CN103408927A - 复合纤维改性尼龙材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合纤维改性尼龙材料及其制备方法。该复合纤维改性尼龙材料包括如下重量百分比的配方组分：尼龙50～70%、复合纤维29～50%、助剂1～20%，其中，复合纤维包含玻璃纤维和聚酰亚胺纤维，该玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为1～9:1。通过将玻璃纤维和聚酰亚胺纤维形成复合纤维来对尼龙进行改性，从而获得一种强度大、稳定性好、耐疲劳强度高的改性尼龙材料，并且聚酰亚胺纤维克服了玻璃纤维导致的制品易变形翘曲的缺点，以及玻璃纤维使聚酰亚胺纤维的使用量减少，节约成本。其制备方法主要包括混合和熔融挤出两步骤，工艺简单、无需添加复杂设备、成本低廉，提高复合高分子材料的性能，适于工业化生产。

Description

复合纤维改性尼龙材料及其制备方法

技术领域

本发明属于工程塑料技术领域，具体的说是涉及一种复合纤维改性尼龙材料及其制备方法。

背景技术

随着汽车的小型化、电子电气设备的高性能化、机械设备轻量化的进程加快，对尼龙（PA）的需求将大大加大。特别是PA作为结构性材料，对其强度、耐热性、耐寒性等方面提出了很高的要求。但是单纯的PA材料具有极性强、吸湿性强、尺寸稳定性差的缺点。

曾有报道：在PA中加入约30%的玻璃纤维，会使PA的力学性能、尺寸稳定性、耐热性、耐老化性能有明显提高，其中，耐疲劳强度是添加玻纤前的2.5倍。但是玻璃纤维增强PA的成型工艺中，因流动性较差，所以需要更高的注射压力、注射速度以及注射温度；另外，由于玻纤在注塑过程中会沿流动方向取向，引起力学性能和收缩率在取向方向上增强，导致制品容易变形翘曲；如果加入玻纤的比例较大，还会造成对注塑机塑化元件的磨损越大。

还有报道通过添加其他高性能的纤维，如聚酰亚胺纤维来增强PA，由于聚酰亚胺纤维价格不具有优势，导致改性PA的生产成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种强度大、稳定性好、耐疲劳强度高、成本低廉的复合纤维改性尼龙材料。

本发明的另一目的在于提供一种工艺简单的复合纤维改性尼龙材料制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙           50～70%

复合纤维       29～50%

助剂           1～20%；

其中，所述复合纤维由玻璃纤维与聚酰亚胺纤维混纺后经硅烷偶联剂进行表面处理形成，所述玻璃纤维与所述聚酰亚胺纤维的重量百分比为1～9:1。

以及，上述复合纤维改性尼龙材料的制备方法，包括如下步骤：

按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

将所述玻璃纤维与所述聚酰亚胺纤维进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，得到所述复合纤维；

将所述复合纤维与所述尼龙、助剂混合，熔融挤出，得到所述复合纤维改性尼龙材料；

其中，所述熔融挤出的温度为260～280℃，压力为1.2～2.5MPa，转速为250～300rpm。

本发明的复合纤维改性尼龙材料，采用玻璃纤维和聚酰亚胺纤维进行混纺后再用混硅烷偶联剂进行表面处理形成的复合纤维来对尼龙进行改性，复合利用玻璃纤维和聚酰亚胺纤维的良好机械力学性、耐热性、耐极低温性来改性尼龙，从而获得一种强度大、稳定性好、耐疲劳强度高的改性尼龙材料，并且利用聚酰亚胺纤维克服了玻璃纤维导致的制品易变形翘曲的缺点，以及通过使用玻璃纤维，从而减少聚酰亚胺纤维的使用量，节约成本。

上述复合纤维改性尼龙材料的制备方法通过先将玻璃纤维与所述聚酰亚胺纤维进行混纺，再使用偶联剂对混纺物进行表面处理以提高其复合性能与粘结强度，然后采用熔融挤出的方法将其对尼龙进行改性，从而赋予了该复合纤维改性尼龙材料优异的性能。该制备方法工艺简单、成本低廉，适于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例复合纤维改性尼龙材料的制备方法的工艺流程示意图；

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种强度大、稳定性好、耐疲劳强度高、成本低廉的复合纤维改性尼龙材料。该复合纤维改性尼龙材料包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙           50～70%

复合纤维       29～50%

助剂           1～20%；

其中，所述复合纤维由玻璃纤维与聚酰亚胺纤维混纺后经硅烷偶联剂进行表面处理形成，所述玻璃纤维与所述聚酰亚胺纤维的重量百分比为1～9:1。

具体地，上述尼龙为尼龙1010、尼龙11、尼龙12、尼龙6、尼龙610、尼龙612、尼龙66、尼龙8、尼龙9中的至少一种，优选为尼龙6和尼龙66。该优选的尼龙6和尼龙66具有较好的力学性能、耐热性、耐磨损性，且摩擦系数低、易于加工，适于用玻璃纤维或其它填料填充增强改性从而提高性能。

具体地，上述玻璃纤维为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高强玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维、无硼无碱玻璃纤维、低介电玻璃纤维中的至少一种，优选为无碱玻璃纤维。进一步地，上述玻璃纤维的直径为4～10nm，长度为50mm～60cm；直径优选为7nm，长度优选为50cm。该优选的无碱玻璃纤维为长纤，比有机纤维耐温高、不燃、抗腐，隔热、抗拉强度高，其填充于尼龙材料进行改性，克服尼龙材料尺寸稳定性差的缺点；并且该无碱玻璃纤维价格低廉，大大降低生产成本。

具体地，上述聚酰亚胺纤维为醚类均聚型或酮类共聚型。进一步地，上述聚酰亚胺纤维的直径为0.17～0.24mm，长度为50mm～60cm，直径优选为0.20mm，长度优选为50cm。该优选的聚酰亚胺纤维其填充于尼龙材料进行改性，可有效提高尼龙材料的机械力学性能、耐热性及可耐极低温性。

进一步地，上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为1～9:1，优选为5:1。通过将玻璃纤维和聚酰亚胺纤维共混成复合纤维对尼龙材料进行改性，既减少玻璃纤维的用量，从而避免尼龙制品变形翘曲或损坏注塑机，又减少聚酰亚胺纤维的用量，节约生产成本。

再进一步地，上述复合纤维的重量百分比优选为50%，长度优选为50cm。该优选的复合纤维对尼龙材料的改性效果最好，使改性后的尼龙材料的机械性能最好。

具体地，上述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种，优选为氨基硅烷，尤其是国内牌号为KH-550的硅烷偶联剂。该优选的KH-550硅烷偶联剂含有两种不同的活性基因——氨基和氧基，其在上述玻璃纤维和聚酰亚胺纤维的界面之间架起“分子桥”，把两种材料连接在一起，提高复合纤维的性能和增加粘接强度的作用。此外，该硅烷偶联剂还能改善复合纤维和尼龙材料之间的粘合性能，改善复合纤维在尼龙材料中的分散性和润湿性，大大提高复合纤维改性尼龙材料的干湿态抗弯强度、抗压强度、剪切强度等物理力学性能和湿态电气性能。

再进一步地，上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与上述硅烷偶联剂的重量百分比优选为40：10，该优选用量的硅烷偶联剂对于提高混合纤维的性能和增加粘接强度的效果最好。

具体地，上述助剂为相容剂、润滑剂、增韧剂等中的至少一种。

由上所述，本发明的复合纤维改性尼龙材料，采用玻璃纤维和聚酰亚胺纤维进行混纺后再用混硅烷偶联剂进行表面处理形成的复合纤维来对尼龙进行改性，复合利用玻璃纤维和聚酰亚胺纤维的良好机械力学性、耐热性、耐极低温性来改性尼龙，从而获得一种强度大、稳定性好、耐疲劳强度高的改性尼龙材料，并且利用聚酰亚胺纤维克服了玻璃纤维导致的制品易变形翘曲的缺点，以及通过使用玻璃纤维，从而减少聚酰亚胺纤维的使用量，节约成本。

相应地，本发明实施例还提供了上文复合纤维改性尼龙材料的制备方法。该方法的工艺流程图如图1所示，该方法包括如下步骤：

S01.称取配方组分：按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

S02.获得复合纤维：将上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理，得到所述复合纤维；

S03.形成混合物料：用上述硅烷偶联剂对步骤S02中获得的复合纤维与上述尼龙、助剂混合，熔融挤出，得到上述复合纤维改性尼龙材料；其中，熔融挤出的温度为260～280℃，压力为1.2～2.5MPa，转速为250～300rpm。

具体地，上述步骤S01中，用电子称（精度为1.0%）按比例分别称取尼龙、复合纤维、硅烷偶联剂、助剂，其中该尼龙、复合纤维、硅烷偶联剂、助剂的配比如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。

具体地，上述步骤S02中，将步骤S01称取的玻璃纤维加入聚酰亚胺纤维中（或者将聚酰亚胺纤维加入玻璃纤维中），搅拌混合，得到混合纤维。该优选的投料顺序便于分散纤维。

进一步地，上述步骤S02中，用上述硅烷偶联剂对混合纤维进行表面处理，该处理的方法可采用预处理填料法、水溶液法、底面法和直接加入法中的任一种，优选为水溶液法：先将水溶液首先用有机酸或盐将PH值调为5～7，充分搅拌；再加入硅烷偶联剂，使硅烷偶联剂溶液的浓度为1%；继续搅拌直到透明，然后加入复合纤维浸泡处理，浸泡时间为3～5小时。

具体地，上述步骤S03中熔融挤出的步骤在双螺杆挤出机中进行，其中双螺杆挤出机的参数设定为：进料端温度为260～265℃，一区温度260～265℃，二区温度265～270℃，三区温度265～270℃，四区温度265～270℃，机头270～280℃，停留时间3～8min，压力为1.2～2.5MPa，转速为250～300rpm；优选为进料端温度为260℃，一区温度265℃，二区温度265℃，三区温度270℃，四区温度270℃，机头280℃，停留时间5min，压力为2MPa。

上述复合纤维改性尼龙材料的制备方法通过先制备复合纤维，使用偶联剂提高其复合性能与粘结强度，然后采用熔融挤出的方法将其对尼龙进行改性，从而赋予了该复合纤维改性尼龙材料优异的性能。该制备方法工艺简单、成本低廉，适于工业化生产。

现结合具体实例，对本发明实施例复合纤维改性尼龙材料及其制备方法进行进一步详细说明。

实施例1

一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙                        65%

复合纤维                    30%

助剂                        5%，

其中，上述复合纤维由直径为7nm、长度为50mm玻璃纤维长纤和直径为0.20mm、长度为50mm聚酰亚胺纤维长纤经硅烷偶联剂进行表面处理形成，该玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为5:1，玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与硅烷偶联剂的重量百分比为40：10。

该复合纤维改性尼龙材料的制备方法如下：

S11.按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

S12.将上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维搅拌混合进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，其中KH-550硅烷偶联剂水溶剂的浓度为1%，浸泡时间为3～5小时；然后干燥处理，除去复合纤维中的水分，得到该复合纤维；

S13.将步骤S12中获得的复合纤维与上述尼龙、助剂混合，形成混合物料，熔融挤出，得到上述复合纤维改性尼龙材料；其中，进料端温度为260℃，一区温度260℃，二区温度265℃，三区温度270℃，四区温度270℃，机头280℃，停留时间5min，压力为2MPa。

实施例2

一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙                        55%

复合纤维                    40%

助剂                        5%，

其中，上述复合纤维由直径为7nm、长度为50mm玻璃纤维长纤和直径为0.2mm、长度为50mm聚酰亚胺纤维长纤经硅烷偶联剂进行表面处理形成，该玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为6:1，玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与硅烷偶联剂的重量百分比为40：10。

该复合纤维改性尼龙材料的制备方法如下：

S21.按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

S22.将上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维搅拌混合进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，其中KH-550硅烷偶联剂水溶剂的浓度为1%，浸泡时间为3～5小时；然后干燥处理，除去复合纤维中的水分，得到该复合纤维；

S23.将步骤S22中获得的复合纤维与上述尼龙、助剂混合，形成混合物料，熔融挤出，得到上述复合纤维改性尼龙材料；其中，进料端温度为260℃，一区温度265℃，二区温度265℃，三区温度270℃，四区温度270℃，机头280℃，停留时间5min，压力为2MPa。

实施例3

一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙                        50%

复合纤维                    45%

助剂                        5%，

其中，上述复合纤维由直径为7nm、长度为50mm玻璃纤维长纤和直径为0.20m、长度为50mm聚酰亚胺纤维长纤经硅烷偶联剂进行表面处理形成，该玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为7:1，玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与硅烷偶联剂的重量百分比为40：10。

该复合纤维改性尼龙材料的制备方法如下：

S31.按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

S32.将上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维搅拌混合进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，其中KH-550硅烷偶联剂水溶剂的浓度为1%，浸泡时间为5小时；然后干燥处理，除去复合纤维中的水分，得到该复合纤维；

S33.将步骤S32中获得的复合纤维与上述尼龙、助剂混合，形成混合物料；

S34.熔融挤出：将步骤S33中制得的混合物料熔融挤出，得到上述复合纤维改性尼龙材料；其中，进料端温度为260℃，一区温度260℃，二区温度265℃，三区温度265℃，四区温度270℃，机头280℃，停留时间5min，压力为2MPa。

实施例4

一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙                        45%

复合纤维                    50%

助剂                        5%，

其中，上述复合纤维由直径为7nm、长度为50mm玻璃纤维长纤和直径为0.20m、长度为50mm聚酰亚胺纤维长纤经硅烷偶联剂进行表面处理形成，该玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为8:1，玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与硅烷偶联剂的重量百分比为40：10。

该复合纤维改性尼龙材料的制备方法如下：

S41.按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

S42.将上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维搅拌混合进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，其中KH-550硅烷偶联剂水溶剂的浓度为1%，浸泡时间为5小时；然后干燥处理，除去复合纤维中的水分，得到该复合纤维；

S43.将步骤S42中获得的复合纤维与上述尼龙、助剂混合，形成混合物料，熔融挤出，得到上述复合纤维改性尼龙材料；其中，进料端温度为260℃，一区温度260℃，二区温度265℃，三区温度265℃，四区温度270℃，机头270℃，停留时间5min，压力为2MPa。

实施例5

一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙                        60%

复合纤维                    35%

助剂                        5%，

其中，上述复合纤维由直径为7nm、长度为50mm玻璃纤维长纤和直径为0.20mm、长度为50mm聚酰亚胺纤维长纤经硅烷偶联剂进行表面处理形成，该玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的重量百分比为8:1，玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与硅烷偶联剂的重量百分比为40:10。

该复合纤维改性尼龙材料的制备方法如下：

S51.按照上述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

S52.将上述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维搅拌混合进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，其中KH-550硅烷偶联剂水溶剂的浓度为1%，浸泡时间为5小时；然后干燥处理，除去复合纤维中的水分，得到该复合纤维；

S53.将步骤S52中获得的复合纤维与上述尼龙、助剂混合，形成混合物料；

S54.熔融挤出：将步骤S53中制得的混合物料熔融挤出，得到上述复合纤维改性尼龙材料；其中，进料端温度为260℃，一区温度260℃，二区温度265℃，三区温度265℃，四区温度270℃，机头270℃，停留时间5min，压力为2MPa。

复合纤维改性尼龙材料的相关性能测试

先将上述实施例1至实施例5和对比实例制备的复合纤维改性尼龙材料粒料进行切割加工处理：将复合纤维改性尼龙材料粒料干燥处理后，在万能制样机上切割加工制样，再按照ASTM相关标准抽检进行物理力学性能及耐候性测试，测试结果如下表1所示：

表1

分析表1可以得知：经过复合纤维改性增强后的尼龙PA树脂具有极好的强度，当复合纤维含量在50％时材料的机械性能最好，同时复合纤维含量在30～50%之间的尼龙树脂复合材料能能很好的反应性能与复合纤维含量间的线性关系，说明在树脂和复合纤维在完全充分浸润的条件下，材料性能由复合纤维含量决定。

但是，由于复合纤维的含量增加，使其纺织加工与热熔加工成本都较高，导致产品制件性价比较低。而且复合纤维含量过高，尼龙树脂过少就难以做到对纤维的充分浸润，使得产品制件在受力后在浸润不充分的部分没有树脂分散受力，使该处复合纤维首先发生断裂，进而破坏复合尼龙树脂的整体性，由该断裂处产生受力集中，使制件整体破坏，同时其浸润不完全一定程度上还对制件外观造成不利影响，降低产品的成品率，增加生产加工成本。

综上，复合纤维重量百分含量为30～50%的尼龙复合材料是最佳的配比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下重量百分比的配方组分：

尼龙           50～70%

复合纤维       29～50%

助剂           1～20%；

其中，所述复合纤维由玻璃纤维与聚酰亚胺纤维混纺后经硅烷偶联剂进行表面处理形成，所述玻璃纤维与所述聚酰亚胺纤维的重量百分比为1～9:1。

2.如权利要求1所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述玻璃纤维与聚酰亚胺纤维的总重量与所述硅烷偶联剂的重量百分比为30～50:1～15。

3.如权利要求1～2所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高强玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维、无硼无碱玻璃纤维、低介电玻璃纤维中的至少一种。

4.如权利要求1～2所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述玻璃纤维为的直径为4～10nm，长度为50mm～60cm。

5.如权利要求1～2所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述聚酰亚胺纤维为醚类均聚型或酮类共聚型。

6.如权利要求1～2所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述聚酰亚胺纤维的直径为0.17～0.24mm，长度为50mm～60cm。

7.如权利要求1～2所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种。

8.如权利要求1所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述尼龙为尼龙1010、尼龙11、尼龙12、尼龙6、尼龙610、尼龙612、尼龙66、尼龙8、尼龙9中的至少一种。

9.如权利要求1所述的复合纤维改性尼龙材料，其特征在于，所述助剂为相容剂、润滑剂、增韧剂等中的至少一种。

10.一种复合纤维改性尼龙材料，包括如下步骤：

按照权利要求1～9任一所述的复合纤维改性尼龙材料配方分别称取各组分；

将所述玻璃纤维与所述聚酰亚胺纤维进行混纺，采用混硅烷偶联剂对混纺物进行表面处理后，得到所述复合纤维；

将所述复合纤维与所述尼龙、助剂混合，熔融挤出，得到所述复合纤维改性尼龙材料；

其中，所述熔融挤出的温度为260～280℃，压力为1.2～2.5MPa，转速为250～300rpm。

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