CN103044753B - 一种耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨复合材料及制备方法。本发明的复合材料由如下重量份数的组分制成：塑料树脂100份、填料5~30份、偶联剂0.1~2份、加工助剂0.1~2份。本发明的复合材料具有优异的耐磨特性，拓展了B4C的应用领域，将其与聚四氟乙烯粉复配使用，制得耐磨性能优异的复合材料，其耐磨性能比B4C或聚四氟乙烯单独使用的效果更佳，且应用领域广阔，适用于汽车、电子电气、航空航天、武器装备等领域。

Description

一种耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子材料改性领域，尤其涉及一种耐磨复合材料及制备方法。
背景技术
碳化硼，分子式为B4C，俗称人造金刚石，是一种有很高硬度的硼化物，硬度比工业金刚石低，但比碳化硅高，是继氮化硼、金刚石、富勒烯化合物和钻石整体纤管后的第五种已知最硬的物质。与酸、碱溶液不起反应，容易制造而且价格相对便宜。广泛应用于陶瓷等硬质材料的磨削、研磨、钻孔等。将其作为塑料的耐磨填料至今未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨复合材料，拓展了B4C的应用领域。
本发明的另一目的是提供上述复合材料的制备方法。
为了实现以上目的，本发明的有效耐磨复合材料，由如下重量份数的组分制成：塑料树脂100份、填料5~30份、偶联剂0.1~2份、加工助剂0.1~2份。
上述塑料树脂为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚酯、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）中的至少一种。
上述聚酰胺为聚酰胺6（PA6）、聚酰胺66（PA66）、聚酰胺610（PA610）、聚酰胺1010（PA1010）中的至少一种。
上述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PPT）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）中的至少一种。
上述填料为碳化硼微粉（B4C）和聚四氟乙烯微粉（PTFE）的混合物，碳化硼微粉和聚四氟乙烯微粉的质量比为1：1~3：1，且粒径均为1500目~5000目。
上述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和稀土铝酸酯偶联剂中的至少一种；其中，硅烷偶联剂优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）；钛酸酯偶联剂优选为异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯（NDZ-102）；稀土铝酸酯偶联剂优选为铝酸三异丙酯（DL-411）。
上述加工助剂为硅酮粉和N,N’－乙撑双硬脂酰胺（EBS）中的一种或两种混合物。
本发明有效耐磨复合材料的制备方法为：先将100份塑料树脂和0.1~2份偶联剂经常温高速混合机混合，再将5~30份填料加入其中进行常温高速混合，最后将0.1~2份加工助剂加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为100~300转/min，混合时间为2~8min，接着通过挤出机熔融、挤出、冷却、干燥、切粒和包装。挤出机的各区温度保持在140~355℃之间，挤出螺杆长径比为30~40之间，挤出螺杆转速为150~350转/min。
本发明的有益之处：
1.本发明拓展了B4C的应用领域，在本发明之前，B4C的应用领域为陶瓷等硬质材料的磨削、研磨、钻孔等领域。
2.本发明的耐磨填料B4C，是一种有很高硬度的硼化物，硬度比工业金刚石低，但比碳化硅高，用于塑料基中作为耐磨填料，能很好的发挥其硬度高的特性，使得塑料复合材料的耐磨性能提高。
3.本发明将其与传统的聚四氟乙烯粉复配使用，最终可制得耐磨性能优异的复合材料，其耐磨性能比B4C或聚四氟乙烯单独使用的效果更佳。
4.本发明的耐磨复合材料，主要应用在汽车、电子电气、航空航天、武器装备等领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
以下所有实施例及对比例中，如无特别说明，所述份数均为重量份，耐磨性能测试执行GB/T GB3960。
实施例1
在100重量份PP中加入0.05份KH550和0.05份NDZ-102经高速混合机常温混合，再将2.5份粒径为1500目的B4C、2.5份粒径为1500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.1份硅酮粉加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为100转/min，混合时间为2min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为140℃、160℃、160℃、170℃、170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、195℃，挤出螺杆长径比为30，挤出螺杆转速为150转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为180℃、200℃、200℃、200℃、210℃，注塑机螺杆长径比为30，螺杆转速为150转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表1。
对比例1
在100重量份PP中加入0.05份KH550和0.05份NDZ-102经高速混合机常温混合，再将5份粒径为1500目的B4C加入其中进行常温高速混合，最后将0.1份硅酮粉加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为100转/min，混合时间为2min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为140℃、160℃、160℃、170℃、170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、195℃，挤出螺杆长径比为30，挤出螺杆转速为150转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为180℃、200℃、200℃、200℃、210℃，注塑机螺杆长径比为30，螺杆转速为150转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表1。
对比例2
在100重量份PP中加入0.05份KH550和0.05份NDZ-102经高速混合机常温混合，再将5份粒径为1500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.1份硅酮粉加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为100转/min，混合时间为2min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为140℃、160℃、160℃、170℃、170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、195℃，挤出螺杆长径比为30，挤出螺杆转速为150转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为180℃、200℃、200℃、200℃、210℃，注塑机螺杆长径比为30，螺杆转速为150转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表1。
对比例3
在100重量份PP中加入0.05份KH550和0.05份NDZ-102经高速混合机常温混合，再将2.5份粒径为1500目的MoS2、2.5份粒径为1500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.1份硅酮粉加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为100转/min，混合时间为2min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为140℃、160℃、160℃、170℃、170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、195℃，挤出螺杆长径比为30，挤出螺杆转速为150转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为180℃、200℃、200℃、200℃、210℃，注塑机螺杆长径比为30，螺杆转速为150转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表1。
表-1复合材料基本性能
实施例2
在100重量份PP中加入2份DL-411经高速混合机常温混合，再将20份粒径为2500目的B4C、10份粒径为5000目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将1份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为300转/min，混合时间为8min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为140℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、200℃、210℃、210℃、215℃，挤出螺杆长径比为40，挤出螺杆转速为350转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为180℃、200℃、220℃、220℃、230℃，注塑机螺杆长径比为40，螺杆转速为350转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表2。
实施例3
在100重量份PET中加入1份KH550经高速混合机常温混合，再将15份粒径为5000目的B4C、5份粒径为5000目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.5份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为250转/min，混合时间为4min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为240℃、260℃、270℃、280℃、290℃、290℃、290℃、290℃、290℃、295℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为300转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为260℃、280℃、290℃、300℃、300℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为300转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表2。
实施例4
在100重量份PA66中加入0.5份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将10份粒径为2500目的B4C、10份粒径为2500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.5份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为150转/min，混合时间为6min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为220℃、240℃、250℃、260℃、270℃、270℃、280℃、280℃、285℃、290℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为320转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为260℃、280℃、290℃、290℃、290℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为320转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表2。
实施例5
在100重量份PC中加入0.5份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将4份粒径为1500目的B4C、2份粒径为2500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将1.2份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为180转/min，混合时间为6min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为240℃、260℃、260℃、270℃、270℃、280℃、280℃、290℃、295℃、300℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为280转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为260℃、280℃、290℃、290℃、290℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为280转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表2。
实施例6
在100重量份PPS中加入0.3份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将5份粒径为5000目的B4C、3份粒径为5000目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.8份硅酮粉加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为220转/min，混合时间为7.5min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为260℃、270℃、280℃、280℃、290℃、290℃、290℃、290℃、295℃、300℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为340转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为260℃、280℃、290℃、300℃、300℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为340转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表2。
实施例7
在100重量份PEEK中加入0.3份NDZ-102和0.4份KH550经高速混合机常温混合，再将8份粒径为5000目的B4C、7份粒径为5000目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.7份硅酮粉、0.5份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为220转/min，混合时间为7.5min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为280℃、290℃、300℃、320℃、340℃、340℃、350℃、350℃、355℃、355℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为340转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为340℃、350℃、350℃、350℃、355℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为340转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表2。
表-2复合材料基本性能
实施例8
在100重量份PA6中加入0.5份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将6份粒径为2500目的B4C、6份粒径为2500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.5份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为150转/min，混合时间为6min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为160℃、200℃、220℃、220℃、220℃、230℃、230℃、230℃、235℃、240℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为320转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为210℃、225℃、225℃、230℃、230℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为320转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表3。
实施例9
在100重量份PA6中加入0.5份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将9份粒径为2500目的B4C、3份粒径为2500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.5份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为150转/min，混合时间为6min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为160℃、200℃、220℃、220℃、220℃、230℃、230℃、230℃、235℃、240℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为320转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为210℃、225℃、225℃、230℃、230℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为320转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表3。
对比例4
在100重量份PA6中加入0.5份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将3份粒径为2500目的B4C、9份粒径为2500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.5份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为150转/min，混合时间为6min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为160℃、200℃、220℃、220℃、220℃、230℃、230℃、230℃、235℃、240℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为320转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为210℃、225℃、225℃、230℃、230℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为320转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表3。
对比例5
在100重量份PA6中加入0.5份NDZ-102和0.2份DL-411经高速混合机常温混合，再将10份粒径为2500目的B4C、2份粒径为2500目的PTFE加入其中进行常温高速混合，最后将0.5份硅酮粉、1份EBS加入进行常温高速混合，整个混合过程中混合速度均为150转/min，混合时间为6min将混合后的共混物通过双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机的各区温度从喂料段到机头温度依次为160℃、200℃、220℃、220℃、220℃、230℃、230℃、230℃、235℃、240℃，挤出螺杆长径比为35，挤出螺杆转速为320转/分钟；单螺杆注塑温度从喂料到机头依次为210℃、225℃、225℃、230℃、230℃，注塑机螺杆长径比为35，螺杆转速为320转/min，注塑压力为60MPa，螺杆背压为8MPa，注塑时间为8s，冷却时间为6s。基本性能如表3。
表-3复合材料基本性能
从以上实施例和对比例可以看出，本发明的复合材料具有优异的耐磨特性，应用领域广阔，包括汽车、电子电气、航空航天、武器装备等领域。例如：从实施例1和对比例1~3可看出，在耐磨填料含量相同的情况下，B4C与PTFE复配的耐磨效果比单独使用的效果好以及B4C与PTFE复配的耐磨效果比传统的耐磨填料MoS2与PTFE复配的效果也要好，即实施例1的摩擦系数为0.16、磨耗为8.8mg，对比例1的摩擦系数为0.21、磨耗为14.7mg，对比例2的摩擦系数为0.25、磨耗为21.2mg，对比例3的摩擦系数为0.19、磨耗为11.6mg。另外，从实施例8、9以及对比4、5的对比中可以看出，B4C与PTFE复配的质量比的最佳比例为1：1~3：1，在耐磨填料总量相同的条件下，在这个比例范围之外的复配效果没有范围内的好，即实施例8中B4C：PTFE=1：1，实施例9中B4C：PTFE=3：1，对比例4中B4C：PTFE=1：3，对比例5中B4C：PTFE=5：1，数据为实施例8的摩擦系数为0.11、磨耗为3.9mg，实施例9的摩擦系数为0.09、磨耗为3.1mg，对比例4的摩擦系数为0.15、磨耗为5.5mg，对比例5的摩擦系数为0.14、磨耗为5.1mg。

Claims (5)

1.一种耐磨复合材料，其特征在于，由如下重量份数的组分制成：
塑料树脂100份、填料5~30份、偶联剂0.1~2份、加工助剂0.1~2份；所述填料为碳化硼微粉和聚四氟乙烯微粉的混合物且碳化硼微粉和聚四氟乙烯微粉的质量比为1：1~3：1；所述塑料树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的至少一种；所述聚酰胺为聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酰胺1010中的至少一种；所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚碳酸酯中的至少一种；
所述耐磨复合材料的制备方法为：先将100 份塑料树脂和0.1~2 份偶联剂经常温高速混合机混合，再将5~30 份填料加入其中进行常温高速混合，最后将0.1~2 份加工助剂加入进行常温高速混合，混合速度为100~300 转/min，混合时间为2~8min，接着通过挤出机熔融、挤出、冷却、干燥、切粒和包装；挤出机的各区温度保持在140~355℃之间，挤出螺杆长径比为30~40 之间，挤出螺杆转速为150~350 转/min。
2.根据权利要求1所述耐磨复合材料，其特征在于，所述填料粒径均为1500目~5000目。
3.根据权利要求1所述耐磨复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和稀土铝酸酯偶联剂中的至少一种。
4.根据权利要求3所述耐磨复合材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷；钛酸酯偶联剂为异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯；稀土铝酸酯偶联剂为铝酸三异丙酯。
5.根据权利要求1所述耐磨复合材料，其特征在于，所述加工助剂为硅酮粉和N,N’－乙撑双硬脂酰胺中的一种或两种混合物。
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