本發(fā)明屬于高分子材料領域，具體涉及一種C70富勒烯改性耐磨聚乙烯復合材料及其制備方法。
背景技術：
高密度聚乙烯(HDPE)由于其優(yōu)異的性能，正在越來越廣泛的應用于管道行業(yè)。同傳統管材相比，HDPE管道系統具有以下一系列優(yōu)點：連接可靠，低溫抗沖擊性好，抗應力開裂性好，耐化學腐蝕性好，耐老化，使用壽命長等但是，對于礦山、石油、冶金、疏浚工程等涉及到漿體、焦炭粉、礦粉、礦漿等輸送的場合下，HDPE的耐磨性顯得不足，需要使用超高密度聚乙烯(UHMWPE)。但在研究過程中發(fā)現UHMWPE雖然擁有很多其它工程塑料無法達到的一些優(yōu)良性能，但其具有的一些缺點也比較明顯，如其熔副指數(接近于零)極低，熔點高(190-210℃)、粘度大、流動性差而極難加工成型，另外與其它工程塑料相比，具有表面硬度低和熱變形溫度低、彎曲強度和蠕變性能較差、抗磨粒磨損能力差、強度低等缺點，影響了其使用效果和應用范圍。
為了提高HDPE的耐磨性，拓展其在管道行業(yè)，尤其是漿料輸送場合的性能表現，本發(fā)明提供一種C70富勒烯改性耐磨聚乙烯復合材料及其制備方法，該材料耐磨性能夠得到極大的提高，甚至超過UHMWPE的標準，而加工性能、力學性能等基本參數相對未改性HDPE有所改善。
技術實現要素：
本發(fā)明提供一種C70富勒烯改性耐磨聚乙烯復合材料，其特征在于所述復合材料的組成成分按質量份數計包括如下組分：
C70富勒烯1-10份、硅烷偶聯劑1-10份、高密度聚乙烯75-100份、馬來酸酐接枝聚乙烯5-10份、高分子量偶聯劑1-10份、抗氧化劑1-3份、熱穩(wěn)定劑1-3份。
本發(fā)明提供一種C70富勒烯改性耐磨聚乙烯復合材料，其特征在于所述復合材料的組成成分按質量份數計優(yōu)選包括如下組分：
C70富勒烯1-5份、硅烷偶聯劑1-5份、高密度聚乙烯80-90份、馬來酸酐接枝聚乙烯5-6份、高分子量偶聯劑2-8份、抗氧化劑1份、熱穩(wěn)定劑1份。
本發(fā)明所述的硅烷偶聯劑優(yōu)選為KH550、KH791、A-151、A-171中的一種，抗氧化劑優(yōu)選為抗氧劑1076、抗氧劑168或抗氧劑DLTDP中的一種或幾種混合，熱穩(wěn)定劑優(yōu)選為二甲基錫、二辛基錫、四苯基錫中的一種或幾種混合，高分子量偶聯劑優(yōu)選為PE-b-PEO。本發(fā)明使用的PE-b-PEO，其分子量為5000-80000，PDI＝1.02-2.0。
本發(fā)明提供一種C70富勒烯改性耐磨聚乙烯復合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：
(1)將C70富勒烯與硅烷偶聯劑混合，然后用去離子水中超聲分散3-5小時，得混合物a；
(2)將步驟(1)得到的混合物a在7200rpm條件下離心分離，除去上層的去離子水后，置于50℃烘箱中真空條件下除去下層固體中的溶劑至恒重，得到混合物b；
(3)將步驟(2)得到的混合物b與高密度聚乙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯、高分子量偶聯劑、抗氧化劑、熱穩(wěn)定劑，一起加入雙螺桿擠出機，在185-240℃、180-230rpm的條件下熔融共混得到所述富勒烯改性耐磨聚乙烯復合材料。
上述制備方法中各組分的用量與復合材料中各組成成分按質量份數計的量相同，步驟(1)中去離子水的用量為C70富勒烯與硅烷偶聯劑質量和的20-200倍，超聲方式為水浴超聲或探針超聲，超聲溫度為0℃至50℃，頻率為20-40kHz，功率為100-500W。
本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)利用C70富勒烯的籠型結構優(yōu)異的潤滑性能，以及促進HDPE結晶的特性，通過加入C70富勒烯來提高HDPE的耐磨性能和拉伸屈服強度；(2)本發(fā)明通過使用高分子量偶聯劑PE-b-PEO，利用自身PE段與PEO段的極性差異在高極性的C70富勒烯與低極性的HDPE之間形成較強的相互作用，以此提高填料的分散性與產物性能。
具體實施方式
實施例1
1g C70富勒烯與4g偶聯劑KH550混合，在100ml去離子水中超聲分散4小時。將上述混合物在7200rpm條件下離心分離，除去上層的去離子水。在50℃烘箱中真空條件下緩慢除去離心步驟中下層固體產物中的全部溶劑至恒重(TGA測試證實KH550接枝量約為3.6wt％)。將得到的混合物與90g高密度聚乙烯，6g馬來酸酐接枝聚乙烯，2g PE-b-PEO，1g抗氧劑1076與1g熱穩(wěn)定劑(二甲基錫：二辛基錫：四苯基錫＝3：10：7，質量比)，加入雙螺桿擠出機(L/D＝40)，在210℃、200rpm的條件下熔融共混得到產物A。
實施例2
4g C70富勒烯與1g偶聯劑A-151混合，在1000ml去離子水中超聲分散3小時。將上述混合物在7200rpm條件下離心分離，除去上層的去離子水。在50℃烘箱中真空條件下緩慢除去離心步驟中下層固體產物中的全部溶劑至恒重。將得到的混合物與80g高密度聚乙烯，5g馬來酸酐接枝聚乙烯、6g PE-b-PEO，1g抗氧劑168與1g熱穩(wěn)定劑(二甲基錫：二辛基錫＝1：1，質量比)，加入雙螺桿擠出機(L/D＝40)，在185℃、230rpm的條件下熔融共混得到產物B。
實施例3
5g C70富勒烯與5g偶聯劑KH791混合，在200ml去離子水中乳化分散5小時。將上述混合物在7200rpm條件下離心分離，除去上層的去離子水。在50℃烘箱中真空條件下緩慢除去離心步驟中下層固體產物中的全部溶劑至恒重。將得到的混合物與100g高密度聚乙烯，6g馬來酸酐接枝聚乙烯、8g PE-b-PEO，1g抗氧劑DLTDP與1g四苯基錫，加入雙螺桿擠出機(L/D＝40)，在240℃、180rpm的條件下熔融共混得到產物C。
實施例4(實施例1中不加高分子量偶聯劑PE-b-PEO)
1g C70富勒烯與4g偶聯劑KH550混合，在100ml去離子水中超聲分散4小時。將上述混合物在7200rpm條件下離心分離，除去上層的去離子水。在50℃烘箱中真空條件下緩慢除去離心步驟中下層固體產物中的全部溶劑至恒重。將得到的混合物與90g高密度聚乙烯，6g馬來酸酐接枝聚乙烯，1g抗氧劑1076與1g熱穩(wěn)定劑(二甲基錫：二辛基錫：四苯基錫＝3：10：7，質量比)，加入雙螺桿擠出機(L/D＝40)，在210℃、200rpm的條件下熔融共混得到產物D。
實施例5(實施例1中C70富勒烯替換為石墨烯)
1g石墨烯與4g偶聯劑KH550混合，在100ml去離子水中超聲分散4小時。將上述混合物在7200rpm條件下離心分離，除去上層的去離子水。在50℃烘箱中真空條件下緩慢除去離心步驟中下層固體產物中的全部溶劑至恒重。將得到的混合物與90g高密度聚乙烯，6g馬來酸酐接枝聚乙烯，2g PE-b-PEO，1g抗氧劑1076與1g熱穩(wěn)定劑(二甲基錫：二辛基錫：四苯基錫＝3：10：7，質量比)，加入雙螺桿擠出機(L/D＝40)，在210℃、200rpm的條件下熔融共混得到產物E。
本發(fā)明實施例1-5中超聲方式為水浴超聲或探針超聲，超聲溫度為0℃至50℃，頻率為20-40kHz，功率為100-500W。
實施例6
按照現有技術中本領域常用的拉伸屈服強度、熔融指數及磨損率的測試方法對實施例1-5制備得到的產物以及UHMWPE和HDPE進行相關參數測定，結果如下：
產物性能
(磨損率采用MSH型磨損測試儀進行砂漿沖蝕磨損實驗，砂漿為石英砂與水按1:1配置，試樣速度為3.2m/s)
從上述表格可以明顯看出，C70富勒烯的加入能夠顯著降低材料的磨損率，提高耐磨性。比如，對于產物A-C，其磨損率僅約為純HDPE的1/3，比UHMWPE也降低了約25％。同時，相對于未改性HDPE，拉伸屈服強度、熔融指數等關鍵力學性能與加工性能指標在加入C70富勒烯之后也有所提高。
本發(fā)明使用的C70富勒烯相對于其同素異形體——石墨烯而言，對提高HDPE的耐磨性能和拉伸屈服強度等方面有了顯著的提高；同時本發(fā)明通過使用高分子量偶聯劑PE-b-PEO，利用自身PE段與PEO段的極性差異在高極性的C70富勒烯與低極性的HDPE之間形成較強的相互作用，對HDPE的耐磨性能和拉伸屈服強度等方面的改善也起到了關鍵作用。