[发明专利]一种超高分子量聚乙烯纳米复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：将纳米材料分散于偶联剂处理溶液中，搅拌处理使纳米材料有机化；将纳米材料利用紫外接枝反应接枝单体，增加纳米材料与有机材料的相容性；将纳米材料经抽滤烘干处理，然后分散于表面活性剂溶液中处理，使纳米材料离子化；将超高分子量聚乙烯粉料分散于表面活性剂处理的纳米材料溶液中，利用超声波分散实现纳米材料与超高分子量聚乙烯的复合，过滤烘干后，即制得超高分子量聚乙烯纳米复合材料。该方法具备简便、成本低、反应条件温和以及适用基体广泛的特性，具有良好发展前景。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其是涉及一种超高分子量聚乙烯纳米复合材料的制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。世界上最早由美国AlliedChemical公司于1957年实现工业化，此后德国Hoechst公司、美国Hercules公司、日本三井石油化学公司等也投入工业化生产。中国于1964年最早研制成功并投入工业生产，限于当时条件，产物分子量约150万左右，随着工艺技术的进步，目前产品分子量可达100万～400万以上。

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的发展十分迅速，80年代以前，世界平均年增长率为8.5％，进入80年代以后，增长率高达15％～20％，中国的平均年增长率在30％以上。1978年世界消耗量为12，000～12，500吨，而到1990年世界需求量约5万吨，其中美国占70％。

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)平均分子量约35万～800万，因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，而且，超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)耐低温性能优异，在-40℃时仍具有较高的冲击强度，甚至可在-269℃下使用。

利用纳米复合技术制备的UHMWPE复合材料具备优异的物理机械性能，使它广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿业、农业、化工及体育运动器械等领域，其中以大型包装容器和管道的应用最为广泛。另外，由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)优异的生理惰性，已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学上使用。

但是由于纳米材料与UHMWPE的相容性较差，使得纳米复合技术成为制备UHMWPE纳米复合材料的关键技术，针对这种现状，国内外学者采用各种物理和化学方法对UHMWPE进行了改性，以提高UHMWPE的综合性能，目前采用较多的为纳米改性，纳米粒子能改善聚合物基体的力学性能，既能增强也能增韧。

自Iijima发现了碳纳米管以来，碳纳米管作为典型的一维纳米材料，极大的长径比、极高的弹性模量和弯曲强度，耐强酸，强碱，耐高温，奇特的电导率以及优良的热导率使得其可能成为良好的复合材料增强体，并受到了广泛的关注。

M.Matsuo，Y.Bin等采用超声物理方法对MWNTs(多壁碳纳米管)进行表面处理，然后通过从溶液中速冷凝胶化结晶方法制备了一系列MWNTs/UHMWPE复合材料，系统研究了MWNTs含量、第三组分、溶剂类型、热处理等对复合材料力学性质、电学性质、超拉伸比及复合材料形貌的影响，成功地制备了一系列高模量、高导电率的功能性UHMWPE复合材料。发现当CNTs含量为15wt％时，干燥的MWNTs/UHMWPE复合材料可拉长100倍，室温下其杨氏模量达到58GPa，导电率为10S/cm；且在室温至150℃区间的多次加热-冷却循环中，其导电率表现出很好的稳定性。第三组分结构中的极性基团能提高MWNTs与UHMWPE两相的相容性及最终复合材料的综合性能。P.Gao等同样采用超声方法对MWNTs进行表面处理然后通过溶液浇铸法制备了MWNTs/UHMWPE复合材料，发现加入1wt％的MWNTs能有效地增韧UHMWPE，提高UHMWPE的抗蠕变性。同时，他们通过凝胶纺丝工艺制备了MWNTs/UHMWPE复合纤维，发现加入5wt％的MWNTs能有效地增强增韧UHMWPE，且认为增强机理是MWNTs在高的拉伸比条件下沿拉伸方向的阵列化导致了强烈的界面应力传递,从而提高了复合纤维的强度和韧性。