CN103980709A - 一种水表外壳用复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子复合材料技术领域，尤其涉及一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：聚苯硫醚35%～80%；聚对苯二甲酸乙二醇酯15%～45%；玻璃纤维1%～10%；相容剂1%～5%；增韧剂1%～5%。相对于现有技术，本发明通过采用PPS作为基体，并用PET对其进行共混改性，再加上玻璃纤维的增强作用、相容剂的增容作用以及增韧剂的增韧作用，使得本发明不仅可以充分发挥PPS基体的优点，而且克服了其缺点，如韧性差和抗冲击性差等，使得本发明的复合材料具有强度高、韧性好的优点，在抗拉、抗弯、硬度、延伸率和抗冲击性等方面表现优异。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，尤其涉及一种水表外壳用复合材料。
背景技术
水表是用以累计流过管道中水的总量的流量测量仪表，其内部结构从外向里可以分为外壳、套筒和内芯三大件。其中，目前水表的外壳主要是由不锈钢、黄铜、球墨铸铁和灰铸铁等材质制成，但是，这几种材质各有其缺点：
一者，对于不锈钢来说，若采用不锈钢制造水表的外壳，虽能符合饮水卫生要求，但其成本较高，且不易加工，所以不适宜批量生产。 二者，对于黄铜来说，若用普通黄铜制造水表的外壳，其卫生要求很难达到，而若用锡青铜、无铅铜制造水表的外壳，则成本较高，且资源缺乏，户外安装又容易被盗，目前情况下也不适合我国国情。 三者，对于灰铸铁来说，一旦其内部防腐处理不好，短时间就会生锈，造成水质的二次污染。而且由于采用灰铸铁制造的水表外壳抗拉强度低、韧性差、抗腐蚀能力弱，在水表安装时易断，冬天结冰时易爆裂。
最后，对于球墨铸铁来说，其显著特点是强度高、韧性好、抗腐蚀能力强，在抗拉、抗弯、硬度、延伸率、耐冲击性及水压试验等方面的技术性能都大大优于灰铸铁。但其成本较高。
有鉴于此，确有必要提供一种成本低廉、强度高、韧性好、抗腐蚀能力强，在抗拉、抗弯、硬度、延伸率和抗冲击性等方面的技术性能优异的水表外壳用复合材料。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种成本低廉、强度高、韧性好、抗腐蚀能力强，在抗拉、抗弯、硬度、延伸率及抗冲击性等方面的技术性能优异的水表外壳用复合材料。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 35%～80%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 15%～45%；
玻璃纤维 1%～10%；
相容剂 1%～5%；
增韧剂 1%～5%。
其中，聚苯硫醚（PPS）是以苯环在对位上连接硫原子而形成大分子主链，其聚合物结晶度较高，熔点在280℃左右，分解温度大于400℃，其具有优良的耐热性能、优异的耐腐蚀性、优异的阻燃性能、优良的电性能和优良的尺寸稳定性，其成型收缩率小于0.0025%，吸水率小于0.05%，线性热膨胀系数也较小，在恶劣环境与高温条件下成型品不易扭曲变形，成型品尺寸再现性良好，耐化学性优异，对碱、盐类以及无机酸的抵抗性极强，且无毒，表面硬度高，刚性强，并具有优异的耐疲劳性与耐蠕变性。
但将其作为水表外壳的材料仍然存在着不足之处，主要表现在：
第一，由于其分子结构单一，主链仅有苯环和硫原子构成，分子链运动困难，使得纯PPS制品脆性大，韧性较差；
第二，PPS结构的高度对称导致PPS的结晶度较高，成型加工对设备的温度要求较高；
第三，PPS的非晶部分玻璃化转变温度较低（Tg=85℃），当温度超过90℃时，许多机械性能呈现不同程度的降低。
其中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）分子结构高度对称，耐蠕变、抗疲劳性、耐摩擦性好，磨耗小而硬度高，具有热塑性塑料中最大的韧性，电绝缘性能好，受温度影响小，无毒、耐候性、抗化学药品稳定性好，吸水率低。将PPS与PET共混，可以提高材料的韧性。
其中，玻璃纤维（GF）是一种性能优异的无机非金属增强材料，其优点是机械强度高、绝缘性好、抗腐蚀性强、耐热性强。玻璃纤维的添加能够提高材料的抗弯曲性、抗冲击性、抗收缩性和延展性。这是因为，当把玻璃纤维加入到PPS基体中时，可作为成核剂，使PPS分子链围绕纤维周围结晶，从而形成较强的界面粘附。当机体受力时，通过界面将应力传递到纤维，使其起结构支撑作用，进而改善复合材料的力学性能和机械性能。
玻璃纤维、相容剂和增韧剂的加入还可以降低复合材料成型加工时对设备的温度要求。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 50%～70%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 20%～40%；
玻璃纤维 3%～7%；
相容剂 2%～4%；
增韧剂 2%～4%。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 60%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 30%；
玻璃纤维 4%；
相容剂 3%；
增韧剂 3%。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，所述相容剂为三元乙丙橡胶接枝马来酸酐，其可以与聚合物形成反应型增容。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，所述增韧剂为乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（E-MA-GMA），其具有较好的增韧效果及增容效果。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，所述复合材料还包括质量百分比为0.05‰～5‰的偶联剂。由于玻璃纤维具有亲水性，而PPS则具有疏水性，因此，未经表面处理的玻璃纤维被基体包覆少，两者的界面粘附弱。采用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理后，偶联剂与PPS发生反应，或者PPS与偶联剂分子在界面层相互扩散形成互穿网络及分子链物理缠结，可增强界面粘接强度，改善材料的机械性能。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂和/或硅烷偶联剂。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，其制备方法包括以下步骤：
第一步，按质量比例称取将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、相容剂和增韧剂；将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于105～120℃下干燥8～20h；
第二步，将相容剂、增韧剂和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维按比例混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为60～100r/min，喂料速度为15～40r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在105～130℃下干燥8～24h，得到成品。
作为本发明水表外壳用复合材料的一种改进，在第一步和第二步之间还包括用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理的步骤，该步骤具体为：将玻璃纤维加入偶联剂中，将二者充分混合均匀后，干燥处理。
相对于现有技术，本发明通过采用PPS作为基体，并用PET对其进行共混改性，再加上玻璃纤维的增强作用、相容剂的增容作用以及增韧剂的增韧作用，使得本发明不仅可以充分发挥PPS基体的优点，而且克服了其缺点，如韧性差和抗冲击性差等，使得本发明的复合材料具有强度高、韧性好的优点，在抗拉、抗弯、硬度、延伸率和抗冲击性等方面表现优异。而且PPS和PET这两种共混材料本身均具有无毒、耐蠕变性好、尺寸稳定性好、吸水率低、受温度影响小、耐候性和抗化学药品稳定性好等优点，使得本发明完全可以用于制作水表的外壳，且能够适应各种不同的环境，在极端恶劣的环境中也可以长期正常使用。此外，本发明所使用的原料成本较低，因此，可以降低水表用外壳的生产成本。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。
实施例1
本实施例提供的一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 59.7%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 30%；
玻璃纤维 4%；
相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐 3%；
增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯 3%；
硅烷偶联剂 3‰。
其制备方法为：
第一步，按质量比例59.7：30：4：3：3：0.3分别称取聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和硅烷偶联剂，然后将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于110℃下干燥12h；
将干燥后的玻璃纤维加入硅烷偶联剂中，将二者充分混合均匀后，干燥处理，得到表面处理后的玻璃纤维。
第二步，将相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和表面处理后的玻璃纤维混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为80r/min，喂料速度为30r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在110℃下干燥10h，得到成品。
实施例2
本实施例提供的一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 65.9%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 20%；
玻璃纤维 8%；
相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐 2%；
增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯 4%；
钛酸酯偶联剂 1‰。
其制备方法为：
第一步，按质量比例65.9：20：8：2：4：0.1分别称取聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和钛酸酯偶联剂，然后将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于115℃下干燥10h；
将干燥后的玻璃纤维加入钛酸酯偶联剂中，将二者充分混合均匀后，干燥处理，得到表面处理后的玻璃纤维。
第二步，将相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和表面处理后的玻璃纤维混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为70r/min，喂料速度为20r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在120℃下干燥15h，得到成品。
实施例3
本实施例提供的一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 50.98%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 40%；
玻璃纤维 3%；
相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐 4%；
增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯 2%；
钛酸酯偶联剂 0.2‰。
其制备方法为：
第一步，按质量比例50.98：40：3：4：2：0.02分别称取聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和钛酸酯偶联剂，然后将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于105℃下干燥20h；
将干燥后的玻璃纤维加入钛酸酯偶联剂中，将二者充分混合均匀后，干燥处理，得到表面处理后的玻璃纤维。
第二步，将相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和表面处理后的玻璃纤维混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为90r/min，喂料速度为25r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在125℃下干燥10h，得到成品。
实施例4
本实施例提供的一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 77.96%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 15%；
玻璃纤维 5%；
相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐 1%；
增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯 1%；
硅烷偶联剂 0.4‰。
其制备方法为：
第一步，按质量比例77.96：15：5：1：1：0.04分别称取聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和硅烷偶联剂，然后将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于120℃下干燥8h；
将干燥后的玻璃纤维加入硅烷偶联剂中，将二者充分混合均匀后，干燥处理，得到表面处理后的玻璃纤维。
第二步，将相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和表面处理后的玻璃纤维混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为100r/min，喂料速度为40r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在130℃下干燥8h，得到成品。
实施例5
本实施例提供的一种水表外壳用复合材料，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 42.5%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 37%；
玻璃纤维 10%；
相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐 5%；
增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯 5%；
硅烷偶联剂 5‰。
其制备方法为：
第一步，按质量比例42.5：37：10：5：5：0.5分别称取聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和硅烷偶联剂，然后将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于105℃下干燥20h；
将干燥后的玻璃纤维加入硅烷偶联剂中，将二者充分混合均匀后，干燥处理，得到表面处理后的玻璃纤维。
第二步，将相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐、增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和表面处理后的玻璃纤维混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为60r/min，喂料速度为15r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在105℃下干燥24h，得到成品。
将实施例1至5的成品注塑成标准样条，分别编号为S1-S5，注塑温度依次为305℃、310℃、310℃、310℃、305℃，螺杆转数为100r/min，注塑压力为75MPa，模具温度为80℃。
对编号为S1-S5的标准样条进行力学测试，具体的，冲击性能（冲击强度）测试按GB/T 1843-1996执行，拉伸性能（拉伸强度和断裂伸长率）测试按GB/T 1040-2006执行，弯曲性能（弯曲强度和弯曲模量）测试按GB/T 9341-2000执行，耐热性能（热变形温度）测试按GB/T 9341-2000执行，所得结果见表1。
表1：编号为S1-S5的各标准样条的各项测试结果。
| 标准样条编号 | 冲击强度（J/m） | 拉伸强度（MPa） | 断裂伸长率（%） | 弯曲强度（MPa） | 弯曲模量（MPa） | 热变形温度（℃） |
| S1 | 48 | 80 | 11 | 125 | 2700 | 96 |
| S2 | 45 | 75 | 12 | 122 | 2500 | 97 |
| S3 | 47 | 77 | 9 | 126 | 2900 | 93 |
| S4 | 40 | 70 | 8 | 128 | 3000 | 90 |
| S5 | 42 | 72 | 13 | 116 | 2300 | 88 |
其中，冲击强度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的韧性程度，是断裂过程中所消耗的外界能量大小的度量，即试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。
拉伸强度是最大载荷值除以样条断裂处在初制时样品的截面积，断裂伸长率是样品断裂伸长值和样品原长度的比值。
弯曲性能测试主要用来检验材料在经受弯曲负荷作用时的性能，主要包括弯曲强度和弯曲模量两种参数。
热性变温度代表材料在一定温度和载荷下保持尺寸稳定性的能力，玻璃纤维的加入可以提高材料的热变形温度。
由表1可知，本发明的材料具有韧性好、强度高的优点，在抗拉、抗弯、硬度、耐热性、延伸率和抗冲击性等方面表现优异。而且本发明的材料无毒、耐蠕变性好、尺寸稳定性好、吸水率低、耐候性和抗化学药品稳定性好等优点，使得本发明完全可以用于制作水表的外壳，且能够适应各种不同的环境，在极端恶劣的环境中也可以长期正常使用。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (9)
1.一种水表外壳用复合材料，其特征在于，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 35%～80%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 15%～45%；
玻璃纤维 1%～10%；
相容剂 1%～5%；
增韧剂 1%～5%。
2.根据权利要求1所述的水表外壳用复合材料，其特征在于，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 50%～70%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 20%～40%；
玻璃纤维 3%～7%；
相容剂 2%～4%；
增韧剂 2%～4%。
3.根据权利要求2所述的水表外壳用复合材料，其特征在于，按质量百分比计，所述复合材料包括：
聚苯硫醚 60%；
聚对苯二甲酸乙二醇酯 30%；
玻璃纤维 4%；
相容剂 3%；
增韧剂 3%。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的水表外壳用复合材料，其特征在于：所述相容剂为三元乙丙橡胶接枝马来酸酐。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的水表外壳用复合材料，其特征在于：所述增韧剂为乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯。
6.根据权利要求1或2所述的水表外壳用复合材料，其特征在于：所述复合材料还包括质量百分比为0.05‰～5‰的偶联剂。
7.根据权利要求6所述的水表外壳用复合材料，其特征在于：所述偶联剂为钛酸酯偶联剂和/或硅烷偶联剂。
8.根据权利要求1所述的水表外壳用复合材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
第一步，按质量比例称取将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维、相容剂和增韧剂；将聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维置于干燥箱中，于105～120℃下干燥8～20h；
第二步，将相容剂、增韧剂和干燥后的聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯和玻璃纤维按比例混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，得到粒料，挤出机的温度为270～300℃，螺杆转速为60～100r/min，喂料速度为15～40r/min；
第三步，将第二步所得粒料于真空烘箱中在105～130℃下干燥8～24h，得到成品。
9.根据权利要求8所述的水表外壳用复合材料，其特征在于：在第一步和第二步之间还包括用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理的步骤。
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