一般，还有待进一步的改进提高，因此进一步提高其在力学方面的性能，对工业应用有重大的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术的问题，提供一种复合材料的制备方法，其可提高UHMWPE的力学性能，提高其硬度、抗拉性能以及摩擦磨损性能。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
一种复合材料的制备方法，按质量份配比，包括以下步骤:
a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，磁力搅拌后超声剥离；
b、将100份的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，再次磁力搅拌后超声剥离；
C、将经过步骤b得到的混合物完全干燥处理；
d、将经过步骤c处理后的干燥物研磨粉碎；
e、经过步骤d处理后，采用平板硫化机在5-10MPa压力下预压10_20min；
f、经过步骤e处理后，热风风干处理；
g、硫化处理并冷却。
[0005]进一步地，以上所述的复合材料的制备方法按质量份配比，包括以下步骤:
a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，以150_180r/min的转速磁力搅拌2小时，再将搅拌后的溶液置于超声波清洗机中超声剥离30分钟；
b、将100份的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，以100_120r/min的转速磁力搅拌I小时，然后再置于超声波清洗机中超声剥离15-30分钟；
C、将经过步骤b得到的混合物置于恒温水浴箱中，在60摄氏度下保温至其完全干燥；
d、将经过步骤c处理后的干燥物置于球磨机中，以300-400r/min的转速粉碎2小时；
e、经过步骤d处理后，采用平板硫化机在室温5-10MPa压力下预压10_20min；
f、经过步骤e处理后，置于电热鼓风干燥箱中，风干温度200°C，风干时间2小时；
g、用平板硫化机在10-15MPa室温下热压经过步骤f处理后的材料，直至材料冷却到室温，完成制备。
[0006]进一步地，按质量份配比，所述单层氧化石墨烯采用以下步骤制备:
51:在40°C温度下，向46-92份浓度为98%的浓硫酸溶液中加入5_10份细鳞片石墨和0.75-1.5份高锰酸钾，连续搅拌90min后，反应产物用去离子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保温50-100秒，得到膨胀石墨；
52:在冰浴环境下，向盛有42.3-84.6份浓度为98%的浓硫酸中加入0.5-1份硝酸钠、0.5-1膨胀石墨及1.5-3g高锰酸钾，在35°C下搅拌30min，然后加热升温98°C，加入46份-92份去离子水，搅拌15min，观察到混合物由黑色变为金黄色，用30_60ml的30%过氧化氢溶液中和剩余氧化剂，直至无气泡生成；
53:用5%的稀盐酸溶液和去离子水分别洗涤多次，去除上层溶液得到稳定的分散液，真空干燥后得到所述单层氧化石墨烯。
[0007]进一步地，在步骤S3中，分别采用稀盐酸容易及去离子水洗涤3次。
[0008]进一步地，采用0.4份单层氧化石墨烯。
[0009]同时提供上述制备方法制备的一种复合材料。
[0010]该复合材料按质量份配比，包括0.3-0.5份的单层氧化石墨烯及100份的UHMWPE。
[0011]进一步地，所述单层氧化石墨烯的用量为0.4份。
[0012]本发明所述的复合材料的制备方法，按质量份配比，包括以下步骤:a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，磁力搅拌后超声剥离；b、将100份的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，再次磁力搅拌后超声剥离；c、将经过步骤b得到的混合物完全干燥处理；d、将经过步骤c处理后的干燥物研磨粉碎；e、经过步骤d处理后，采用平板硫化机在5-10MPa压力下预压10-20min ;f、经过步骤e处理后，置于电热鼓风干燥箱中，风干温度200°C，风干时间2小时；g、硫化处理并冷却。根据该方法制备的复合材料按质量份配比，包括0.3-0.5份的单层氧化石墨烯及100份的UHMWPE。这种复合材料的制备方法及复合材料，实现了提高UHMWPE的力学性能，提高了其硬度、抗拉性能以及摩擦磨损性能。
【具体实施方式】
[0013]以下对本发明作进一步详细说明。
[0014]单层氧化石墨烯(Graphene Oxide),以下简称GO,是通过氧化还原反应制备出石墨烯的一种衍生物，它是在单层石墨烯二维结构上连接大量含氧官能团，如羧基、羰基、羟基等，具有较高的弹性模量、抗拉强度等力学性能。
[0015]本发明所述的一种复合材料的制备方法，按质量份配比，包括以下步骤:
a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，磁力搅拌后超声剥离；b、将100份的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，再次磁力搅拌后超声剥离；c、将经过步骤b得到的混合物完全干燥处理；d、将经过步骤c处理后的干燥物研磨粉碎；e、经过步骤d处理后，采用平板硫化机在5-10MPa压力下预压10-20min ;f、经过步骤e处理后，热风风干处理；g、硫化处理并冷却。
[0016]结合以下具体实施例进一步具体说明，实施例一:
本发明实施例一所述的一种复合材料的制备方法，包括以下步骤:
a、将0.3克单层氧化石墨烯加入79克无水乙醇中，以150r/min的转速磁力搅拌2小时，再将搅拌后的溶液置于超声波清洗机中超声剥离30分钟；其中无水乙醇与水的比重按0.79计算，即79ml的无水乙醇；
b、将100克的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，以100r/min的转速磁力搅拌I小时，然后再置于超声波清洗机中超声剥离15分钟；
C、将经过步骤b得到的混合物置于恒温水浴箱中，在60摄氏度下保温至其完全干燥；
d、将经过步骤c处理后的干燥物置于球磨机中，以300r/min的转速粉碎2小时；
e、经过步骤d处理后,采用平板硫化机在5MPa压力下预压1min；
f、经过步骤e处理后，置于电热鼓风干燥箱中，风干温度200°C，风干时间2小时；
g、用平板硫化机在1MPa下热压经过步骤f处理后的材料，直至材料冷却到室温，完成制备。
[0017]本实施例以上所述的单层氧化石墨烯采用以下步骤制备:S1:在40°C温度下，向46克浓度为98%的浓硫酸溶液中加入5克细鳞片石墨和0.75克高锰酸钾，连续搅拌90min后，反应产物用去离子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保温50秒，得到膨胀石墨；其中浓硫酸的密度按1.84g/ml计算，对应25ml浓硫酸；S2:在冰浴环境下，向盛有42.3克浓度为98%的浓硫酸中加入0.5克硝酸钠、0.5克膨胀石墨及1.5克高锰酸钾，在35°C下搅拌30min,然后加热升温98°C，加入46克去离子水，搅拌15min，观察到混合物由黑色变为金黄色,用30ml溶度为30%的过氧化氢溶液中和剩余氧化剂，直至无气泡生成；其中浓硫酸的密度按1.84g/ml计算，对应23ml浓硫酸；S3:用5%的稀盐酸溶液和去离子水分别洗涤多次，去除上层溶液得到稳定的分散液，真空干燥后得到所述单层氧化石墨烯。
[0018]其中，在步骤S3中，分别采用稀盐酸容易及去离子水洗涤3次。
[0019]根据上述制备方法得到的一种复合材料，包括0.3克的单层氧化石墨烯及100克的 UHMWPE。
[0020]实施例二:
本发明实施例二所述的一种复合材料的制备方法，按质量克配比，包括以下步骤:
a、将0.4克单层氧化石墨烯加入79克无水乙醇中，以160r/min的转速磁力搅拌2小时，再将搅拌后的溶液置于超声波清洗机中超声剥离30分钟；其中无水乙醇与水的比重按0.79计算，即79ml的无水乙醇；
b、将100克的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，以110r/min的转速磁力搅拌I小时，然后再置于超声波清洗机中超声剥离20分钟；
C、将经过步骤b得到的混合物置于恒温水浴箱中，在60摄氏度下保温至其完全干燥；
d、将经过步骤c处理后的干燥物置于球磨机中，以350r/min的转速粉碎2小时；
e、经过步骤d处理后,采用平板硫化机在8MPa压力下预压15min；
f、经过步骤e处理后，置于电热鼓风干燥箱中，风干温度200°C，风干时间2小时；
g、用平板硫化机在12MPa下热压经过步骤f处理后的材料，直至材料冷却到室温，完成制备。
[0021]本实施例以上所述的单层氧化石墨烯采用以下步骤制备:
S1:在40°C温度下，向55.2克浓度为98%的浓硫酸溶液中加入8克细鳞片石墨和I克高锰酸钾，连续搅拌90min后，反应产物用去离子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保温80秒，得到膨胀石墨；其中浓硫酸的密度按1.84g/ml计算，对应30ml浓硫酸；S2:在冰浴环境下，向盛有60克浓度为98%的浓硫酸中加入0.75克硝酸钠、0.75克膨胀石墨及2.25克高锰酸钾，在35°C下搅拌30min，然后加热升温98°C，加入70克去离子水，搅拌15min，观察到混合物由黑色变为金黄色，用45ml溶度为30%的过氧化氢溶液中和剩余氧化剂，直至无气泡生成；其中浓硫酸的密度按1.84g/ml计算，对应32.6ml浓硫酸；S3:用5%的稀盐酸溶液和去离子水分别洗涤多次，去除上层溶液得到稳定的分散液，真空干燥后得到所述单层氧化石墨烯。
[0022]在步骤S3中，分别采用稀盐酸容易及去离子水洗涤3次。
[0023]根据以上制备方法得到的一种复合材料，包括0.4克的单层氧化石墨烯及100克的 UHMWPE。
[0024]实施例三:
本发明实施例三所述的一种复合材料的制备方法，按质量克配比，包括以下步骤:
a、将0.5克单层氧化石墨烯加入79克无水乙醇中，以180r/min的转速磁力搅拌2小时，再将搅拌后的溶液置于超声波清洗机中超声剥离30分钟；其中无水乙醇与水的比重按0.79计算，即79ml的无水乙醇；
b、将100克的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，以120r/min的转速磁力搅拌I小时，然后再置于超声波清洗机中超声剥离30分钟；
C、将经过步骤b得到的混合物置于恒温水浴箱中，在60摄氏度下保温至其完全干燥；
d、将经过步骤c处理后的干燥物置于球磨机中，以400r/min的转速粉碎2小时；
e、经过步骤d处理后,采用平板硫化机在1MPa压力下预压20min；
f、经过步骤e处理后，置于电热鼓风干燥箱中，风干温度200°C，风干时间2小时；
g、用平板硫化机在15MPa下热压经过步骤f处理后的材料，直至材料冷却到室温，完成制备。
[0025]本实施例以上所述的单层氧化石墨烯采用以下步骤制备:
S1:在40°C温度下，向92克浓度为98%的浓硫酸溶液中加入10克细鳞片石墨和0.75-1.5克高锰酸钾，连续搅拌90min后，反应产物用去离子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保温100秒,得到膨胀石墨；其中浓硫酸的密度按1.84g/ml计算,对应50ml浓硫酸；S2:在冰浴环境下，向盛有84.6克浓度为98%的浓硫酸中加入I克硝酸钠、I膨胀石墨及3g高锰酸钾，在35°C下搅拌30min，然后加热升温98°C，加入92克去离子水，搅拌15min，观察到混合物由黑色变为金黄色，用60ml溶度为30%的过氧化氢溶液中和剩余氧化剂，直至无气泡生成；其中浓硫酸的密度按1.84g/ml计算，对应46ml浓硫酸；S3:用5%的稀盐酸溶液和去离子水分别洗涤多次，去除上层溶液得到稳定的分散液，真空干燥后得到所述单层氧化石墨烯。
[0026]在步骤S3中，分别采用稀盐酸容易及去离子水洗涤3次。
[0027]根据本实施例以上所述的制备方法得到的复合材料，包括0.5克的单层氧化石墨烯及100克的UHMWPE。
[0028]关于UHMWPE复合材料，A1203、Si02、蒙脱土、高岭土、碳纳米管等填充物的力学性能都无法与GO相比，从而充分利用GO的二维表面结构能达到了提高UHMWPE/G0复合材料的硬度、抗拉性能、摩擦磨损性能的要求。
[0029]以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种复合材料的制备方法，其特征在于，按质量份配比，包括以下步骤:a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，磁力搅拌后超声剥离； b、将100份的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，再次磁力搅拌后超声剥离； C、将经过步骤b得到的混合物完全干燥处理； d、将经过步骤c处理后的干燥物研磨粉碎； e、经过步骤d处理后，采用平板硫化机在5-10MPa压力下预压10_20min； f、经过步骤e处理后，热风风干处理； g、硫化处理并冷却。
2.如权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，按质量份配比，包括以下步骤: a、将0.3-0.5份单层氧化石墨烯加入79份无水乙醇中，以150_180r/min的转速磁力搅拌2小时，再将搅拌后的溶液置于超声波清洗机中超声剥离30分钟； b、将100份的UHMWPE加入经过步骤a得到的溶液中，以100_120r/min的转速磁力搅拌I小时，然后再置于超声波清洗机中超声剥离15-30分钟； C、将经过步骤b得到的混合物置于恒温水浴箱中，在60摄氏度下保温至其完全干燥； d、将经过步骤c处理后的干燥物置于球磨机中，以300-400r/min的转速粉碎2小时；e、经过步骤d处理后，采用平板硫化机在室温5-10MPa压力下预压10_20min； f、经过步骤e处理后，置于电热鼓风干燥箱中，风干温度200°C，风干时间2小时； g、用平板硫化机在10-15MPa室温下热压经过步骤f处理后的材料，直至材料冷却到室温，完成制备。
3.如权利要求2所述的复合材料的制备方法，其特征在于，按质量份配比，所述单层氧化石墨烯采用以下步骤制备:51:在40°C温度下，向46-92份浓度为98%的浓硫酸溶液中加入5_10份细鳞片石墨和0.75-1.5份高锰酸钾，连续搅拌90min后，反应产物用去离子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保温50-100秒，得到膨胀石墨；52:在冰浴环境下，向盛有42.3-84.6份浓度为98%的浓硫酸中加入0.5-1份硝酸钠、0.5-1膨胀石墨及1.5-3g高锰酸钾，在35°C下搅拌30min，然后加热升温98°C，加入46份-92份去离子水，搅拌15min，观察到混合物由黑色变为金黄色，用30-60ml的30%过氧化氢溶液中和剩余氧化剂，直至无气泡生成； 53:用5%的稀盐酸溶液和去离子水分别洗涤多次，去除上层溶液得到稳定的分散液，真空干燥后得到所述单层氧化石墨烯。
4.如权利要求3所述的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，分别采用稀盐酸容易及去离子水洗涤3次。
5.如权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，采用0.4份单层氧化石墨烯。
6.采用如权利要求4所述的复合材料的制备方法制备的复合材料，其特征在于，按质量份配比，包括0.3-0.5份的单层氧化石墨烯及100份的UHMWPE。
7.如权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述单层氧化石墨烯的用量为0.4份。
【文档编号】B29C35/02GK104356481SQ201410622514
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月8日 优先权日:2014年11月8日
【发明者】倪自丰, 赵治安, 陈国美, 黄国栋 申请人:江南大学