CN105273335B - 一种塑料金属合金复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种塑料金属合金复合材料及其制备方法，包括硅烷偶联剂改性的热塑性塑料、镍铝金属间化合物和金属合金材料组分，其中，金属合金与镍铝金属间化合物质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比为1:15～1:2，优选为1：10。本发明通过用硅烷偶联剂对热塑性塑料进行改性，加入镍铝金属间化合物，并调节各组分间的配比，制备得到了拉伸强度高且耐腐蚀性好的塑料金属合金复合材料，其拉伸强度达到85MPa以上。
Description
技术领域
本发明属于材料及加工成型领域，具体涉及一种塑料金属合金复合材料及其制备方法。
背景技术
塑料制品因重量轻，价格低廉，耐腐蚀，可绝缘，耐磨，良好的成形性等优点而广泛使用。但塑料也因它的不足之处而使用受到限制，主要在于强度、硬度较低，不耐热、易老化和蠕变等，为改善其性能，在进行塑料的注射成型过程中将塑料的原材料里加入具有更高性能的金属合金的微细粉末，制备出具有更高的强度和硬度、更高的耐热性、增强耐磨性能、有效阻燃、能导电、具有金属炫彩的塑料金属合金复合材料。
对于塑料和金属的复合材料制备，目前比较普遍采用的方法是层压的方式像钢塑和铝塑材料。中国专利文献CN1186017A(申请号9612145.1)提供了一种采用等静压方式制备的金属-塑料复合材料。这种材料依次由金属底层、粘结层、增强金属网或非金属网、表面润滑层组成，采用热等静压或连续热辊压成型工艺进行生产。但这些复合材料均存在明显的连续界面，降低复合材料的性能，而且不能改变基体材料的性能，具有很大的局限性。
中国专利CN 102977448A公开了一种塑料金属合金复合材料及其制备方法，包括热塑性塑料和金属合金材料组分，其中，热塑性塑料与金属合金的质量比为20:1～1:1。该塑料金属合金复合材料的制备方法如下：通过搅拌将金属合金粉末与塑料粒子混合均匀，得到混合料，将混合料送入注射机并在塑化过程中加热，使塑料粒子熔化至粘流态，在注塑机上螺杆或柱塞的推动下，使混合料受到一定的注射压力，并填充到模具的型腔内，冷却后得到与模具形状匹配的塑料金属合金复合材料的型材。但是该复合材料的界面结合性差；复合材料型材的拉伸强度有待进一步提高，且抗腐蚀性能差。
发明内容
针对现有技术中塑料金属合金复合材料的复合材料的界面结合性差；复合材料的强度和抗腐蚀性不高的缺点，本发明的目的是提供一种高拉伸强度且耐腐蚀性好的塑料金属合金复合材料，同时本发明还公开了用该材料制备型材的方法，生产工艺过程中通过采用镍铝金属间化合物、硅烷偶联剂改性的热塑性塑料和金属合金复合作为原料制备塑料金属合金复合材料，所得复合材料拉伸强度达到85MPa以上，耐腐蚀性好。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种塑料金属合金复合材料，所述的塑料金属合金复合材料，包括镍铝金属间化合物、硅烷偶联剂改性的热塑性塑料和金属合金组分。
金属合金与镍铝金属间化合物质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比为1:15～1:2，例如可为1：15、1：14、1：10、1：9、1：7、1：5、1：4或1：2等。优选为1：10。
所述金属合金为铝的合金，或铜的合金。其成分为AaBb，其中A为Al或Cu两种金属元素中的一种，B是合金中其他元素的组合，其它元素一般包括Mn、Si、Zn等的多种元素，a、b为质量份数。
优选地，所述合金成分A和B的质量份数a、b应满足：a+b＝100，68≤a≤100，0＜b≤25。
优选地，所述金属合金与镍铝金属间化合物的质量比为25：1～50：1，例如可为25：1、27：1、30：1、35：1、38：1、40：1、43：1、48：1或50：1等。优选为39：1。
镍铝金属间化合物由金属键、共价键和离子键混合结合而成，形成有序的超点阵结构，其具有金属的特性，如金属光泽、金属导电性及导热性等。但是金属间化合物的脆性大，限制了它的应用。镍铝金属间化合物中的金属键有利于其与金属合金的结合，另一方面其上的共价键又有利于其与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的界面结合，通过调节金属合金与镍铝金属间化合物的添加比例，并与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料混合注塑可以克服镍铝合金脆性大及塑料金属合金复合材料界面结合性差的缺点，制备得到界面结合性好、拉伸强度高及耐腐蚀性优良的塑料金属合金复合材料。
其中，所述热塑性塑料包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)或聚苯乙烯(PS)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合例如可为聚乙烯和聚氯乙烯的组合，聚氯乙烯和聚苯乙烯的组合，聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯的组合等。
所述硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的制备原料中，硅烷偶联剂占总质量的质量百分比为1.5wt％～5wt％。例如可为1.5wt％、2wt％、2.2wt％、2.5wt％、2.6wt％、2.8wt％、3wt％、3.4wt％、4wt％、4.5wt％、4.8wt％或5wt％等。
通过用硅烷偶联剂改性热塑性塑料，硅烷偶联剂中的活性基团如芳基、环氧基和烷基等与线型或带支链结构的树脂分子链发生作用，具有很强的界面结合作用。而且，硅烷偶联剂能够实现其与金属的高效界面结合，这是由于硅烷偶联剂上的甲基能够通过水解后形成羟基，然后分子间缩合脱水，由于氢键作用，硅烷偶联剂上的羟基会朝金属表面的氧原子靠近，最后脱水形成醚键，从而提高偶联剂与金属基体的结合力。
优选地，所述硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的制备方法如下：
将相应成分的块状或颗粒状塑料经制粒机制成颗粒状或粉末状塑料粒子；
在高压反应釜中先加入有机溶剂，然后加入硅烷偶联剂，搅拌均匀后，在80～130rpm的搅拌速度下加入颗粒状或粉末状塑料粒子，密闭反应釜，加热到60℃～90℃，保温，控制搅拌速度为1500rpm，搅拌1h；
冷却后固液分离后，将固相部分60℃～80℃烘干，气流磨粉碎，得到硅烷偶联剂改性的热塑性塑料。
第二方面，本发明提供了如上所述的塑料金属合金复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
①将金属合金制成粉末，将镍铝金属间化合物制成粉末，将二者混合均匀得到混合金属粉末；
②在保护气体的氛围下，通过搅拌将硅烷偶联剂改性的热塑性塑料与混合金属粉混合均匀，得到硅烷偶联剂改性的热塑性塑料与金属合金的混合料；
③将步骤②得到的混合料填充至注射机料斗中，通过注塑机上的螺杆输送至塑化区；
④混合料在注射机塑化过程中加热，使塑料粒子熔化至粘流态，螺杆的运动起到搅拌作用，使金属合金粉末及镍铝金属间化合物和粘流态的塑料混合更加均匀；
⑤在注塑机上螺杆或柱塞的推动下，使混合料受到一定的注射压力，并填充到模具的型腔内，冷却后得到与模具形状匹配的塑料金属合金复合材料的型材。
以上步骤中，步骤①中所述的塑料粒子的平均粒径为10mm～12mm。
以上步骤中，步骤①中所述的合金粉末的平均粒径为50μm～80μm。
以上步骤中，步骤①中所述的镍铝金属间化合物粉末的平均粒径为50μm～80μm。
以上步骤中，步骤④中塑化加热温度为100℃～150℃。
以上步骤中，步骤⑤中的注射压力为50MPa～200MPa。
与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用硅烷偶联剂改性热塑性塑料，硅烷偶联剂上的活性基团如芳基、环氧基和烷基等与线型或带支链结构的树脂分子链发生作用，具有很强的界面结合性。而且，硅烷偶联剂能够实现其与金属的高效界面结合，从而实现硅烷偶联剂改性的热塑性塑料与金属基体的高效结合，从而提高复合材料的拉伸强度及耐腐蚀性等性能。
(2)通过调节镍铝金属间化合物与金属合金的质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比，注塑成型制备塑料金属合金复合材料，并利用镍铝金属间化合物中的金属键有利于其与金属合金的结合，共价键又有利于其与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的界面结合的特点，制备得到界面结合性好、强度高及耐腐蚀性优良的塑料金属合金复合材料，其拉伸强度可达85MPa以上。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
配制酸蚀液：
按照ISO10271的方法来配制酸蚀液，即在300mL蒸馏水中加入(10.0±0.1)g 90％C3H6O3(分析纯)和(5.85±0.005)g NaCl，然后把溶液稀释至(1000±10)mL，pH为2.3。
测定方法：
根据每平方厘米合金对应1mL酸蚀液的标准，每个玻璃容器内加入6.5mL酸蚀液；将受试样品放置于已加液的玻璃瓶内，封闭；于37℃的恒温水浴箱内放置7天后取出送检；采用电感耦合等离子体发射光谱仪(inductively coupled plasma atomicemissionspectroscopy，ICP-AES)测量各个试管中铝离子浓度。
实施例1：
(1)制备硅烷偶联剂改性的热塑性塑料：
将聚乙烯塑料经制粒机制成聚乙烯塑料粒子；
在高压反应釜中先加入乙醇，然后加入1.5kg硅烷偶联剂，搅拌均匀后，在80rpm的搅拌速度下加入98.5kg聚乙烯塑料粒子，密闭反应釜，加热到60℃，保温，控制搅拌速度为1500rpm，搅拌1h；
冷却后固液分离后，将固相部分60℃烘干，气流磨粉碎，得到硅烷偶联剂改性的热塑性塑料。
(2)制备塑料金属合金复合材料：
本实施例的塑料金属合金复合材料的成分及制备的步骤如下：
①将6.41kg块状A356合金通过机械球磨成粉末并过200目筛，得到平均粒径为75μm的合金粉末。A356铝合金的成分为6.8～7.0％Si，0.25～0.35％Mg，0.15～0.3％Mn，0.20％Cr，0.01％Ni。其余为Al。A356铝合金也符合通式AaBb，A356铝合金中，由于其它元素B中主要成分为Si和Mg，所以，A356铝合金中的B为Si和Mg两种金属的组合；
将0.26kg块状Ni24Al通过机械球磨成粉末并过200目筛，得到平均粒径为75μm的镍铝金属间化合物粉末。
将上述两种粉末混合均匀得到混合金属粉末。
②在氮气气氛下，将聚乙烯塑料粒子与步骤①制备得到的混合金属粉末投至混料器搅拌混合均匀，得到混合料；
③将步骤②得到的混合料填充至注射机料斗中，通过螺杆将混合料输送至塑化区；
④通过加热使塑料与金属合金的混合料在注射机塑化过程中塑料将熔化至粘流态，由螺杆的运动使金属粉末和基体塑料混合更加均匀，加热温度为100℃；
⑤在柱塞或螺杆的推动下使混合物注射填充到模具的型腔内，得到相应形状的塑料金属合金复合材料或塑料金属复合材料的零件型材。填充型腔时注射压力为120MPa。保持压力为50MPa，保压时间为5min，脱模取出即可得到相应形状的塑料金属复合材料零件。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
实施例2
(1)制备硅烷偶联剂改性的热塑性塑料：
将聚氯乙烯塑料经制粒机制成聚氯乙烯塑料粒子；
在高压反应釜中先加入丙酮，然后加入5kg硅烷偶联剂，搅拌均匀后，在130rpm的搅拌速度下加入95kg聚乙烯塑料粒子，密闭反应釜，加热到90℃，保温，控制搅拌速度为1500rpm，搅拌1h；
冷却后固液分离后，将固相部分80℃烘干，气流磨粉碎，得到硅烷偶联剂改性的热塑性塑料。
(2)制备塑料金属合金复合材料：
本实施例的塑料金属合金复合材料的成分及制备的步骤如下：
①将49kg块状A356合金通过机械球磨成粉末并过250目筛，得到平均粒径为60μm的合金粉末。
将1kg块状Ni3Al通过机械球磨成粉末并过250目筛，得到平均粒径为60μm的镍铝金属间化合物粉末。
将上述两种粉末混合均匀得到混合金属粉末。
②在氦气气氛下，将聚氯乙烯塑料粒子与步骤①制备得到的混合金属粉末投至混料器搅拌混合均匀，得到混合料；
③将步骤②得到的混合料填充至注射机料斗中，通过螺杆将混合料输送至塑化区；
④通过加热使塑料与金属合金的混合料在注射机塑化过程中塑料将熔化至粘流态，由螺杆的运动使金属粉末和基体塑料混合更加均匀，加热温度为150℃；
⑤在柱塞或螺杆的推动下使混合物注射填充到模具的型腔内，得到相应形状的塑料金属合金复合材料或塑料金属复合材料的零件型材。填充型腔时注射压力为120MPa。保持压力为200MPa，保压时间为1min，脱模取出即可得到相应形状的塑料金属复合材料零件。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
实施例3
(1)制备硅烷偶联剂改性的热塑性塑料：
将聚苯乙烯塑料经制粒机制成聚苯乙烯塑料粒子；
在高压反应釜中先加入氯仿，然后加入3kg硅烷偶联剂，搅拌均匀后，在100rpm的搅拌速度下加入97kg聚苯乙烯塑料粒子，密闭反应釜，加热到75℃，保温，控制搅拌速度为1500rpm，搅拌1h；
冷却后固液分离后，将固相部分70℃烘干，气流磨粉碎，得到硅烷偶联剂改性的热塑性塑料。
(2)制备塑料金属合金复合材料：
本实施例的塑料金属合金复合材料的成分及制备的步骤如下：
①将9.75kg块状7075合金通过机械球磨成粉末并过300目筛，得到平均粒径为50μm的合金粉末。
将0.25kg块状Ni24Al通过机械球磨成粉末并过300目筛，得到平均粒径为50μm的镍铝金属间化合物粉末。
将上述两种粉末混合均匀得到混合金属粉末。
②在氖气气氛下，将聚苯乙烯塑料粒子与步骤①制备得到的混合金属粉末投至混料器搅拌混合均匀，得到混合料；
③将步骤②得到的混合料填充至注射机料斗中，通过螺杆将混合料输送至塑化区；
④通过加热使塑料与金属合金的混合料在注射机塑化过程中塑料将熔化至粘流态，由螺杆的运动使金属粉末和基体塑料混合更加均匀，加热温度为150℃；
⑤在柱塞或螺杆的推动下使混合物注射填充到模具的型腔内，得到相应形状的塑料金属合金复合材料或塑料金属复合材料的零件型材。填充型腔时注射压力为120MPa。保持压力为200MPa，保压时间为1min，脱模取出即可得到相应形状的塑料金属复合材料零件。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
实施例4
除金属合金与镍铝金属间化合物质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比为1：50外，其他内容与实施例1相同。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
实施例5
除所述金属合金与镍铝金属间化合物质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比为1：0.1外，其他内容与实施例1相同。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
实施例6
除所述金属合金与镍铝金属间化合物的质量比为1：1外，其他内容与实施例1相同。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
实施例7
除所述金属合金与镍铝金属间化合物的质量比为100：1外，其他内容与实施例1相同。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
对比例1
除使用未改性的聚乙烯塑料外，其他内容与实施例1相同。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
对比例2
对比例2为专利CN 102977448A的实施例1。
对制得的塑料金属复合材料进行性能测试，测试结果列于表1中。
表1
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (11)
1.一种塑料金属合金复合材料，其特征在于，包括硅烷偶联剂改性的热塑性塑料、镍铝金属间化合物和金属合金材料组分，其中，金属合金与镍铝金属间化合物质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比为1:15～1:2，所述金属合金与镍铝金属间化合物的质量比为25:1～50:1，所述硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的制备原料中，硅烷偶联剂占总质量的质量百分比为1.5wt％～5wt％；
其中，所述塑料金属合金复合材料的制备方法包括以下步骤：
①将相应成分的块状或颗粒状塑料经制粒机制成塑料颗粒状或粉末状的粒子，将金属合金以及镍铝金属间化合物制成粉末，并将金属合金粉末和镍铝金属间化合物粉末混合得到混合金属粉末；
②在保护气体的氛围下，通过搅拌将塑料粒子与金属合金粉末混合均匀，得到塑料与金属合金的混合料；
③将步骤②得到的塑料与金属合金的混合料填充至注射机料斗中，通过注塑机上的螺杆输送至塑化区；
④塑料与金属合金的混合料在注射机塑化过程中加热，使塑料粒子熔化至粘流态，螺杆的运动起到搅拌作用，使金属合金粉末和粘流态的塑料混合更加均匀；
⑤在注塑机上螺杆或柱塞的推动下，使混合料受到一定的注射压力，并填充到模具的型腔内，冷却后得到与模具形状匹配的塑料金属合金复合材料的型材。
2.根据权利要求1所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，所述金属合金与镍铝金属间化合物质量之和与硅烷偶联剂改性的热塑性塑料的质量比为1：10。
3.根据权利要求1所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，所述热塑性塑料包括聚乙烯、聚氯乙烯或聚苯乙烯中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1或3所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，所述金属合金为铝的合金，或铜的合金。
5.根据权利要求4所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，所述金属合金的成分为AaBb，其中A为Al或Cu两种金属元素中的一种，B是合金中其他元素的组合，a、b为质量份数，其中a、b应满足：a+b＝100，68≤a≤100，0＜b≤25。
6.根据权利要求1所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，所述金属合金与镍铝金属间化合物的质量比为39：1。
7.根据权利要求1所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，步骤①中所述的塑料粒子的平均粒径为10mm～12mm。
8.根据权利要求1所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，步骤①中所述的合金粉末的平均粒径为50μm～80μm。
9.根据权利要求7所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，步骤①中所述的镍铝金属间化合物粉末的平均粒径为50μm～80μm。
10.根据权利要求7所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，步骤④中塑化加热温度为100℃～150℃。
11.根据权利要求7所述的塑料金属合金复合材料，其特征在于，步骤⑤中的注射压力为50MPa～200MPa。
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