1.本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種超高分子量聚乙烯(uhmwpe)的改性技術(shù)，具體涉及一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

2.超高分子量聚乙烯(uhmwpe)是分子量巨大(106以上)、具有線性長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的熱塑性塑料，是目前工程塑料中綜合性能最優(yōu)異的聚合物。超高的分子量使具備其他高分子材料無法比擬的抗拉壓性能、耐沖擊、耐化學(xué)腐蝕性，同時(shí)也具有良好的耐磨性能，逐漸取代了部分金屬作為新型耐磨材料。盡管uhmwpe的性能優(yōu)勢(shì)突出，但熱膨脹系數(shù)較大限制了uhmwpe作為摩擦副材料在工程裝備上的應(yīng)用。由于分子鏈間以較弱的范德華力相關(guān)聯(lián)，熱膨脹系數(shù)(10-4

k-1

)遠(yuǎn)大于由較強(qiáng)的金屬鍵結(jié)合的金屬合金(10-6

k-1

)，在高溫環(huán)境下服役或因摩擦生熱而出現(xiàn)的熱膨脹可能導(dǎo)致聚合物材料彎曲、開裂和脫層問題，從而影響摩擦副零部件的精度、降低其服役壽命，甚至導(dǎo)致材料功能失效。因此，有效地降低uhmwpe的熱膨脹系數(shù)，控制材料的正向熱膨脹甚至實(shí)現(xiàn)零熱膨脹是提高摩擦副零部件尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑，對(duì)于拓寬uhmwpe材料的應(yīng)用范圍有著重要意義。

3.目前，國(guó)內(nèi)外研究者主要是依靠填料改性方法來降低聚合物熱膨脹系數(shù)，孫潔為降低環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)，基于負(fù)熱膨脹材料lafe

10.5

co

1.0

si

1.5

制備了低熱膨脹的lafe

10.5

co

1.0

si

1.5

/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，結(jié)果表明：lafe

10.5

co

1.0

si

1.5

可以有效降低環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在228～323k間的線膨脹系數(shù)，加入70wt％的lafe

10.5

co

1.0

si

1.5

填料，復(fù)合材料線膨脹系數(shù)降低了58％。wang研究了添加10wt％sdcnf的等規(guī)聚丙烯與純等規(guī)聚丙烯相比，熱膨脹系數(shù)下降了11.7％，作者認(rèn)為是纖維素具有較小的熱膨脹系數(shù)，而sdcnf的加入取代了一部分等規(guī)聚丙烯，因此降低了復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。skanagaraj研究了mwcnts添加量對(duì)uhmwpe熱膨脹性能的影響，結(jié)果表明隨著mwcnts濃度的增加，納米復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)有所下降。作者分析認(rèn)為mwcnts比表面積大，熱穩(wěn)定性高，能與高分子鏈之間形成較強(qiáng)的作用力，阻礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而有效地降低熱膨脹系數(shù)。

4.鎢酸鋯(zrw2o8)是一種性能優(yōu)異的無機(jī)化合物，在無機(jī)材料領(lǐng)域在較寬的溫度范圍內(nèi)具有各向同性負(fù)熱膨脹效應(yīng)，比如cn105886823a一種放電等離子燒結(jié)制備多孔鎢酸鋯/鋁復(fù)合材料的方法，cn1594207a一種負(fù)熱膨脹系數(shù)可調(diào)的疊層陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，等等都是用于無機(jī)材料領(lǐng)域，沒有用在聚乙烯塑料領(lǐng)域，并且增強(qiáng)過程制備工藝?yán)щy，成本較高，所以目前并未規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。無機(jī)材料和有機(jī)材料具有較大差異，如果能夠?qū)㈡u酸鋯能夠很好的與超高分子量聚乙烯相容，并體現(xiàn)其獨(dú)有的負(fù)熱膨脹系數(shù)的優(yōu)勢(shì)，那么將進(jìn)一步擴(kuò)展材料的用途，具有較大的工程應(yīng)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的在于，提供一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料及制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中超高分子量聚乙烯用于摩擦副材料中固有缺陷，提高摩擦副材料的耐

磨性和降低熱膨脹系數(shù)。

6.為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

7.一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.步驟1、根據(jù)比例，將鎢酸鋯和超高分子量聚乙烯進(jìn)行研磨，機(jī)械共混得到共混粉末；

9.步驟2、將共混粉末在50-80℃溫度下烘干干燥，得到干燥共混粉末；

10.步驟3、將干燥共混粉末裝入模具采用熱壓機(jī)熱壓成型，先預(yù)壓，后升溫至160-185℃保溫一段時(shí)間，之后采用梯度升壓法熱壓，冷卻至測(cè)室溫后取模，得到低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料。

11.進(jìn)一步地，步驟1的共混粉末中，鎢酸鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％～25％。

12.進(jìn)一步地，步驟1中，鎢酸鋯和超高分子量聚乙烯均選用粉料作為原料，所述機(jī)械共混為采用行星式球磨機(jī)中研磨。

13.進(jìn)一步地，步驟2中，共混粉末烘干時(shí)間為6-18h。

14.進(jìn)一步地，步驟3中，預(yù)壓時(shí)，采用熱壓機(jī)的上壓板自重預(yù)壓2-5次，每次預(yù)壓1-3min。

15.進(jìn)一步地，步驟3中，升溫至160-185℃后保溫2.5-3.5h。

16.進(jìn)一步地，步驟3中，梯度升壓法的具體參數(shù)為，自然降溫，降溫至110℃時(shí)加壓至2.0mpa，降溫至100℃時(shí)加壓至5.7mpa，降溫至90℃時(shí)加壓至8.6mpa，降溫至80℃時(shí)加壓至15mpa，之后冷卻至測(cè)室溫取模。

17.進(jìn)一步地，步驟3中，根據(jù)所需制備工件形狀制造模具，通過熱壓機(jī)熱壓成型后，直接得到相應(yīng)形狀的低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯工件。

18.本發(fā)明還提供一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述制備方法所制備。

19.本發(fā)明利用鎢酸鋯增強(qiáng)uhmwpe材料的機(jī)理如下：

20.1.硬度增強(qiáng)，表面硬度(邵氏硬度)提升到70+，硬質(zhì)無機(jī)粒子在聚合物中發(fā)揮了彌散強(qiáng)化的作用，耐磨性提升。

21.2.耐磨性增強(qiáng)，鎢酸鋯顆粒強(qiáng)度遠(yuǎn)大于uhmwpe本身，提高了材料的承載能力，充分發(fā)揮抗磨硬質(zhì)相抵抗磨損的能力，提高耐磨性。

22.3.鎢酸鋯能與高分子鏈之間形成較強(qiáng)的作用力，在溫度升高時(shí)阻礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于本身獨(dú)特的負(fù)熱膨脹性質(zhì)，降低了uhmwpe的熱膨脹系數(shù)。

23.4.熱膨脹性能提高了尺寸穩(wěn)定性，uhmwpe在摩擦過程中受機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷影響，隨著摩擦過程進(jìn)行，熱負(fù)荷的快速升高使uhmwpe摩擦表面局部升溫，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生大的溫度梯度，引起熱應(yīng)力。而摩擦熱也會(huì)導(dǎo)致uhmwpe產(chǎn)生熱膨脹，由于摩擦接觸部分溫度較高，熱膨脹量較大，其遠(yuǎn)離摩擦表面的材料內(nèi)部溫度上升的較慢，熱膨脹較小，導(dǎo)致uhmwpe膨脹不均勻，熱膨脹系數(shù)越大的材料，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。鎢酸鋯的加入降低了uhmwpe熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而減小了因溫度場(chǎng)不均勻引起成的熱應(yīng)力，從而一定程度上改善了uhmwpe材料的耐磨性。

24.基于上述機(jī)理，本發(fā)明有益效果如下：

25.本發(fā)明有效地降低uhmwpe的熱膨脹系數(shù)，控制材料的正向熱膨脹甚至實(shí)現(xiàn)零熱膨脹是提高摩擦副零部件尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑，對(duì)于拓寬uhmwpe材料的應(yīng)用范圍有著重要意義。

附圖說明

26.圖1對(duì)比例uhmwpe粉末及實(shí)施例1-5所制得復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)表征圖。

27.圖2對(duì)比例uhmwpe粉末及實(shí)施例1-5所制得復(fù)合材料磨損量表征圖。

28.圖3對(duì)比例uhmwpe粉末及實(shí)施例1-5復(fù)合材料熱膨脹率表征圖，其中dl為長(zhǎng)度變化量。

29.圖4對(duì)比例uhmwpe粉末及實(shí)施例1-5復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)表征圖。

具體實(shí)施方式

30.下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

31.實(shí)施例

32.1實(shí)驗(yàn)材料選取

33.超高分子量聚乙烯：粉末，分子量300萬，購(gòu)于北京助劑二廠；鎢酸鋯：平均粒徑1～3μm，純度99％，購(gòu)于上海凱射豐實(shí)業(yè)有限公司；對(duì)偶件gcr15剛球：尺寸為φ6.3mm。

34.2試樣制備

35.將所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5％～25％)的zrw2o8與uhmwpe配置成共40g原料放入行星式球磨機(jī)中研磨30min，轉(zhuǎn)速為450rpm/min。將共混后的粉料放在60℃烘箱中干燥12h。將粉料裝入模具熱壓成型。熱壓成型過程，首先利用上壓板自重預(yù)壓3次，每次預(yù)壓2min，間隔1min；接著升溫到175攝氏度，保溫3h；保溫結(jié)束后采取梯度升壓法，即測(cè)溫儀110℃時(shí)加壓至2.0mpa，測(cè)溫儀100℃時(shí)加壓至5.7mpa，測(cè)溫儀90℃時(shí)加壓至8.6mpa，測(cè)溫儀80℃時(shí)加壓至15mpa，冷卻至室溫取模，得到低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料(簡(jiǎn)稱復(fù)合材料)。

36.根據(jù)不同zrw2o8的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％、10％、15％、20％、25％，制得的低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料分別記為實(shí)施例1-實(shí)施例5；參考試樣選用uhmwpe粉末以相同工藝熱壓成型的純uhmwpe試樣作為對(duì)比例。

37.3測(cè)試方法與表征

38.邵氏硬度按gb/t2411—2008測(cè)試，壓針頂端離試樣任一邊緣至少9mm，同一試樣上相隔至少6mm測(cè)量五個(gè)硬度值，并計(jì)算其平均值。

39.將上述對(duì)比例純uhmwpe試樣及實(shí)施例1-5制得的低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料均加工成25mm

×

5mm

×

5mm大小，用熱膨脹儀dil402se測(cè)試其熱膨脹系數(shù)，測(cè)試范圍為室溫到80℃，升溫速率為3℃/min，保護(hù)氣體為ar2，探頭用氧化鋁，探頭自身熱膨脹影響已修正。

40.摩擦學(xué)性能用rtec摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，摩擦副選用gcr15球(硬度hrc＝61～63，直徑6.3mm)。試驗(yàn)前把試樣表面用無水乙醇清洗，gcr15球用無水乙醇超聲2min，然后在烘箱干燥。在干摩擦下，負(fù)載50n，速度80mm/s，往復(fù)行程為8mm。摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)束后，用白光共焦三維形貌儀測(cè)量磨痕深度和寬度并計(jì)算磨損量，得到的結(jié)果如圖1至圖4所示。

41.對(duì)于摩擦系數(shù)，如圖1所示，摩擦系數(shù)隨著鎢酸鋯(zrw2o8)的含量先下降后上升，添加zrw2o8對(duì)超高分子量聚乙烯的摩擦系數(shù)有顯著降低的效果，下降幅度為12.2％～45.8％。

42.對(duì)于磨損量，如圖2所示，磨損量隨鎢酸鋯(zrw2o8)的含量增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，添加zrw2o8對(duì)超高分子量聚乙烯的耐磨性有明顯提高，磨損量降低幅度為5.9％～29.8％。

43.對(duì)于熱膨脹，如圖3和圖4所示，添加zrw2o8對(duì)材料的熱膨脹率有明顯降低的作用，在30℃～80℃的范圍內(nèi)，添加量在20％～25％的zrw2o8填料可以使超高分子量聚乙烯的熱膨脹系數(shù)下降一個(gè)數(shù)量級(jí)(從10-4

到10-5

)。

44.鎢酸鋯(zrw2o8)是一種性能優(yōu)異的無機(jī)化合物，在較寬的溫度范圍內(nèi)具有各向同性負(fù)熱膨脹效應(yīng)。但制備工藝?yán)щy，成本較高，所以目前并未規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。本發(fā)明制備了5％～25％鎢酸鋯(zrw2o8)含量的復(fù)合材料，首先研究了其熱膨脹性能，發(fā)現(xiàn)鎢酸鋯的加入能有效降低其熱膨脹系數(shù)，同時(shí)在摩擦學(xué)性能上亦有良好的表現(xiàn)，體現(xiàn)在降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性上。在未來鎢酸鋯工藝進(jìn)一步優(yōu)化改良，成本進(jìn)一步降低后，此復(fù)合材料的應(yīng)用前景非常光明。

45.以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。技術(shù)特征：

1.一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、根據(jù)比例，將鎢酸鋯和超高分子量聚乙烯進(jìn)行研磨，機(jī)械共混得到共混粉末；步驟2、將共混粉末在50-80℃溫度下烘干干燥，得到干燥共混粉末；步驟3、將干燥共混粉末裝入模具采用熱壓機(jī)熱壓成型，先預(yù)壓，后升溫至160-185℃保溫一段時(shí)間，之后采用梯度升壓法熱壓，冷卻至室溫后取模，得到低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟1的共混粉末中，鎢酸鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％～25％。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟1中，鎢酸鋯和超高分子量聚乙烯均選用粉料作為原料，所述機(jī)械共混為采用行星式球磨機(jī)中研磨。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟2中，共混粉末烘干時(shí)間為6-18h。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟3中，預(yù)壓時(shí)，采用熱壓機(jī)的上壓板自重預(yù)壓2-5次，每次預(yù)壓1-3min。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟3中，升溫至160-185℃后保溫2.5-3.5h。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟3中，梯度升壓法的具體參數(shù)為，自然降溫，降溫至110℃時(shí)加壓至2.0mpa，降溫至100℃時(shí)加壓至5.7mpa，降溫至90℃時(shí)加壓至8.6mpa，降溫至80℃時(shí)加壓至15mpa，之后冷卻至室溫取模。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料的制備方法，其特征在于：步驟3中，根據(jù)所需制備工件形狀制造模具，通過熱壓機(jī)熱壓成型后，直接得到相應(yīng)形狀的低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯工件。9.一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述制備方法所制備。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料及其制備方法，首先根據(jù)比例，將鎢酸鋯和超高分子量聚乙烯進(jìn)行研磨，機(jī)械共混得到共混粉末；然后將共混粉末在50-80℃溫度下烘干干燥，得到干燥共混粉末；之后將干燥共混粉末裝入模具采用熱壓機(jī)熱壓成型，先預(yù)壓，后升溫至160-185℃保溫一段時(shí)間，之后采用梯度升壓法熱壓，冷卻至室溫后取模，得到低熱膨脹系數(shù)耐磨超高分子量聚乙烯材料。本發(fā)明有效地降低UHMWPE的熱膨脹系數(shù)，控制材料的正向熱膨脹甚至實(shí)現(xiàn)零熱膨脹是提高摩擦副零部件尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑，對(duì)于拓寬UHMWPE材料的應(yīng)用范圍有著重要意義。的應(yīng)用范圍有著重要意義。的應(yīng)用范圍有著重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：段海濤 曹翔禹 楊田 詹勝鵬 賈丹 馬利欣 李銀華

受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢材料保護(hù)研究所有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2022.02.25

技術(shù)公布日：2022/6/16