[发明专利]一种改善超高分子量聚乙烯耐磨性和强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物复合材料及其制备技术，特别涉及一种高性能超高分子量聚乙烯的制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种线型聚合物，分子量通常在100～500万，结晶度在65％～85％，密度0.92～0.96g/cm³。与其他聚合物材料相比，UHMWPE的优点在于它摩擦系数小，磨耗低，耐化学药品性优良，耐冲击、耐压性等。这些优良特性使UHMWPE材料具有十分重要的实用价值。其中摩擦系数小、磨耗低、抗应力开裂性能在UHMWPE应用中最为重要。这些优良性能使其广泛应用于煤炭、军事、体育、建筑、医疗、化工、纺织、造纸、农业等领域。

由于超高分子量聚乙烯分子链很长而且相互缠结，高温流动性极差，对热剪切极不敏感，容易发生剪切断裂或受热发生降解现象。另外，其抗磨粒磨损能力差、强度低等缺点，为了克服UHMWPE的这些缺陷，需要对其物理机械性能和加工性能进行改性。其改性方法分为化学改性和物理改性。其中，物理改性包括添加填料以增强材料各方面性能，可添加的材料有玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、炭黑、碳纳米管等。

碳纳米管自日本科学家发现以来，其独特的结构和物理化学性质受到人们的广泛关注，成为近十几年纳米材料科学中研究的热点之一。碳纳米管不仅具有一般纳米粒子的量子效应，而且还具有比表面积大、机械强度高、电导率高、耐热性好等特点，使其表现出特殊的力学、物理、化学性能，在电子、通信、化工、航空、航天等领域具有广泛的应用前景。近年来，的研究主要集中在表面改性以及复合材料方面。但由于碳纳米管表面相对“惰性”，很难在聚合物中分散，需对其表面进行改性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服目前碳纳米管在超高分子量聚乙烯材料中的添加所存在的相容性、分散性差及高温流动性差的缺点。

为解决这一技术问题，本发明采用的技术方案是：

使用ATRP法(原子转移自由基聚合法)制备相容剂PE-b-M，向超高分子量聚乙烯材料中同时添加上述相容剂PE-b-M、碳纳米管和二氧化硅，在密炼机中加热混匀，得到改性UHMWPE，增强超高分子量聚乙烯的同时提高其耐磨性。

技术方案的具体步骤为：

(1)引发剂PE-Br的制备：

将7.5gPE-OH和50mL二甲苯添加到三口烧瓶中，在油浴锅中70℃下搅拌至PE-OH完全溶解后自然冷却至室温(25℃)，然后搅拌下向其中加入20mL三乙胺；再将7mL的2-溴代异丁酰溴溶于20mL二甲苯并在15min内逐滴滴加至上述三口烧瓶内，滴加完在室温(25℃)下反应24h后提纯得到引发剂PE-Br，

(2)相容剂PE-b-M的制备：

先将反应容器依次抽真空、加热除水、通氮气除氧三次，向上述反应容器中加入催化剂溴化亚铜和络合剂联吡啶，并使其混匀络合，并抽真空、通氮气，再将步骤(1)中制备的引发剂PE-Br溶于苯甲醚、硅烷偶联剂M溶于甲醇后，一并加入上述反应容器，抽真空、通氮气1～3次，75℃下反应10h，提纯后得到相容剂PE-b-M，

作为优选：硅烷偶联剂M：PE-Br：溴化亚铜：联吡啶的物质的量之比为40：1：1：3，M的量可根据所需要的分子量进行调整，

其中，硅烷偶联剂M包括KH570、KH550、A-171、A-151等，

上述原料或试剂(硅烷偶联剂M、PE-Br、联吡啶、溴化亚铜、苯甲醚、甲醇等)使用前需要完全除水、除氧，需在真空干燥箱中于30℃下抽真空干燥24h，并通氮除氧30min；

(3)将步骤(2)中制备的相容剂PE-b-M、处理后的碳纳米管、二氧化硅添加到UHMWPE中，在密炼机中加热混匀，得到改性UHMWPE，

作为优选，碳纳米管可选用多种类型，如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管等，二氧化硅的选用范围也包括微米级、纳米级等；进一步地，采用多壁碳纳米管和纳米级二氧化硅，

其中，处理后的碳纳米管是指：采用混酸氧化法对碳纳米管进行预处理，混酸中浓硫酸与浓硝酸体积比为3：1，预处理时间5min，混酸处理的目的在于：使碳纳米管带上羟基、羧基等官能团，

上述处理后的碳纳米管、二氧化硅和相容剂PE-b-M的总的添加量为1％～10％，进一步地，添加量为3～5％；三者的质量比为10：2：1，

作为优选：在密炼机中的加工温度为190℃，加工时间为5min。