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CN106883496A - 一种c70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种c70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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左志芳
束影
殷明
陈晓苏
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Yangzhou Polytechnic Institute
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Abstract

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料及其制备方法。本发明提供一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料，其特征在于所述复合材料的组成成分按质量份数计包括如下组分：C70富勒烯1‑10份、硅烷偶联剂1‑10份、高密度聚乙烯75‑100份、马来酸酐接枝聚乙烯5‑10份、高分子量偶联剂1‑10份、抗氧化剂1‑3份、热稳定剂1‑3份。

Description

一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
高密度聚乙烯(HDPE)由于其优异的性能，正在越来越广泛的应用于管道行业。同传统管材相比，HDPE管道系统具有以下一系列优点：连接可靠，低温抗冲击性好，抗应力开裂性好，耐化学腐蚀性好，耐老化，使用寿命长等但是，对于矿山、石油、冶金、疏浚工程等涉及到浆体、焦炭粉、矿粉、矿浆等输送的场合下，HDPE的耐磨性显得不足，需要使用超高密度聚乙烯(UHMWPE)。但在研究过程中发现UHMWPE虽然拥有很多其它工程塑料无法达到的一些优良性能，但其具有的一些缺点也比较明显，如其熔副指数(接近于零)极低，熔点高(190-210℃)、粘度大、流动性差而极难加工成型，另外与其它工程塑料相比，具有表面硬度低和热变形温度低、弯曲强度和蠕变性能较差、抗磨粒磨损能力差、强度低等缺点，影响了其使用效果和应用范围。
为了提高HDPE的耐磨性，拓展其在管道行业，尤其是浆料输送场合的性能表现，本发明提供一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料及其制备方法，该材料耐磨性能够得到极大的提高，甚至超过UHMWPE的标准，而加工性能、力学性能等基本参数相对未改性HDPE有所改善。
发明内容
本发明提供一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料，其特征在于所述复合材料的组成成分按质量份数计包括如下组分：
C70富勒烯1-10份、硅烷偶联剂1-10份、高密度聚乙烯75-100份、马来酸酐接枝聚乙烯5-10份、高分子量偶联剂1-10份、抗氧化剂1-3份、热稳定剂1-3份。
本发明提供一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料，其特征在于所述复合材料的组成成分按质量份数计优选包括如下组分：
C70富勒烯1-5份、硅烷偶联剂1-5份、高密度聚乙烯80-90份、马来酸酐接枝聚乙烯5-6份、高分子量偶联剂2-8份、抗氧化剂1份、热稳定剂1份。
本发明所述的硅烷偶联剂优选为KH550、KH791、A-151、A-171中的一种，抗氧化剂优选为抗氧剂1076、抗氧剂168或抗氧剂DLTDP中的一种或几种混合，热稳定剂优选为二甲基锡、二辛基锡、四苯基锡中的一种或几种混合，高分子量偶联剂优选为PE-b-PEO。本发明使用的PE-b-PEO，其分子量为5000-80000，PDI＝1.02-2.0。
本发明提供一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将C70富勒烯与硅烷偶联剂混合，然后用去离子水中超声分散3-5小时，得混合物a；
(2)将步骤(1)得到的混合物a在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水后，置于50℃烘箱中真空条件下除去下层固体中的溶剂至恒重，得到混合物b；
(3)将步骤(2)得到的混合物b与高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、高分子量偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂，一起加入双螺杆挤出机，在185-240℃、180-230rpm的条件下熔融共混得到所述富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料。
上述制备方法中各组分的用量与复合材料中各组成成分按质量份数计的量相同，步骤(1)中去离子水的用量为C70富勒烯与硅烷偶联剂质量和的20-200倍，超声方式为水浴超声或探针超声，超声温度为0℃至50℃，频率为20-40kHz，功率为100-500W。
本发明的优点在于：(1)利用C70富勒烯的笼型结构优异的润滑性能，以及促进HDPE结晶的特性，通过加入C70富勒烯来提高HDPE的耐磨性能和拉伸屈服强度；(2)本发明通过使用高分子量偶联剂PE-b-PEO，利用自身PE段与PEO段的极性差异在高极性的C70富勒烯与低极性的HDPE之间形成较强的相互作用，以此提高填料的分散性与产物性能。
具体实施方式
实施例1
1g C70富勒烯与4g偶联剂KH550混合，在100ml去离子水中超声分散4小时。将上述混合物在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水。在50℃烘箱中真空条件下缓慢除去离心步骤中下层固体产物中的全部溶剂至恒重(TGA测试证实KH550接枝量约为3.6wt％)。将得到的混合物与90g高密度聚乙烯，6g马来酸酐接枝聚乙烯，2g PE-b-PEO，1g抗氧剂1076与1g热稳定剂(二甲基锡：二辛基锡：四苯基锡＝3：10：7，质量比)，加入双螺杆挤出机(L/D＝40)，在210℃、200rpm的条件下熔融共混得到产物A。
实施例2
4g C70富勒烯与1g偶联剂A-151混合，在1000ml去离子水中超声分散3小时。将上述混合物在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水。在50℃烘箱中真空条件下缓慢除去离心步骤中下层固体产物中的全部溶剂至恒重。将得到的混合物与80g高密度聚乙烯，5g马来酸酐接枝聚乙烯、6g PE-b-PEO，1g抗氧剂168与1g热稳定剂(二甲基锡：二辛基锡＝1：1，质量比)，加入双螺杆挤出机(L/D＝40)，在185℃、230rpm的条件下熔融共混得到产物B。
实施例3
5g C70富勒烯与5g偶联剂KH791混合，在200ml去离子水中乳化分散5小时。将上述混合物在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水。在50℃烘箱中真空条件下缓慢除去离心步骤中下层固体产物中的全部溶剂至恒重。将得到的混合物与100g高密度聚乙烯，6g马来酸酐接枝聚乙烯、8g PE-b-PEO，1g抗氧剂DLTDP与1g四苯基锡，加入双螺杆挤出机(L/D＝40)，在240℃、180rpm的条件下熔融共混得到产物C。
实施例4(实施例1中不加高分子量偶联剂PE-b-PEO)
1g C70富勒烯与4g偶联剂KH550混合，在100ml去离子水中超声分散4小时。将上述混合物在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水。在50℃烘箱中真空条件下缓慢除去离心步骤中下层固体产物中的全部溶剂至恒重。将得到的混合物与90g高密度聚乙烯，6g马来酸酐接枝聚乙烯，1g抗氧剂1076与1g热稳定剂(二甲基锡：二辛基锡：四苯基锡＝3：10：7，质量比)，加入双螺杆挤出机(L/D＝40)，在210℃、200rpm的条件下熔融共混得到产物D。
实施例5(实施例1中C70富勒烯替换为石墨烯)
1g石墨烯与4g偶联剂KH550混合，在100ml去离子水中超声分散4小时。将上述混合物在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水。在50℃烘箱中真空条件下缓慢除去离心步骤中下层固体产物中的全部溶剂至恒重。将得到的混合物与90g高密度聚乙烯，6g马来酸酐接枝聚乙烯，2g PE-b-PEO，1g抗氧剂1076与1g热稳定剂(二甲基锡：二辛基锡：四苯基锡＝3：10：7，质量比)，加入双螺杆挤出机(L/D＝40)，在210℃、200rpm的条件下熔融共混得到产物E。
本发明实施例1-5中超声方式为水浴超声或探针超声，超声温度为0℃至50℃，频率为20-40kHz，功率为100-500W。
实施例6
按照现有技术中本领域常用的拉伸屈服强度、熔融指数及磨损率的测试方法对实施例1-5制备得到的产物以及UHMWPE和HDPE进行相关参数测定，结果如下：
产物性能
(磨损率采用MSH型磨损测试仪进行砂浆冲蚀磨损实验，砂浆为石英砂与水按1:1配置，试样速度为3.2m/s)
从上述表格可以明显看出，C70富勒烯的加入能够显著降低材料的磨损率，提高耐磨性。比如，对于产物A-C，其磨损率仅约为纯HDPE的1/3，比UHMWPE也降低了约25％。同时，相对于未改性HDPE，拉伸屈服强度、熔融指数等关键力学性能与加工性能指标在加入C70富勒烯之后也有所提高。
本发明使用的C70富勒烯相对于其同素异形体——石墨烯而言，对提高HDPE的耐磨性能和拉伸屈服强度等方面有了显著的提高；同时本发明通过使用高分子量偶联剂PE-b-PEO，利用自身PE段与PEO段的极性差异在高极性的C70富勒烯与低极性的HDPE之间形成较强的相互作用，对HDPE的耐磨性能和拉伸屈服强度等方面的改善也起到了关键作用。

Claims (5)

1.一种C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料，其特征在于所述复合材料的组成成分按质量份数计包括如下组分：
C70富勒烯1-10份、硅烷偶联剂1-10份、高密度聚乙烯75-100份、马来酸酐接枝聚乙烯5-10份、高分子量偶联剂1-10份、抗氧化剂1-3份、热稳定剂1-3份。
2.权利要求1所述的C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料，其特征在于所述复合材料的组成成分按质量份数计包括如下组分：
C70富勒烯1-5份、硅烷偶联剂1-5份、高密度聚乙烯80-90份、马来酸酐接枝聚乙烯5-6份、高分子量偶联剂2-8份、抗氧化剂1份、热稳定剂1份。
3.权利要求2-3任一项所述的C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料，其特征在于所述的硅烷偶联剂优选为KH550、KH791、A-151、A-171中的一种，抗氧化剂优选为抗氧剂1076、抗氧剂168或抗氧剂DLTDP中的一种或几种混合，热稳定剂优选为二甲基锡、二辛基锡、四苯基锡中的一种或几种混合，高分子量偶联剂优选为PE-b-PEO。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述的C70富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将C70富勒烯与硅烷偶联剂混合，然后用去离子水中超声分散3-5小时，得混合物a；
(2)将步骤(1)得到的混合物a在7200rpm条件下离心分离，除去上层的去离子水后，置于50℃烘箱中真空条件下除去下层固体中的溶剂至恒重，得到混合物b；
(3)将步骤(2)得到的混合物b与高密度聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、高分子量偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂，一起加入双螺杆挤出机，在185-240℃、180-230rpm的条件下熔融共混得到所述富勒烯改性耐磨聚乙烯复合材料。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于步骤(1)中去离子水的用量为C70富勒烯与硅烷偶联剂质量和的20-200倍，超声方式为水浴超声或探针超声，超声温度为0℃至50℃，频率为20-40kHz，功率为100-500W。
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