本發(fā)明屬于材料制備領域，尤其涉及一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法。
背景技術：
超高分子量聚乙烯UHMWPE是一種線性的分子量很大的聚合物，沒有支鏈，幾乎不含不飽和基團，也不含活性基團，所以UHMWPE可以在低溫條件下使用，有資料顯示，在-196℃液氮環(huán)境下UHMWPE還表現(xiàn)出了良好的拉伸強度和沖擊強度；同時因為這種高度線性的結構，UHMWPE 也表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐腐蝕性，對于大部分的酸堿鹽都不被腐蝕，只有在高溫下才微溶于某些有機溶劑。
工程塑料具有很多優(yōu)異的物理和化學性能，包括抗拉強度、高的韌性、低摩擦系數(shù)和耐化學腐蝕性等等，而這些性能都是很多金屬所不具備的，因此工程塑料在很多領域里可以用來代替金屬的作用，而超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種新型工程材料，所以其具有非常廣泛的應用價值和研究前景。UHMWPE的耐磨性是塑料之首，耐磨性比鋼鐵高7-8倍，沖擊強度更是比PC高2倍，比ABS高出4倍，比POM高14倍；而且具有其他材料無可比擬的消音性、耐化學腐蝕、耐低溫和摩擦系數(shù)低的性能，在生物、信息、化工、醫(yī)學、電子、紡織機械等領域得到廣泛的應用。但是UHMWPE 也具有一些缺點，比如抗磨粒磨損性能不夠好，表面硬度偏低和抗蠕變能力弱等等，因此，對UHMWPE 進行性能改性使其更好的應用于實際生產(chǎn)中是非常必要。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在解決上述問題，提供一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法。
本發(fā)明的技術方案為：
一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：
（1）稱取干燥好的UHMWPE 在恒溫磁力攪拌機上邊加熱邊攪拌，加入交聯(lián)劑，交聯(lián)劑用無水乙醇稀釋，加熱溫度為60℃，待無水乙醇蒸發(fā)完全后停止加熱，備用；
（2）稱取15-20g 步驟（1）混好的料裝入磨具中，進行預壓，壓力為6MPa，保壓時間為60s；
（3）將預壓好的磨具放入熱爐中進行加熱，待溫度為135℃后，在此溫度下保溫20min；20min后再次對其進行壓制，此次壓力為12MPa，保壓時間為5min；
（4）隨后再次將磨具放入熱爐中加熱，在205℃保溫30min；
（5）最后在對其進行最后12MPa壓力寫壓制，然后脫模完成制備。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述UHMWPE的干燥溫度為90℃，干燥時間為12h。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述交聯(lián)劑為硅烷交聯(lián)劑。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述脫模后放在95℃的水浴中加熱24h。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述保壓時間5min。
本發(fā)明的技術效果在于：
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，采用交聯(lián)劑和納米粒子協(xié)同改性UHMWPE，制備出耐磨性性能優(yōu)異的復合材料，且本發(fā)明所述制備方法工藝簡單易于操作，適于推廣應用。
具體實施方式
實施例1
一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：
（1）稱取干燥好的UHMWPE 在恒溫磁力攪拌機上邊加熱邊攪拌，加入交聯(lián)劑，交聯(lián)劑用無水乙醇稀釋，加熱溫度為60℃，待無水乙醇蒸發(fā)完全后停止加熱，備用；
（2）稱取15-20g 步驟（1）混好的料裝入磨具中，進行預壓，壓力為6MPa，保壓時間為60s；
（3）將預壓好的磨具放入熱爐中進行加熱，待溫度為135℃后，在此溫度下保溫20min；20min后再次對其進行壓制，此次壓力為12MPa，保壓時間為5min；
（4）隨后再次將磨具放入熱爐中加熱，在205℃保溫30min；
（5）最后在對其進行最后12MPa壓力寫壓制，然后脫模完成制備。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述UHMWPE的干燥溫度為90℃，干燥時間為12h。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述交聯(lián)劑為硅烷交聯(lián)劑。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述脫模后放在95℃的水浴中加熱24h。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，所述保壓時間5min。UHMWPE 復合材料的尺寸為80mm×10mm ×5mm，對偶件材質為GGr15 鋼球，直徑為5mm，測試在室溫下相對濕度為(60±3)%的條件下進行，實驗單位面積上的壓力為10MPa，往復距離為5mm，測試持續(xù)2個小時。實驗前先用酒精將試件表面和對偶件擦拭干凈，目的是出去雜質和油質，待晾干稱其重量m0 后再進行實驗，實驗結束后再進行稱量m1，隨著滑動速度的增加，UHMWPE及DTBP 交聯(lián)的UHMWPE材料的摩擦系數(shù)也逐漸增大；摩擦系數(shù)增加的主要原因是，隨著滑動速度的增加，會使表面摩擦熱增加、溫度升高，而在一定范圍內，摩擦系數(shù)會隨著溫度的升高而增加，從而也造成磨損量的增加。不論是否經(jīng)過交聯(lián)劑DTBP 的交聯(lián)改性，材料的摩擦系數(shù)對速度的改變都是比較敏感，特別是滑動速度從75r/min 改變到105r/min 時，材料的摩擦系數(shù)發(fā)生了較大的變化。但是隨著交聯(lián)劑用量的增加，滑動速度對摩擦系數(shù)的敏感性減小，速度為35r/min 時，當DTBP 含量大于0.2%時，摩擦系數(shù)逐漸變大，而且漲幅較大；速度為70r/min 時，當DTBP含量大于0.2%時，雖然摩擦系數(shù)逐漸增大，但是增大幅度卻不是很明顯；而速度為105r/min時，DTBP含量大于0.4%時，摩擦系數(shù)甚至呈減小的趨勢。這說明，經(jīng)過DTBP改性的UHMWPE與純UHMWPE相比，雖然兩者的摩擦系數(shù)都隨滑動速度的增大而增大，但是DTBP 改性的UHMWPE 對滑動速度的敏感度終究比純UHMWPE 的小。
UHMWPE 及DTBP 交聯(lián)的UHMWPE 材料的比磨損率都隨著滑動速度的增大而增加，進一步說明材料的耐磨性隨速度的增大而減??；對于在不同的滑動速度下，材料的比磨損率均呈先減小后增大的趨勢，且均是當DTBP 含量為0.4%-0.45%時，材料的比磨損率最低，耐磨性最佳；從整體來看，當速度為（35r/min、75r/min）時，比磨損率變化幅度大，及材料的耐磨性變化幅度大，但當速度進一步增大時，材料的耐磨性變化幅度反而減小。由此可以得出，不論在何種速度條件下，UHMWPE 經(jīng)過DTBP 化學交聯(lián)改性后聚合物的耐磨性得到提高。
當DTBP 含量為0.2%-0.3%時，改性的UHMWPE 的摩擦系數(shù)最??；當DTBP 含量為0.4%-0.45%時，改性的UHMWPE 的比磨損率最小。所以，用DTBP 改性UHMWPE 存在一個最佳的范圍，當DTBP 用量在0.2%-0.45%之間時，UHMWPE 的摩擦系數(shù)最小，耐磨性最佳。，與DTBP 一樣，在不同的滑動速度下，交聯(lián)的UHMWPE 的摩擦系數(shù)也隨滑動速度的增大而增大；無論在何種條件下，UHMWPE 的摩擦系數(shù)隨交聯(lián)劑A-151 含量的增大均呈先減小后增大的趨勢；從整體來看，A-151 交聯(lián)改性的摩擦系數(shù)對滑動速度的敏感性并不大，無論是低速還是高速當A-151 用量大于0.2%時，材料的摩擦系數(shù)隨交聯(lián)劑用量的增大變化并不是很大，這一點與用DTBP 改性UHMWPE 不一樣。
不同的滑動方式下，UHMWPE 的摩擦系數(shù)隨交聯(lián)劑用量變化而變化的趨勢是相同的，即隨著交聯(lián)劑用量的增加，摩擦系數(shù)呈先減小后增大的趨勢。以往復摩擦條件下為例，當DTBP和A-151 的用量均為0.25%左右時，材料的摩擦系數(shù)達到最小，分別約為0.14 和0.105，比純UHMWPE 降低了約26.3%和44.9%；當交聯(lián)劑用量大于0.25%后，摩擦系數(shù)均隨交聯(lián)劑用量的增大而逐漸增大，但是都比純UHMWPE 的摩擦系數(shù)小。這是由于對于純UHMWPE 來說，在低速對磨條件下，未交聯(lián)的UHMWPE 在摩擦過程中容易脫落且黏著在對偶件上，造成結果是UHMWPE 和脫落層的對磨，摩擦系數(shù)較大；而經(jīng)化學交聯(lián)的UHMWPE 抗黏著能力強，減小了摩擦過程中的黏著量，從而降低了摩擦系數(shù)。
同摩擦系數(shù)一樣，不同的滑動方式下，UHMWPE 的比磨損率隨交聯(lián)劑用量變化而變化的趨勢是相同的，即隨著交聯(lián)劑用量的增加，比磨損率呈先減小后增大的趨勢，且化學交聯(lián)的UHMWPE 的比磨損率都比純UHMWPE 都要低，說明用交聯(lián)劑對UHMWPE 進行化學交聯(lián)能明顯改善UHMWPE 的耐磨性。
同樣與往復摩擦為例，其中，對兩種交聯(lián)劑而言，當用量小于0.45%時，超高分子量聚乙烯的比磨損率均隨交聯(lián)劑用量的增加而減小，而當用量大于0.45%后，UHMWPE 的耐磨性則均隨交聯(lián)劑用量的增加而變差；用0.4%-0.45%的DTBP 和A-151 化學交聯(lián)UHMWPE 的耐磨性最好，經(jīng)過交聯(lián)后，材料的比磨損率分別降低了約60.9%和82.04%，可以得出用0.4%-0.45%A-151 化學交聯(lián)改性UHMWPE 的耐磨性最優(yōu)。這是因為，在摩擦過程中，純UHMWPE 在外力作用下，分子鏈由于結合力較弱而發(fā)生滑移，由于不斷的摩擦，分子不斷的受力，導致了基體材料的脫落形成轉移膜并轉移到對偶件上，這樣就形成了超高分子量聚乙烯和轉移膜間的摩擦行為，隨著摩擦的進行，轉移膜的量會逐漸增多，材料的磨損量的增大；而適度交聯(lián)后的UHMWPE 由于交聯(lián)作用，UHMWPE 分子鏈間的結合力比未交聯(lián)UHMWPE 的大，不易形成滑移，摩擦過程UHMWPE 的脫落不明顯，形成轉移膜的量也較小，整個摩擦過程主要是對偶件與UHMWPE 間的摩擦，沒有明顯的UHMWPE 和轉移膜間的摩擦行為，所以材料的磨損量較小。交聯(lián)劑用量大于0.45%后比磨損率增大可能是由于超過了適度的交聯(lián)范圍造成了部分過度交聯(lián)引起的。同樣的，硅烷交聯(lián)劑A-151 對UHMWPE 的耐磨改性效果優(yōu)于過氧化交聯(lián)劑DTBP。
交聯(lián)后聚合物表現(xiàn)為以疲勞磨損為主并有輕微的磨粒磨損。這和聚合物的交聯(lián)有關，交聯(lián)后基體材料不易脫落，摩擦過程始終是對偶件和UHMWPE 的摩擦，因此犁溝現(xiàn)象幾乎不會出現(xiàn)；化學交聯(lián)后UHMWPE 由原來的磨粒磨損為主變成了后來的疲勞磨損為主，所以耐磨性得到了提高。
用DTBP 化學交聯(lián)UHMWPE 的抗拉強度都比純UHMWPE 有小幅度的提高，當DTBP 的用量為0.6%時，UHMWPE 為21.8MPa，比純UHMWPE 提高12%；而用A-151 化學交聯(lián)UHMWPE，當A-151 含量為0.6%和0.8%時，交聯(lián)UHMWPE 的抗拉強度較純UHMWPE 有小幅度降低，分別為18.9MPa 和18.7MPa。表明對于改善UHMWPE 的抗拉強度來說，用過氧化交聯(lián)劑DTBP 化學交聯(lián)UHMWPE 比硅烷交聯(lián)劑A-151 化學交聯(lián)UHMWPE 的效果好。UHMWPE 的力學性能主要是由UHMWPE的內部結構決定的，經(jīng)過化學交聯(lián)后UHMWPE 的抗拉強度沒有顯著改變可能是由于化學交聯(lián)后UHMWPE 的結構沒有被破壞，或是只有小部分被破壞，所以保持了材料原有的抗拉強度。，UHMWPE 凝膠含量與交聯(lián)劑用量呈線性關系，說明交聯(lián)度是隨著交聯(lián)劑比重的加大而提高的的。這是因為，交聯(lián)度即是發(fā)生交聯(lián)的分子鏈的程度，顯然，交聯(lián)劑增多后，反應中的活性基團自然增加，這樣造成了更多的分子鏈形成游離態(tài)參與交聯(lián)反應。但是UHMWPE 的摩擦系數(shù)和耐磨性并不與交聯(lián)度呈線性關系，這說明耐磨性是在適當?shù)慕宦?lián)度范圍內達到最佳值，并不是簡單地交聯(lián)度越大，耐磨性越好。