本發(fā)明涉及高分子材料領(lǐng)域，特別是一種超高分子聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)是一種線型的高分子聚合物，其分子量通常在1×10⁶g/mol以上。極大的分子量導(dǎo)致分子間強(qiáng)烈的互相纏繞，帶來優(yōu)良的力學(xué)性能，使得其具備良好的潤滑性能、耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕等性能。但與其他工程塑料相比，它的抗摩擦磨損能力差，從而影響了其使用效果和應(yīng)用范圍，目前通常采用添加填料使UHMWPE成為復(fù)合材料來改善其性能。

在以UHMWPE為基體制備復(fù)合材料時(shí)，一般是通過將UHMWPE、填料和加工助劑混合，經(jīng)過熱壓成型形成復(fù)合材料。該制備過程中涉及添加較多的加工助劑，生產(chǎn)加工成本較高，制備過程復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種耐磨性能好、制備工藝簡單的超高分子聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明一方面提供一種超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，其包括由石墨烯與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合得到的產(chǎn)物；其中，所述復(fù)合材料中石墨烯的質(zhì)量百分含量為0.1-0.5％。

本發(fā)明另一方面提供一種制備上述復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：將石墨烯與超高分子量聚乙烯混合后在高速氣流沖擊下復(fù)合，得到復(fù)合材料。

本發(fā)明的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐摩擦磨損性能，相比純的超高分子量聚乙烯材料，磨損率降低了55％，摩擦系數(shù)降低了22.1％。本發(fā)明的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法，采用高速氣流沖擊式顆粒復(fù)合系統(tǒng)制備，該系統(tǒng)利用高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流來帶動(dòng)顆粒做高速運(yùn)動(dòng)，使得顆粒表面活化，可以在短時(shí)間使得石墨烯包裹超高分子量聚乙烯顆粒，從而形成耐磨損性能優(yōu)良的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法無需采用有機(jī)溶劑，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，也無需添加任何的加工助劑，工藝簡單，成本低。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例2中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例3中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例4中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例5中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例6中制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖。

圖6是實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料摩擦系數(shù)曲線圖。

圖7是實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料磨損率曲線圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，其包括由石墨烯與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合得到的產(chǎn)物；其中，所述復(fù)合材料中石墨烯的質(zhì)量百分含量為0.1-0.5％。

石墨烯具有良好的機(jī)械性能和自潤滑性能，將石墨烯用來對(duì)超高分子量聚乙烯進(jìn)行填充改性，其包裹在超高分子量聚乙烯顆粒的表面能阻礙、改變和反射磨損產(chǎn)生的微裂紋的擴(kuò)展，從而有效地減緩聚合物磨削的形成，并減小聚合物磨削的尺寸。同時(shí)石墨烯所特有的層間結(jié)構(gòu)容易發(fā)生剪切從而形成具有潤滑和保護(hù)作用的轉(zhuǎn)移膜層，進(jìn)一步較少磨損。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料中石墨烯的質(zhì)量百分含量為0.5％。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述超高分子量聚乙烯的分子量為2～3×10⁶，平均粒徑為30～150μm。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述在高速氣流沖擊下復(fù)合為將石墨烯與超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的轉(zhuǎn)速下復(fù)合。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料的磨損率為3.5～8×10¹⁵/m³n^-1m^-1。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料還包括碳納米管或碳納米管與石墨烯的混合物與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合得到的產(chǎn)物，其中所述復(fù)合材料中碳納米管的質(zhì)量百分含量為0.1-0.5％。

本發(fā)明另一方面還提供一種制備上述復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：將石墨烯與超高分子量聚乙烯混合后在高速氣流沖擊下復(fù)合，得到復(fù)合材料。

高速氣流沖擊方法，是一種采用干式、機(jī)械的方法對(duì)微顆粒進(jìn)行復(fù)合處理的方法，該方法利用高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流來帶動(dòng)顆粒作高速運(yùn)動(dòng)，顆粒在沖擊、剪切作用下，輸入能量富基于顆粒表面，從而使得顆粒表面活化。填料顆粒粘附于超高分子量聚乙烯顆粒的表面，可以在短時(shí)間內(nèi)均勻地完成包裹，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)顆粒粒徑的均勻化和顆粒形狀的球形化。

氣流沖擊復(fù)合方式分散的石墨烯在復(fù)合材料中分散性好，分布密度高，團(tuán)聚尺寸小，能夠起到很好的減磨作用。

并且，氣流沖擊復(fù)合方式分散的石墨烯更傾向于分布在UHMWPE顆粒表面纖維拉絲處，這是因?yàn)樵跉饬鳑_擊機(jī)械力作用下UHMWPE顆粒表面和石墨烯表面都具有更高的活性，更容易在表面積大的位置結(jié)合起來。石墨烯在這些地方的團(tuán)聚，使UHMWPE顆粒間結(jié)合更緊密，復(fù)合材料強(qiáng)度更高，摩擦?xí)r的真實(shí)接觸面積更小，因此摩擦系數(shù)降低。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述在高速氣流沖擊下復(fù)合為將石墨烯與超高分子量聚乙烯在3000-4000r/min的轉(zhuǎn)速下，處理15-20min。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述石墨烯與超高分子量聚乙烯混合的比例為0.1～0.5:99.5～99.9。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，將石墨烯與碳納米管混合后，將混合物與超高分子量聚乙烯在高速氣流沖擊下復(fù)合，碳納米管與超高分子量聚乙烯的比例為0.1～0.5:99.5～99.9。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述制備的復(fù)合材料進(jìn)一步包括：將復(fù)合材料采用模壓成型，得到復(fù)合材料片材。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述模壓成型所采用的壓力為15～20MPa，加壓同時(shí)升溫至150～180℃，恒溫30-40min，冷卻后得到復(fù)合材料片材。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述模壓成型還包括將復(fù)合材料置于斜面模具中，在熱壓機(jī)下以15～20Mpa的壓力，在150～180℃熱壓30Min，自然冷卻后得到復(fù)合材料片材，其中，所述形成的復(fù)合材料其中一表面沿著統(tǒng)一的方向傾斜或平行于表面，另一表面傾斜方向剛好相反。本發(fā)明通過熱壓工藝制備得到單面單向摩擦系數(shù)更低的復(fù)合材料。該方法制備的復(fù)合材料，所有裸露在表面的石墨烯具有相對(duì)該表面一致的傾向性，可使石墨烯在復(fù)合材料表面有效增強(qiáng)耐磨性同時(shí)降低了摩擦系數(shù)。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述復(fù)合材料進(jìn)一步置于熱滾機(jī)中，在180℃下通過熱滾機(jī)，得到復(fù)合材料片材，其中，上滾筒轉(zhuǎn)速為40r/min，下滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min。本發(fā)明采用變速滾筒工藝，制備得到厚度更薄、石墨烯沿板材表面取向度更高的復(fù)合材料，所制備的復(fù)合材料具有更低的摩擦系數(shù)。

實(shí)施例

為讓本發(fā)明的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，作詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。

實(shí)施例1

將超高分子量聚乙烯粉末在180℃、15MPa下，熱壓30min，得到純超高分子量聚乙烯材料。

實(shí)施例2

稱量0.1g石墨烯粉末與99.9g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理20min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料在180℃、15MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例3

稱量0.2g石墨烯粉末與99.8g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在4000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料在150℃、20MPa下，熱壓40min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例4

稱量0.3g石墨烯粉末與99.7g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在4000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料在160℃、19MPa下，熱壓40min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例5

稱量0.4g石墨烯粉末與99.6g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理20min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料在170℃、18MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例6

稱量0.5g石墨烯粉末與99.5g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料在150℃、17MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例7

稱量0.2g石墨烯粉末及0.3g碳納米管粉末，與99.5g超高分子量聚乙烯加入高速氣流沖擊復(fù)合裝置，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行復(fù)合處理15min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料；將超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料在150℃、17MPa下，熱壓30min，得到超高分子量聚乙烯/石墨烯-碳納米管復(fù)合材料。

實(shí)施例8

將通過高速氣流沖擊復(fù)合方法制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料置于內(nèi)徑為25mm的斜面模具中，在熱壓機(jī)下以15～20MPa的壓力，150～180℃下熱壓30min，自然冷卻后得到復(fù)合材料片材。其中，形成的復(fù)合材料其中一表面沿著統(tǒng)一的方向傾斜或平行于表面，另一表面傾斜方向剛好相反。

實(shí)施例9

將通過高速氣流沖擊復(fù)合方法制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料在120攝氏度的溫度下預(yù)熱20min，將熱滾機(jī)加熱至180攝氏度，其中，上滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)至40r/min，下滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min。將預(yù)熱好的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料經(jīng)過熱滾機(jī)，得到復(fù)合材料片材，自然冷卻成型。

實(shí)施例10

將上述實(shí)施例1-6制備的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試。

電鏡形貌檢測(cè)結(jié)果參見圖1-5，超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的SEM圖，圖1-5分別代表石墨烯含量為0.1％、0.2％、0.3％、0.4％和0.5％。從圖中可以看出，石墨烯大部分分布在高分子量聚乙烯顆粒表面纖維拉絲處。這是因?yàn)樵诟咚贇饬鳑_擊下高分子量聚乙烯顆粒表面和石墨烯表面都具有更高的活性，更容易在表面積大的位置結(jié)合起來。而超聲方式不能有效分散石墨烯，其原因可能是在溶液揮發(fā)的干燥過程中石墨烯又再次發(fā)生了團(tuán)聚，而高速氣流沖擊則不存在這個(gè)問題。

采用氣流沖擊復(fù)合方式分散的石墨烯較超聲分散的石墨烯分散性更好，在復(fù)合材料中分布密度更高，因此抗摩擦性能更好。而超聲分散的石墨烯分散性差，團(tuán)聚尺寸大，摩擦表面或表層的石墨烯分布密度低，不能起到很好的減磨作用。

摩擦性能測(cè)試采用摩擦磨損測(cè)試儀(HSR-2M)測(cè)試復(fù)合材料的磨損性能。通過測(cè)試儀測(cè)量出的摩擦系數(shù)，采用如下公式計(jì)算復(fù)合材料的磨損率。

磨損率計(jì)算公式為：

式中K(mm³N^-1m^-1)為材料磨損率，S為磨損區(qū)域橫截面積，L為磨損區(qū)域長度，F(xiàn)為施加的載荷，D為總磨損距離。

結(jié)果參見圖6，從圖6的摩擦系數(shù)曲線可以看出，本發(fā)明超高分子量聚乙烯復(fù)合材料隨著石墨烯含量的增加，摩擦系數(shù)逐漸下降。當(dāng)石墨烯的含量為0.5％時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)相比純超高分子量聚乙烯降低了22.1％。石墨烯因?yàn)槠洫?dú)特的層間結(jié)構(gòu)，受剪切作用時(shí)層間易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在摩擦表面形成具有自潤滑和高結(jié)合特性的連續(xù)轉(zhuǎn)移膜，能有效降低摩擦阻力。

結(jié)果參見圖7，從圖7的磨損率曲線可以看出，當(dāng)石墨烯的含量為0.5％時(shí)，磨損率相比純超高分子量聚乙烯降低了55％。這是因?yàn)?，填充石墨烯后，一方面?fù)合材料力學(xué)性能增強(qiáng)，另一方面石墨烯能有效阻礙裂紋形成和擴(kuò)散，減緩磨削效果，并減小磨削尺寸，起到降低磨損率的作用。另外使用常規(guī)超聲分散制備的復(fù)合材料磨損率與純超高分子量聚乙烯相比幾乎沒有變化，而使用氣流沖擊復(fù)合制備的復(fù)合材料磨損率則大大降低。

上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案所做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。