CN101381513B - 用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料及其制备方法。本发明采用阴离子开环聚合工艺生产尼龙纳米复合材料，还公开了该尼龙纳米复合材料在制造糖厂压榨机轴瓦、压榨辊万向联轴器的滑块或低速高负荷的机械传动件中的应用。本发明的尼龙纳米复合材料具有耐热性高、尺寸稳定性好，耐冲击性和耐磨性优良。本发明采用价廉的纳米碳酸钙、纳米炭黑和纳米稀土复配，达到协同增强目的，以进一步提高材料的综合性能，同时可降低材料的成本。

Description

用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，特别是涉及一种用于榨糖机轴瓦和滑块的纳米改性浇铸尼龙材料及制备方法和应用。

背景技术

单体浇铸尼龙(monomer casting nylon)，简称MC尼龙，是在常压下将熔融的己内酰胺单体和碱性催化剂、活化剂等直接浇铸入预热到一定温度的模具中，进行快速聚合反应，凝固成固体的工程塑料。MC尼龙具有分子量大，结晶度高，强度比一般尼龙高1.5倍，质量轻、密度是铜的1/8左右，自润滑、耐磨、抗震吸音、耐油、耐弱酸碱等优点。其主要用途是代替金属制作轴承、轴瓦和齿轮等机械零部件部件。但MC尼龙也存在一些缺点，例如尺寸稳定性差、热稳定性不高、强度和刚度与金属相比还有一定差距。要使MC尼龙得到更广泛的应用，需要对其进行改性，以满足实际工业应用的需要。用纳米材料改性聚合物是近几年发展的一项新技术，与传统的聚合物增强、增韧改性方法相比，纳米材料不但能改善聚合物的综合性能，还能赋予其奇特的性能。中国专利CN1796458A公布了蒙脱土/尼龙纳米复合材料的制备方法，该尼龙纳米材料具有高强度、高模量、高阻隔的特点，又具有高的缺口冲击强度和断裂伸长率。但实际应用中，因纳米粒子的比表面积大、表面能高，粒子间极易团聚而造成在聚合物基体分散不均，影响其性能的发挥，甚至导致材料综合性能下降。

榨糖机械是糖厂运转的重要设备，投资成本高，在工作时，压榨辊的受力环境较恶劣、用于支承压榨辊的支承座受力较复杂，支承座中的轴承极易被损坏。目前支承座中的轴承通常采用铜轴瓦滑动轴承或滚动轴承两种。铜轴瓦滑动轴承，因铜的硬度高，容易磨损辊轴的轴颈，缩短滚轴的使用寿命，而且铜不易加工，不易铲刮，耗铜量大，价格昂贵。采用滚动轴承，轴承与辊轴之间的接触面较小，轴承受力较集中，轴承与辊轴采用热装配合，当用一段时间或辊套因磨损更换时，装卸轴承极为困难，容易损坏轴承、拉毛辊轴，致使轴承和辊轴报废。同时由于运行环境的限制，滚动轴承的密封难度大，酸性的蔗汁易进入轴承，造成轴承腐蚀、磨损。以上两种轴承都存在成本贵，检修劳动强度高，维修费用大，而且轴承的寿命短等缺点。针对以上问题，中国专利CN2454981Y介绍了一种MC尼龙轴瓦滑动轴承的榨糖机轧辊支承装置，该支承装置采用本院生产的普通MC尼龙轴瓦，基本解决了压榨机辊轴磨损和维修问题。但由于普通MC尼龙的耐热性、尺寸稳定性以及耐磨性能仍不十分理想。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的是提供一种具有耐热性高、尺寸稳定性好，耐冲击性和耐磨性优良的用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料。

本发明的另一目的是提供上述用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料，各组分按重量份计为：

己内酰胺              100

环氧树脂              1～3；

纳米碳酸钙            1～3；

纳米碳黑              0～2；

纳米稀土              0.5～1；

胶体石墨              0.1～0.5；

氢氧化钠              0.18～0.4；

甲苯二异氰酸脂        0.4～0.8。

所述己内酰胺是工业级，含水量低于0.05％；所述环氧树脂是指双酚A型环氧树脂，优选双酚A型环氧树脂E-51；所述纳米碳酸钙的粒径为15～100nm；所述纳米碳黑的粒径为20～60nm；所述纳米稀土是指镧系稀土氧化物的一种或多种，粒径为40～100nm，如纳米氧化钆稀土或纳米氧化铒稀土中的一种或两种稀土；所述胶体石墨的粒径为1～4μm。

本发明采用阴离子开环聚合工艺生产尼龙纳米复合材料，然后通过机械加工成符合规格的榨糖机轴瓦或滑块。

上述用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)纳米材料预处理：将1～3重量份纳米碳酸钙、0～2重量份纳米碳黑和0.5～1重量份纳米稀土进行搅拌混合，升温至50～60℃左右，加入上述纳米材料(纳米碳酸钙、纳米碳黑和纳米稀土)总重量的1～2％的钛酸酯偶联剂NDZ109和硅烷偶联剂KH-550，所述钛酸酯偶联剂与硅烷偶联剂的重量比约为3:2～5:3，继续搅拌10～20分钟，得到预处理的纳米材料。

(2)将1～3重量份环氧树脂与2～5重量份己内酰胺加热至110～120℃，抽真空脱水15～20分钟，加入步骤(1)预处理的纳米材料，搅拌均匀，超声波分散30～60分钟，超声波频率为35～65KHZ，得到分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体。

(3)将0.1～0.5重量份胶体石墨和95～98重量份己内酰胺加热熔融，温度在135～145℃，抽真空，物料在此温度下维持沸腾状态15～30分钟，脱去单体中所含水分和低沸点杂质，加入0.18～0.4重量份氢氧化钠，继续抽真空脱水15～30分钟，并保持低于0.1MPa的负压，使熔融的己内酰胺与氢氧化钠充分反应，生成己内酰胺钠阴离子；然后加入步骤(2)中分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体，搅拌并继续抽真空，保持低于0.1MPa的负压，持续10～20分钟；解除真空，加入0.4～0.8重量份甲苯二异氰酸脂并混合均匀，立即浇铸到已预热至165～175℃的钢制模具中，保温15～30分钟后，自然冷却脱模，得到用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料。

本发明的尼龙纳米复合材料除用于制造压榨机轴瓦外，也可用于制造压榨机万向联轴器的滑块或其他低速高负荷的机械传动件。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

由于无机纳米结构的不同，其性能各异，本发明采用价廉的纳米碳酸钙、纳米碳黑和纳米稀土复配，达到协同增强目的，以进一步提高材料的综合性能，同时可降低材料的成本。

经过表面处理的纳米材料实际上仍是一种团聚体，该团聚体中存在许多大小不一，形状不规则的孔隙。本发明将纳米材料与环氧树脂和部分己内酰胺单体先混合，真空脱水，搅拌和超声波分散，使环氧树脂和己内酰胺单体渗进纳米孔隙中，并在超声波的“空化”作用，使纳米团聚体的孔隙膨胀、破裂，形成具有反应活性、分散均匀的环氧树脂—无机纳米活性混合物。当该活性混合物与己内酰胺钠阴离子接触时，环氧树脂与己内酰胺的胺基发生交联发应，从而使纳米材料均匀分散在尼龙基体中。

在本发明中，复合材料成网状结构，环氧树脂起到“桥链”作用，而纳米材料如“桥墩”，起支承增强作用，这样可以提高材料的冲击强度、耐磨性、耐热性和和尺寸稳定性；配方中胶体石墨起润滑作用，降低摩擦系数，同时提高材料的散热性能。纳米稀土，除了发挥纳米材料的增强作用外，还具有偶联增容的功能。因为稀土本身有特殊的价电子层结构，有许多空轨道，容易接受多种多个配体提供的孤对电子形成配位键，因此在多元复合材料中易形成以稀土元素为中心的多向配位结合体，提高配方各组分间的相容性。

附图说明

图1为本发明的用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料生产流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纳米碳酸钙270g(纳米碳酸钙的粒径为15～100nm)、纳米氧化钆稀土270g(纳米氧化钆稀土粒径为40～100nm)、纳米碳黑270g(纳米碳黑的粒径为20～60nm)，高速搅拌混合，升温至50℃左右，加入钛酸酯偶联剂(NDZ109)5g和硅烷偶联剂(KH-550)3g，继续搅拌10分钟，得到预处理的纳米材料。

(2)取己内酰胺500g加热熔化，加入环氧树脂(双酚A型环氧树脂E—51)270g混合，温度在110～120℃，抽真空脱水15分钟，加入步骤(1)预处理的纳米材料，搅拌均匀，超声波分散30分钟，超声波频率35KHZ，得到分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体。

(3)在反应釜中加入己内酰胺26.5kg(所述己内酰胺是工业级，含水量低于0.05％；下同)和胶体石墨27g(胶体石墨的粒径为1～4μm)，加热至135～145℃，抽真空，在此温度下维持沸腾状态30分钟，加入氢氧化钠48.6g，继续抽真空脱水30分钟，并保持低于0.1MPa的负压。加入步骤(2)分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体，搅拌并继续抽真空，保持低于0.1MPa的负压，持续15分钟。解除真空，加入甲苯二异氰酸脂122g，混合均匀，立即浇铸到已预热至165～175℃的钢制模具中。保温30分钟后，自然冷却脱模，取出尼龙纳米复合材轴瓦坯件即尼龙纳米复合材料。

(4)将脱模的尼龙纳米复合材轴瓦坯件放在热机械油进行处理，温度110℃，处理时间24h，然后自然冷却至室温。

(5)按图纸技术要求，对尼龙纳米复合材轴瓦坯件进行机械精加工，制作压榨机压榨辊轴瓦。

实施例2

(1)称取纳米碳酸钙2.25Kg(纳米碳酸钙的粒径为15～100nm)、纳米氧化钆稀土375g(纳米氧化钆稀土粒径为40～100nm)，高速搅拌混合，升温至50℃左右，加入钛酸酯偶联剂(NDZ109)32g和硅烷偶联剂(KH-550)21g，继续搅拌20分钟，得到预处理的纳米材料。

(2)取己内酰胺3Kg加热熔化，加入2.25Kg环氧树脂(双酚A型环氧树脂E—51)混合，温度在110～120℃，抽真空脱水20分钟，加入步骤(1)预处理的纳米材料，搅拌均匀，超声波分散60分钟，超声波频率65KHZ，得到分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体。

(3)在反应釜中加入己内酰胺72kg和胶体石墨375g(胶体石墨的粒径为1～4μm)，加热至135～145℃，抽真空，维持沸腾状态20分钟，加入氢氧化钠300g，继续抽真空脱水20分钟，并保持低于0.1MPa的负压。加入步骤(2)分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体，搅拌并继续抽真空，保持低于0.1MPa的负压，持续20分钟。解除真空，加入甲苯二异氰酸脂450g，混合均匀，立即浇铸到已预热至165～175℃的钢制模具中；保温15分钟后自然冷却脱模，取出尼龙纳米复合材坯件即尼龙纳米复合材料。

(4)将脱模的尼龙纳米复合材坯件放在热机械油进行处理，温度140℃，处理时间8h，然后自然冷却至室温。

(5)按图纸技术要求，对尼龙纳米复合材坯件进行机械精加工，制作压榨机万向联轴器滑块。

实施例3

(1)将纳米碳酸钙1.12Kg(纳米碳酸钙的粒径为15～100nm)、纳米氧化钆稀土280g(纳米氧化钆稀土粒径为40～100nm)、纳米氧化铒稀土(纳米氧化铒稀土的粒径为40～100nm)168g，纳米碳黑560g(纳米碳黑的粒径为20～60nm)，高速搅拌混合，升温至50℃左右，加入钛酸酯偶联剂(NDZ109)19.2g和硅烷偶联剂(KH-550)12.7g，继续搅拌15分钟，得到预处理的纳米材料。

(2)取己内酰胺2.8Kg加热熔化，加入环氧树脂(双酚A型环氧树脂E—51)1.12Kg混合，温度在110～120℃，抽真空脱水20分钟，加入步骤(1)预处理的纳米材料，搅拌均匀，超声波分散45分钟，超声波频率50KHZ，得到分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体。

(3)在反应釜中加入己内酰胺53.2kg和胶体石墨140g(胶体石墨的粒径为1～4μm)，加热至135～145℃，抽真空，维持沸腾状态15分钟，加入氢氧化钠168g，继续抽真空脱水15分钟，并保持低于0.1MPa的负压。加入步骤(2)分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体，搅拌并继续抽真空，保持低于0.1MPa的负压，持续10分钟。解除真空，加入甲苯二异氰酸脂448g，混合均匀，立即浇铸到已预热至165～175℃的钢制模具中。保温20分钟后，自然冷却脱模，取出尼龙纳米复合材轴瓦坯件即尼龙纳米复合材料。

(4)将脱模的尼龙纳米复合材轴瓦坯件放在热机械油进行处理，温度110℃，处理时间24h，然后自然冷却至室温。

(5)按图纸技术要求，对尼龙纳米复合材轴瓦坯件进行机械精加工，制作压榨机压榨辊轴瓦。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料，其特征在于：所述纳米复合材料各组分按重量份计为：

己内酰胺          100

环氧树脂          1～3；

纳米碳酸钙        1～3；

纳米碳黑          0～2；

纳米稀土          0.5～1；

胶体石墨          0.1～0.5；

氢氧化钠          0.18～0.4；

甲苯二异氰酸脂    0.4～0.8；

以及占纳米碳酸钙、纳米碳黑和纳米稀土总重量的1～2％的钛酸酯偶联剂NDZ109和硅烷偶联剂KH-550，所述钛酸酯偶联剂与硅烷偶联剂的重量比为3∶2～5∶3。

2.根据权利要求1所述的一种用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料，其特征在于：所述己内酰胺含水量低于0.05％；所述环氧树脂是双酚A型环氧树脂；所述纳米碳酸钙的粒径为15～100nm；所述纳米碳黑的粒径为20～60nm；所述纳米稀土是指镧系稀土氧化物的一种或多种，粒径为40～100nm；所述胶体石墨的粒径为1～4μm。

3.根据权利要求1所述的一种用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料，其特征在于：所述环氧树脂是双酚A型环氧树脂E-51。

4.根据权利要求1所述的一种用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料，其特征在于：所述纳米稀土是纳米氧化钆稀土或纳米氧化铒稀土中的一种或两种稀土。

5.权利要求1～4任一项所述用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将1～3重量份纳米碳酸钙、0～2重量份纳米碳黑和0.5～1重量份纳米稀土进行搅拌混合，升温至50～60℃，加入上述纳米碳酸钙、纳米碳黑和纳米稀土总重量的1～2％的钛酸酯偶联剂NDZ109和硅烷偶联剂KH-550，所述钛酸酯偶联剂与硅烷偶联剂的重量比为3∶2～5∶3，继续搅拌10～20分钟，得到预处理的纳米材料；

(2)将1～3重量份环氧树脂与2～5重量份己内酰胺加热至110～120℃，抽真空脱水15～20分钟，加入步骤(1)预处理的纳米材料，搅拌均匀，超声波分散30～60分钟，超声波频率为35～65KHZ，得到分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体；

(3)将0.1～0.5重量份胶体石墨和95～98重量份己内酰胺加热熔融，温度在135～145℃，抽真空，在此温度下维持沸腾状态15～30分钟，脱去单体中所含水分和低沸点杂质，加入0.18～0.4重量份氢氧化钠，继续抽真空脱水15～30分钟，并保持低于0.1MPa的负压，使熔融的己内酰胺与氢氧化钠充分反应，生成己内酰胺钠阴离子；然后加入步骤(2)中分散均匀的纳米材料与环氧树脂混合体，搅拌并继续抽真空，保持低于0.1MPa的负压，持续10～20分钟；解除真空，加入0.4～0.8重量份甲苯二异氰酸脂并混合均匀，浇铸到已预热至165～175℃的钢制模具中，保温15～30分钟后，自然冷却脱模，得到用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料。

6.权利要求1～4任一项所述的用于榨糖机械的尼龙纳米复合材料在压榨机轴瓦、压榨机万向联轴器的滑块或低速高负荷的机械传动件中的应用。

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