一種改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料及其制備方法與流程
本發明屬于材料技術領域，具體涉及一種改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料及其制備方法。
背景技術：
高密度聚乙烯管具有價格低廉、化學穩定性高、易于加工成型、耐腐蝕性良好以及易安裝等優點而替代了傳統的水泥管、鋼管等，廣泛應用于城市建設的各個領域，如城鎮市政建設及住宅小區的地下污水、雨水排放管網，農田、果園、林帶排灌管網，工業廢水排放管網，以及礦山細顆粒固體輸送管等。在這些場合都要求高密度聚乙烯具有良好的耐磨性能。
陶瓷材料硬度高、耐高溫、耐摩擦磨損，是常用的工程材料。其粉體因保留了其優良的特性而被廣泛用于增強體，以提高基體材料的力學性能及摩擦磨損性能。
本發明將陶瓷粉與高密度聚乙烯復合，并采用接枝聚合物法改性陶瓷粉，從而改善陶瓷粉的分散性和與高密度聚乙烯基體的界面結合，使得兩者各自的性能優勢相結合。制備所得的復合材料運用于管材領域，可進一步拓寬高密度聚乙烯管的應用范圍，同時可降低成本。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料及其制備方法，使用該復合材料制備的高密度聚乙烯管耐磨性能得到改善，同時可降低生產成本。
為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
一種改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料，由下列質量份數的原料制備而成：高密度聚乙烯80~95份，改性陶瓷粉5~20份，分散劑質量為改性陶瓷粉質量的10%。所述的高密度聚乙烯熔體質量流動速率為20g/10min，密度為0.9564g/cm-3。所述的改性陶瓷粉由主要成分為sio2，粒徑為10μm~30μm的陶瓷粉經活化處理及聚合物接枝改性得到。所述的分散劑為硅油。
所述陶瓷粉的具體改性步驟如下：
步驟一：陶瓷粉的活化
首先配制體積分數95%的乙醇水溶液，并用鹽酸調節溶液ph值至4～5，而后加入3.5ml乙烯基三乙氧基硅烷靜置半小時；將35g干燥至恒重的陶瓷粉加入到上述溶液中，超聲分散后移入80℃水浴加熱并磁力攪拌4h；反應結束后將產物多次離心、洗滌、干燥后得到活化的陶瓷粉；
步驟二：接枝聚丙烯酰胺
稱取32.4g干燥至恒重的步驟一活化處理后的陶瓷粉超聲分散于400ml蒸餾水中,而后加入14.2g丙烯酰胺單體，繼續超聲分散均勻后轉入集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中水浴加熱至30℃，使丙烯酰胺單體溶解；將0.228g的過硫酸銨和0.104g的亞硫酸氫鈉溶解于5ml蒸餾水中后加入到溶液中，逐漸升溫至85℃并磁力攪拌4h；反應結束后對溶液進行離心并用丙酮洗滌去除均聚物，再進行離心、洗滌、干燥后得到聚丙烯酰胺接枝改性的陶瓷粉。
所述的改性陶瓷粉/高密度聚乙烯耐磨材料的制備方法具體步驟如下：
1）將干燥至恒重的改性陶瓷粉、高密度聚乙烯和分散劑按照配比配制成各組分原料后機械混合均勻；
2）將混合均勻的原料加入雙螺桿擠出機中熔融共混后擠出，其中雙螺桿擠機的擠出工藝為：一區溫控為130~135℃、二區溫控為135~140℃、三區溫控為140~145℃、四區溫控為145~150℃，螺桿轉數為30r/min，循環時間為7min；
3）將步驟2）中擠出物料注射成型，其中注射成型工藝為：模具溫度為60℃，注射筒溫度為170℃，注射壓力為0.2~0.3mpa,保壓壓力為0.2~0.3mpa,注射時間為20s，合模時間為22s。
本發明的顯著優點在于：本發明選用了具有高硬度和耐磨性的陶瓷粉為增強相來提高高密度聚乙烯的摩擦性能，并對陶瓷粉進行了改性來改善陶瓷粉的分散性以及增強其與高密度聚乙烯基體的界面結合，較好的實現了兩者的優勢互補。且原料低價易得，制備方法簡單，所得復合材料應用于高密度聚乙烯管領域，可降低成本及拓寬其應用范圍。
附圖說明
圖1為樣品的紅外光譜圖：其中1曲線指的是陶瓷粉，2曲線指的是活化處理陶瓷粉，3曲線指的是聚合物接枝陶瓷粉。
具體實施方式
為了使本發明所述的內容更加便于理解，下面結合具體實施方式對本發明所述的技術方案做進一步的說明，但是本發明不僅限于此。
在實施例復合材料的配方中，高密度聚乙烯型號為dmda-8920，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司；陶瓷粉主要成分為sio2，粒徑為10μm~30μm，靈壽縣華碩礦產品加工廠；硅油由福州聯友實驗儀器有限公司購買。
改性陶瓷粉的制備：
步驟一：陶瓷粉的活化
首先配制體積分數95%的乙醇水溶液，并用鹽酸調節溶液ph值至4～5，而后加入3.5ml乙烯基三乙氧基硅烷靜置半小時；將35g干燥至恒重的陶瓷粉加入到上述溶液中，超聲分散后移入80℃水浴加熱并磁力攪拌4h；反應結束后將產物多次離心、洗滌、干燥后得到活化的陶瓷粉；
步驟二：接枝聚丙烯酰胺
稱取32.4g干燥至恒重的步驟一活化處理后的陶瓷粉超聲分散于400ml蒸餾水中,而后加入14.2g丙烯酰胺單體，繼續超聲分散均勻后轉入集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中水浴加熱至30℃，使丙烯酰胺單體溶解；將0.228g的過硫酸銨和0.104g的亞硫酸氫鈉溶解于5ml蒸餾水中后加入到溶液中，逐漸升溫至85℃并磁力攪拌4h；反應結束后對溶液進行離心并用丙酮洗滌去除均聚物，再進行離心、洗滌、干燥后得到聚丙烯酰胺接枝改性的陶瓷粉。
實施例1
取原料高密度聚乙烯85份，改性陶瓷粉15份，硅油1.5份（相對于改性陶瓷粉），按下述步驟制備及摩擦性能測試：
1）將硅油和高密度聚乙烯機械攪拌混合均勻，然后邊攪拌邊加入改性陶瓷粉，再經旋渦混合器機械混和至均勻；
2）將混合均勻的原料加入雙螺桿擠出機中熔融共混后擠出，其中雙螺桿擠出機的擠出工藝為：一區溫控為135℃、二區溫控為140℃、三區溫控為145℃、四區溫控為150℃，螺桿轉數為30r/min，循環時間為7min；
3）將步驟2）中擠出物料注射成型，其中注射成型工藝為：模具溫度為60℃，注射筒溫度為170℃，注射壓力為0.2~0.3mpa,保壓壓力為0.2~0.3mpa,注射時間為20s，合模時間為22s；
4）參考標準gb3960-1983將試樣制成30mm×7mm×8mm的摩擦試樣進行摩擦試驗，試驗載荷為50n，試驗時間為120min，轉數為200r/min，對偶環為高頻淬火45，表面硬度大于55hrc，半徑為40mm，測試時從摩擦副側邊不斷滴自來水。
實施例2
取原料高密度聚乙烯90份，改性陶瓷粉10份，硅油1份（相對于改性陶瓷粉），按下述步驟制備及摩擦性能測試：
1）將硅油和高密度聚乙烯機械攪拌混合均勻，然后邊攪拌邊加入改性陶瓷粉，再經旋渦混合器機械混和至均勻；
2）將混合均勻的原料加入雙螺桿擠出機中熔融共混后擠出，其中雙螺桿擠出機的擠出工藝為：一區溫控為135℃、二區溫控為140℃、三區溫控為145℃、四區溫控為150℃，螺桿轉數為30r/min，循環時間為7min；
3）將步驟2）中擠出物料注射成型，其中注射成型工藝為：模具溫度為60℃，注射筒溫度為170℃，注射壓力為0.2~0.3mpa,保壓壓力為0.2~0.3mpa,注射時間為20s，合模時間為22s；
4）參考標準gb3960-1983將試樣制成30mm×7mm×8mm的摩擦試樣進行摩擦試驗，試驗載荷為150n，試驗時間為120min，轉數為200r/min，對偶環為高頻淬火45，表面硬度大于55hrc，半徑為40mm，測試時從摩擦副側邊不斷滴自來水。
實施例3
取原料高密度聚乙烯90份，改性陶瓷粉10份，硅油1份（相對于改性陶瓷粉），按下述步驟制備及摩擦性能測試：
1）將硅油和高密度聚乙烯機械攪拌混合均勻，然后邊攪拌邊加入改性陶瓷粉，再經旋渦混合器機械混和至均勻；
2）將混合均勻的原料加入雙螺桿擠出機中熔融共混后擠出，其中雙螺桿擠出機的擠出工藝為：一區溫控為135℃、二區溫控為140℃、三區溫控為145℃、四區溫控為150℃，螺桿轉數為30r/min，循環時間為7min；
3）將步驟2）中擠出物料注射成型，其中注射成型工藝為：模具溫度為60℃，注射筒溫度為170℃，注射壓力為0.2~0.3mpa,保壓壓力為0.2~0.3mpa,注射時間為20s，合模時間為22s；
4）將所制試樣在100℃下水煮10h；
5）參考標準gb3960-1983將水煮后試樣制成30mm×7mm×8mm的摩擦試樣進行摩擦試驗，試驗載荷為150n，試驗時間為120min，轉數為200r/min，對偶環為高頻淬火45，表面硬度大于55hrc，半徑為40mm。
對比例1
取原料高密度聚乙烯100份，改性陶瓷粉0份，硅油0份，按實施例1的步驟制備試樣及摩擦性能測試。
對比例2
取原料高密度聚乙烯100份，改性陶瓷粉0份，硅油0份，按實施例2的步驟制備試樣及摩擦性能測試。
對比例3
取原料高密度聚乙烯100份，改性陶瓷粉0份，硅油0份，按實施例3的步驟制備試樣及摩擦性能測試。
將陶瓷粉、活化處理陶瓷粉及聚合物接枝陶瓷粉用kbr壓片后采用尼高力360智能型紅外光譜儀進行紅外表征，結果如圖1所示。
圖1可以看出，陶瓷粉（1曲線）、活化處理陶瓷粉（2曲線）及聚合物接枝陶瓷粉（3曲線）在3434cm-1都出現了-oh伸縮振動吸收峰，且峰的強度依次減弱。活化處理陶瓷粉（2曲線）在2974cm-1和2893cm-1處有-ch3伸縮振動吸收峰，在1875cm-1處出現了硅烷偶聯劑中c＝o吸收峰值，1614cm-1代表c＝c吸收峰值。這說明作為橋梁的乙烯基三乙氧基硅烷成功地接枝上了陶瓷粉。聚合物接枝陶瓷粉（3曲線）在1662cm-1處出現了酰胺基團c＝o吸收峰，1618cm-1代表酰胺基團中n-h彎曲振動吸收峰，相較于活化處理陶瓷粉（2曲線）少了1614cm-1處吸收峰，該c＝c吸收峰值的消失說明接枝聚丙烯酰胺時在引發劑的作用下碳碳雙鍵打開發生聚合反應，即聚丙烯酰胺接枝陶瓷粉成功。
試驗摩擦系數直接從測試軟件讀出，磨損率（ω）按下式計算：
ω=△v/(π·2r·r·f)
△v=14bh/3
h=r-(r2-b2/4)0.5
式中：△v為試樣的磨損體積（mm3）；r為對偶環半徑（mm）；r為對偶環實轉圈數；f為試驗力（n）；b為磨痕寬度（mm）。
實施例1-3與對比例1-3的摩擦系數及磨損率見表1。
表1實施例1-3與對比例1-3的摩擦系數及磨損率
由表1可知：實施例1較對比例1，實施例2較對比例2，摩擦系數和磨損率都有明顯的減小。實施例3較對比例3，雖然摩擦系數有小幅度增加，但磨損率明顯減小。這表明本發明所得復合材料在水摩擦、100℃沸水處理后摩擦具有好的摩擦性能，尤其是水摩擦，當載荷為50n時（實施例1），摩擦系數和磨損率分別降低了37.3%和74.9%；當載荷為150n時（實施例2），摩擦系數和磨損率分別降低了43.0%和76.0%。
綜上可知，采用本發明制備的改性陶瓷粉/高密度聚乙烯復合材料具有良好的耐磨性能，將此復合材料應用于高密度聚乙烯管材領域，將拓寬高密度聚乙烯管的應用范圍，并且可降低成本。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
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