超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术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％。本发明专利技术还提供一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法。本发明专利技术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％。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
超高分子量聚乙烯(Ultra-highmolecularweightpolyethylene,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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％。本专利技术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。本专利技术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％。本专利技术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。本专利技术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。附图说明本专利技术的上述和/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是本专利技术实施例2中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。图2是本专利技术实施例3中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。图3是本专利技术实施例4中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。图4是本专利技术实施例5中制备的超高分子量聚乙烯复合材料的SEM图。图5是本专利技术实施例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。具体实施方式本专利技术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。在本专利技术的一种实施例中，所述复合材料中石墨烯的质量百分含量为0.5％。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，所述复合材料的磨损率为3.5～8×1015/m3n-1m-1。在本专利技术的一种实施例中，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％。本专利技术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。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，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。在本专利技术的一种实施例中，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。本专利技术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。在本专利技术的一种实施例中，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。本专利技术采用变速滚筒工艺，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。实施例为让本专利技术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，本专利技术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/石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
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％。

【技术特征摘要】
1.一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％。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，磨损率为3.5～8×1015/m3n-1m-1。5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，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％。6.一种制备权利要求1所述的复合材料的方法，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。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，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15-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鸿达，郑心纬，褚晓东，陈威，游从辉，贺艳兵，吕伟，李宝华，杨全红，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44