一種超高分子量聚乙烯材料及其製備方法
2023-05-21 11:08:46
一種超高分子量聚乙烯材料及其製備方法
【專利摘要】本發明旨在提供一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料及其製備方法。通過研究不同品種的炭黑以及膨脹石墨對UHMWPE/PP性能的影響，通過不同種類復配和用量優化，探討導電填料種類、復配方式、用量對UHMWPE/PP的體積電阻率、加工流變性能、複合材料力學性能、耐磨損性能(摩擦係數、磨痕寬度等)的影響，並優化方案，對UHMWPE進行抗靜電改性，使產品的抗靜電性能顯著上升。該抗靜電改性UHMWPE可以避免管件製品在成型、運輸和使用過程中由於摩擦和擠壓而產生靜電，並降低了材料成型操作的困難，提高了產品的外觀和質量。更可避免因靜電積累而導致的靜電放火現象，大大增加了生產的安全性。
【專利說明】一種超高分子量聚乙烯材料及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高分子材料【技術領域】，尤其是一種具有抗靜電性和一定加工流動 性的超高分子量聚乙烯（UHMWPE)材料及其製備方法。
【背景技術】
[0002] 超高分子量聚乙烯（UHMWPE)是指粘均分子量在150萬以上的線型高密度聚乙 烯。UHMWPE與普通PE具有相同的分子結構，主鏈鏈節均為（CH2-CH2)但極高的分子量賦予 UHMWPE許多普通PE無法比擬的優異性能。
[0003] 極高的分子量使UHMWPE在固體狀態時具有優異的綜合性能，同時也賦予其十分 獨特的熔體特性，給成型加工帶來很大的困難。一方面UHMWPE在熔融時呈凝膠彈性體，粘 度高，熔體流動指數（MI)幾乎為0，流動性極差；另一方面，UHMWPE熔體的臨界剪切速率極 低，很容易發生熔體破裂。因此很難用常規的熱塑性塑料加工方法如螺杆擠出和注射成型 來加工UHMWPE製品。
[0004]目前，針對UHMWPE加工困難，其流動加工改性更多的則是採用與其它聚烯烴共混 或添加傳統潤滑劑以及二者兼用的方法。用來與UHMWPE共混以改進UHMWPE加工性的聚烯 烴主要是傳統PE和PP，潤滑劑包括石蠟、聚乙烯蠟和硬脂酸鈣等。根據文獻報導，LLDPE/ UHMWPE, HDPE/UHMWPE和LDPE/UHMEPE共混物與純UHMWPE相比，熔體粘度明顯降低，但是PE 參與了 UHMWPE鏈纏結網絡的形成，不能有效降低UHMWPE的鏈纏結密度，因而，PE對UHMWPE 的加工改性效果較差。研究表明同時採用與聚烯烴共混和潤滑改性，可更為顯著地改善 UHMWPE的流動性，使UHMWPE的加工性能更大程度地提高。
[0005] 但是，目前國內外很多研究表明，在UHMWPE的流動性得到充分改善後採用常規的 擠出和注塑設備可實現其擠出和注射加工，但UHMWPE流動性的大幅改善通常通過與大比 例的具有良好流動性的普通聚烯烴或潤滑劑共混而獲得，這樣會引起共混物力學性能和摩 擦磨損性能的大幅下降，影響其使用性能。因此，改善UHMWPE的加工流變性的同時優化或 儘可能地保持UHMWPE優良的力學性能和摩擦磨損性能，成為多年以來UHMWPE研究經久不 衰的熱點課題。
[0006] 而由於UHMWPE具有優良的綜合性能，用這種材料製成的管材，特別適合於輸送各 種腐蝕性、磨損性、粘附性、結垢性的介質，因此，UHMWPE替代金屬管道作為耐磨輸送管道 具有獨一無二的優勢。但是，UHMWPE的體積電阻率較高，Pv大約為1017-1018Ω -cm, UHMWPE 管件製品在成型、運輸和使用過程中，受到摩擦和擠壓很容易產生和積累靜電，有時電壓可 高達數萬伏。這種靜電的產生和積累，可能給成型操作帶來困難，影響產品質量，也可能由 於吸塵嚴重，難於淨化而影響塑料製品外觀和在超淨化環境中的應用。尤為嚴重的是，當靜 電積累到一定數值時就會發生靜電放電而產生火花。同時，隨著水利、火電、運輸、礦山等行 業對耐磨塑料管材越來越緊迫的需求，而以往的材料難以滿足社會發展的需要，這促進了 UHMWPE材料的加工物料的配方優化及加工工藝的不斷發展進步，新的UHMWPE材料將不斷 湧現出來。
[0007] 本發明為了更好實現UHMWPE製品的連續、高效和規模化成型，一方面通過加入復 合加工助劑對UHMWPE進行加工流變改性，旨在儘可能保持UHMWPE優良力學性能和摩擦磨 損性能的前提下，使UHMWPE/PP共混體系的加工流變性進一步大幅改善的效果；同時為了 改善UHMWFE抗靜電效果，採用不同導電填料對UHMWPE進行抗靜電改性研究，致力於生產 一種具有抗靜電性同時有一定加工流動性的超高分子量聚乙烯（UHMWPE)材料及其製備方 法。
【發明內容】
[0008] 針對上述現有技術存在的缺點，本發明人積累多年從事本領域工作的經驗，經過 反覆研究論證，終得本發明的產生，本發明為了更好實現UHMWPE製品的連續、高效和規模 化成型，一方面通過加入聚丙烯（PP)樹脂和複合加工助劑對UHMWPE進行加工流變改性，旨 在儘可能保持UHMWPE優良力學性能和摩擦磨損性能的前提下，使UHMWPE/PP共混體系的加 工流變性進一步大幅改善的效果；同時為了改善UHMWFE抗靜電效果，採用不同導電填料對 UHMWPE進行抗靜電改性研究，致力於生產一種具有抗靜電性同時有一定加工流動性的超高 分子量聚乙烯（UHMWPE)材料及其製備方法。
[0009] 本發明採用的技術方案：本發明公開的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超 高分子量聚乙烯（UHMWPE)材料配方（按照重量百分比）為：（1)UHMWPE樹脂：55_84%，(2) PP樹脂：5-15% (3)自製複合加工助劑：2-5(4)導電炭黑：5-15%;(5)膨脹石墨：3-8% ; (6)抗氧劑：0. 2-0.6% ； (7)其他助劑：0. 8-1. 4%。各組分在高速混料機中混合1?2分 鍾後放入雙螺杆擠出機中擠出造粒即得。
[0010] 其中所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯（UHMWPE) 材料，其特徵在於UHMWPE樹脂為分子量為150萬以上的聚乙烯樹脂，並在90°C下烘4小時， 控制水分在0. 1%以下；
[0011] PP樹脂為聚丙烯樹脂，MI為10g/10min，並在90°C下烘4小時，控制水分在0. 1% 以下；自製複合加工助劑是由馬來酸酐接枝PP/硅藻土 /玻璃微珠按15/50/35的重量比例 在高混機100°C下混合而成，優選的，馬來酸酐接枝率大於1 導電炭黑是具有低電阻性能 的炭黑，可賦予材料導電或防靜電作用；膨脹石墨是新型碳素材料，具有極強的電導率；抗 氧劑是酚類抗氧劑四[β _(3'，5'-二叔丁基-4'-羥基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亞磷酸 酯類抗氧劑（2，4-二叔丁基苯基）亞磷酸三酯；其他助劑是色粉和增亮劑。
[0012] 本發明製備上述具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材料的方 法，包括以下步驟：
[0013] (1)原材料的處理及混合
[0014] UHMWPE樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1 %以下；PP樹脂在90°C下烘4小 時，控制水分在0. 1%以下；
[0015] 將主料和自製複合加工助劑、導電炭黑、膨脹石墨、抗氧劑、其他助劑在高速混料 機中混合2分鐘，使各組分充分攪拌分散均勻；
[0016] (2)熔融擠出
[0017] 將混合好的物料加入雙螺杆擠出機中，熔融擠出溫度在180_240°C之間，螺杆轉速 為400轉/分；
[0018] (3)造粒及後處理
[0019] 對擠出的物料進行冷卻、風乾、切粒、過強磁、包裝得到成品。
[0020] 本發明的一種具有抗靜電性同時有一定加工流動性的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)材料在保持UHMWPE/PP共混體系的加工流變性的同時，可以避免本材料生產的管 件製品在成型、運輸和使用過程中由於摩擦和擠壓而產生靜電，並降低了材料成型操作的 困難，提高了產品的外觀和質量；更可避免因靜電積累而導致的靜電放火現象，大大增加了 生產的安全性。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面結合實施例來具體說明本發明。
[0022] 實施例1
[0023] 先將55%重量的UHMWPE樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1%以下、15%重量 的PP樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1%以下、5%重量的自製複合加工助劑、15%重 量的導電炭黑、8%重量的膨脹石墨、0.3%重量的主抗氧劑四（β-(3，5-二叔丁基-4-羥基 苯基）丙酸）季戊四醇酯（1010)和0.3%輔助抗氧劑三（2，4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯 (168),1. 4%重量的其他助劑通過高速混料機混合2分鐘後從計量餵料器進入雙螺杆擠出 機塑化、熔融，再經擠出、冷卻、過磁、包裝得到產品。
[0024] 實施例2
[0025] 先將84%重量的UHMWPE樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1%以下、5%重量 的PP樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1 %以下、2%重量的自製複合加工助劑、5%重 量的導電炭黑、3%重量的膨脹石墨、0. 1%重量的主抗氧劑四（β_(3，5-二叔丁基-4-羥基 苯基）丙酸）季戊四醇酯（1010)和0. 1%輔助抗氧劑三（2，4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯 (168)、0. 8%重量的其他助劑通過高速混料機混合2分鐘後從計量餵料器進入雙螺杆擠出 機塑化、熔融，再經擠出、冷卻、過磁、包裝得到產品。
[0026] 實施例3
[0027] 先將70%重量的UHMWPE樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1%以下、10%重量 的PP樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1%以下、3%重量的自製複合加工助劑、10%重 量的導電炭黑、5. 3%重量的膨脹石墨、0.3%重量的主抗氧劑四（β-(3，5-二叔丁基-4-羥 基苯基）丙酸）季戊四醇酯（1010)和0.4%輔助抗氧劑三（2，4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯 (168)、1%重量的其他助劑通過高速混料機混合2分鐘後從計量餵料器進入雙螺杆擠出機 塑化、熔融，再經擠出、冷卻、過磁、包裝得到產品。
[0028] 實施例4
[0029] 實施例1-3中的超高分子量聚乙烯的製備方法如下：
[0030] (1)原材料的處理及混合
[0031] 將UHMWPE樹脂在並在90°C下烘4小時控制水分在0. 1%以下；PP樹脂在90°C下 烘4小時，控制水分在0.1%以下；
[0032] 將主料和自製複合加工助劑、導電炭黑、膨脹石墨、抗氧劑、其他助劑在高速混料 機中混合2分鐘，使各組分充分攪拌分散均勻；
[0033] (2)熔融擠出
【權利要求】
1. 一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材料，其特徵在於按重量 百分比由以下組分組成： U 丨V1WPK 樹脂 55-84% PP 樹脂 5-15% Π 制;U介加]:助劑 2-5c,o 好電炭!S- 5-15% 膨脹:丨3-8% 抗氣劑 0.2-0,6% 1? 他助劑 0,8-1.4%
2.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於UHMWPE樹脂為分子量為150萬以上的聚乙烯樹脂，其水分含量在0. 1 %以 下。
3.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於PP樹脂為聚丙烯樹脂，MI為10g/10min，其水分含量在0. 1%以下。
4.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於自製複合加工助劑是由馬來酸酐接枝PP/硅藻土 /玻璃微珠按15/50/35的 重量比例在高混機100°C下混合而成。
5.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於導電炭黑是具有低電阻性能的炭黑，可賦予材料導電或防靜電作用。
6.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於膨脹石墨是新型碳素材料，具有極強的電導率。
7.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於抗氧劑是酚類抗氧劑四[β _(3'，5'-二叔丁基-4'-羥基苯基）丙酸]季戊 四醇酯和亞磷酸酯類抗氧劑（2，4-二叔丁基苯基）亞磷酸三酯。
8.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料，其特徵在於其他助劑是色粉和增亮劑。
9.如權利要求1所述的一種具有抗靜電性和一定加工流動性的超高分子量聚乙烯材 料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟： (1)原材料的處理及混合 UHMWPE樹脂在90°C下烘4小時控制水分在0. 1 %以下；PP樹脂在90°C下烘4小時，控 制水分在0.1%以下； 將主料和自製複合加工助劑、導電炭黑、膨脹石墨、抗氧劑、其他助劑在高速混料機中 混合2分鐘，使各組分充分攪拌分散均勻； (2)熔融擠出 將混合好的物料加入雙螺杆擠出機中，熔融擠出溫度在180-240°C之間，螺杆轉速為 400轉/分； (3)造粒及後處理 對擠出的物料進行冷卻、風乾、切粒、過強磁、包裝得到成品。
【文檔編號】C08L23/06GK104045898SQ201410276455
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】李本立, 鄭少輝 申請人:江門市道生工程塑料有限公司