本发明专利技术公开一种超高分子量聚乙烯纳米复合材料的制备方法。利用冻胶法制备UHMWPE冻胶成型，涉及大量溶剂的使用和回收，生产成本较高，生产效率低、易污染环境。该方法是首先将超高分子量聚乙烯、生物质纳米晶、抗氧化剂加入溶剂中，先经过溶胀过程，再经过溶解过程，得到超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶；然后将超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶注入双螺杆挤出机中，通过计量泵后经口模或喷丝孔挤出，经萃取、干燥和热牵伸得到超高分子量聚乙烯纳米复合材料。本发明专利技术方法减少了溶剂的使用量，大幅降低UHMWPE复合材料制品的成本，进而通过优化制备工艺，提高制品性能，进一步拓展UHMWPE的应用领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高分子材料加工
，涉及。
技术介绍
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种分子量在百万以上的高分子树脂，它的分子链为线性结构，具有优越的物理机械性能。作为一种高性能工程材料，它拥有超强的拉伸强度和拉伸模量、极低密度、低摩擦系数、强耐磨损性和优秀的抗冲击韧性等优异的性能。随着UHMWPE加工技术的不断发展，特别是管材、纤维、薄膜加工技术的产业化，各种UHMWPE制品得到广泛的应用。但是，UHMWPE的熔体黏度高达IO8 Pa.8，熔融加工难度大，因此通常采用冻胶法加工，即先配制低浓度(5 10%)溶液，形成黏度适合加工的UHMWPE冻胶，然后成型。冻胶法涉及大量溶剂的使用和回收，因而使生产成本居高不下，同时生产效率低、易污染环境。另一方面，为了进一步提闻UHMWPE制品的性能，有文献(如:于俊荣等，闻分子学报，2005; 5(5): 764 ;王依民等，金山油化纤，2005; 24(1):1)报道了将纳米无机填料如纳米二氧化硅、碳纳米管添加到UHMWPE溶液中，希望提高UHMWPE制品的强度、模量等性能。但添加无机填料一般会增大UHMWPE冻胶的黏度，不利于制品的加工成型。相似的报道还有公开号为CN101988221A和CN102383213A的中国专利技术专利申请。其中，公开号为CN101988221A的中国专利技术专利申请公开了一种UHMWPE和纳米无机物复合材料及其高性能纤维制造方法，主要是通过向UHMWPE溶液中加入一种纳米无机物(如凹凸棒土、奈米碳管、海泡石、硅灰石、蒙脱土等无机物)制备透光率近似为零的超高强力纤维的复合材料，增加纤维的强度和模量并解决高卷曲、高蠕变及透光等问题。其中的奈米无机填料均经过改性、接枝反应以及超声波震荡处理，直径范围为IOOnm以下、长度范围IOOOym以下。公开号为CN102383213Α的中国专利技术专利申请公开了一种UHMWPE与生物质纳米晶复合纤维的制备方法，采用表面接枝硬脂酸的生物质纳米晶作为填料，提高UHMWPE纤维的力学性能。以上两件中国专利技术专利申请均未公开纳米填料对UHMWPE冻胶黏度的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纳米复合材料的制备方法。本专利技术方法采用特定直径与长径比且表面羟基含量一定的生物质纳米晶作为填料，对特定分子量的UHMWPE的冻胶产生意想不到的降低黏度作用，在增强UHMWPE制品的同时有利于在其加工成型过程中提高UHMWPE冻胶的浓度，从而减少溶剂的使用量，大幅降低UHMWPE复合材料制品(如管材、纤维、薄膜等)的成本，进一步拓展UHMWPE的应用领域。本专利技术方法的具体步骤是:步骤(I).将超高分子量聚乙烯、生物质纳米晶、抗氧化 剂加入溶剂中，先经过溶胀过程，再经过溶解过程，得到超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶； 超高分子量聚乙烯与溶剂的质量比为I 4:6 ;生物质纳米晶与超高分子量聚乙烯的质量比为0.0Ol 0.01:1 ;抗氧剂与超高分子量聚乙烯的质量比为0.001 0.02:1。所述的超高分子量聚乙烯的分子量为150 450万，其形态为粉末状，粉末的平均粒径为100 500微米、粒径分布宽度为0.5 0.7、堆密度为0.3 0.5 g/cm3。所述的生物质纳米晶为纤维素纳米晶或甲壳素纳米晶，其形态为棒状，平均直径为10 50纳米，平均长径比为20 100，相对羟基含量为2.8 4.2。相对羟基含量的测定方法为:将生物质纳米晶充分干燥，然后进行傅立叶红外光谱(FTIR)分析，在FTIR谱图上采用位于3550 3200^^1处的羟基(O-H)伸缩振动峰的面积Affl与位于2930 2890CHT1处的C-H键的伸缩振动峰的面积Ara之比Ara/Ara表征相对羟基含量。所述的抗氧剂为2，6_ 二叔丁基-4-甲基酚、3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯)丙酸十八烷基酯、亚磷酸三(十二烷基)酯、亚磷酸三(十八烷基)酯、三硫代亚磷酸三(十二烷基)酯、亚磷酸三(2，4_ 二甲基苯)酯或亚磷酸三(2，4_ 二叔丁基苯)酯。所述的溶剂为十氢萘、白油或煤油。步骤(2).将超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶注入双螺杆挤出机中，通过计量泵后经口模或喷丝孔挤出，经萃取、干燥和热牵伸得到超高分子量聚乙烯纳米复合材料。步骤(I )中所述的溶胀过程为在温度Ts下静置2 8小时，Ts = Ts1-Cs ;其中3；为超高分子量聚乙烯的熔点，如果超高分子 量聚乙烯具有多重熔点，则I；为多重熔点中的最高熔点；C、为溶胀温度系数，Cs =10 50°C ;超高分子量聚乙烯的熔点通过差式扫描量热(DSC)法测定。步骤(I)中所述的溶解过程为在温度Td下机械搅拌或超声波振荡2 6小时，Td^Tm+Cd ;其中3；为超高分子量聚乙烯的熔点，如果超高分子量聚乙烯具有多重熔点，则Tm为多重熔点中的最高熔点；Cd为溶解温度系数，Cd =0 40°C ;超高分子量聚乙烯的熔点通过差式扫描量热(DSC)法测定。步骤⑵中所述的挤出温度:ζ= 2；+q ;其中I；为超高分子量聚乙烯的熔点，如果超高分子量聚乙烯具有多重熔点，则；为多重熔点中的最高熔点； 为挤出温度系数， =110 150°C ;超高分子量聚乙烯的熔点通过差式扫描量热(DSC)法测定。步骤(2)中所述的口模或喷丝孔的纵截面至少具有一段沿挤出方向逐渐收缩的形状，使超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶在通过口模或喷丝孔时受到拉伸作用；为了充分实现这种拉伸作用并避免口模或喷丝孔堵塞，口模或喷丝孔纵截面中逐渐收缩的形状优选为双曲线的收缩部分。步骤⑵中所述的挤出速度β与口模或喷丝孔的出口形状及尺寸关系如下: 对于出口形状为矩形的口模:0.2￡.fF2彡β彡IfF2，I为长度、JT为宽度；对于出口形状为环形的口模:0.6￡)Γ2彡β彡3￡)尸，￡)为外圆直径、T为内外半径差； 对于出口形状为圆形的喷丝孔:G.12if <G<0.6d3 , d为直径； 以上的单位为ec /min.’ L、W、D、T、d的单位均为mm ； 步骤(2)中所述的萃取过程为在25 35°C下超声波振荡0.5 1.5小时，所用的萃取剂为碳氢清洗剂(如普罗米公司生产的PRME P103号碳氢清洗剂)。步骤(2)中所述的干燥过程为在25 55°C下鼓风干燥0.5 1.5小时，平均风速为 0.2 0.8m/s。步骤⑵中所述的热牵伸在热箱中进行，总牵伸倍数为10 50倍，分为3 5段进行，热牵伸的牵伸温度逐段升高、牵伸倍数逐段降低；其中，第一段热牵伸的牵伸倍数为总牵伸倍数的40 60 %，第一段热牵伸的热箱温度为80 92°C，最后一段热牵伸的热箱温度为132 144°C。本专利技术方法将生物质纳米晶与超高分子量聚乙烯、抗氧化剂添加至溶剂中制备超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶，通过优选生物质纳米晶的形态和相对羟基含量、超高分子量聚乙烯的分子量及形态、以及纳米晶与超高分子量聚乙烯的比例，在微观上实现纳米晶对超高分子量聚乙烯分子链解缠结和取向的促进作用，使纳米填充冻胶的黏度低于相同条件下的超高分子量聚乙烯冻胶的黏度，十分有利于高浓度(超过14%)超高分子量聚乙烯冻胶的配制和加工成型，从而在增强超高分子量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超高分子量聚乙烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).将超高分子量聚乙烯、生物质纳米晶、抗氧化剂加入溶剂中，先经过溶胀过程，再经过溶解过程，得到超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶；所述的超高分子量聚乙烯的分子量为150～450万，其形态为粉末状，粉末的平均粒径为100～500微米、粒径分布宽度为0.5～0.7、堆密度为0.3～0.5?g/cm3；所述的生物质纳米晶为纤维素纳米晶或甲壳素纳米晶，其形态为棒状，平均直径为10～50纳米，平均长径比为20～100，相对羟基含量为2.8～4.2；所述的抗氧剂为2，6?二叔丁基?4?甲基酚、3?(3，5?二叔丁基?4?羟基苯)丙酸十八烷基酯、亚磷酸三(十二烷基)酯、亚磷酸三(十八烷基)酯、三硫代亚磷酸三(十二烷基)酯、亚磷酸三(2，4?二甲基苯)酯或亚磷酸三(2，4?二叔丁基苯)酯；所述的溶剂为十氢萘、白油或煤油；超高分子量聚乙烯与溶剂的质量比为1～4：6；生物质纳米晶与超高分子量聚乙烯的质量比为0.001～0.01:1；抗氧剂与超高分子量聚乙烯的质量比为0.001～0.02:1；步骤(2).将超高分子量聚乙烯纳米填充冻胶注入双螺杆挤出机中，通过计量泵后经口模或喷丝孔挤出，经萃取、干燥和热牵伸得到超高分子量聚乙烯纳米复合材料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，沈素丹，洪亮，王宗宝，顾群，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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