CN105623202B - 一种高耐磨的氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料及其制备方法，其是由95‑99份聚对苯二甲酸酯、1‑5份改性纳米氮化硅颗粒、0.5‑3份润滑剂、0.1‑1份抗氧剂经搅拌混合后通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒制得。用正硅酸乙酯和偶联剂对纳米氮化硅进行表面复合处理后制备颗粒状，提高了作为耐磨剂的改性纳米氮化硅颗粒在基体树脂中的分散性，从而改善了耐磨剂与聚对苯二甲酸酯基体的粘结性，使制得的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料在耐磨性能方面有显著的提高，并保持了优异的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及高分子技术领域，具体涉及一种高耐磨的氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
随着技术的发展，热塑性聚酯中的聚对苯二甲酸酯类在汽车上应用越来越广泛。其中改性聚对苯二甲酸丁二醇酯（简称PBT）塑料是最重要的汽车轻质材料，它不仅可减轻零部件约40%的质量，而且还可以使采购成本降低40%左右，因此其在汽车中的用量迅速上升。另外，PBT具有良好的综合性能，如高耐热性、韧性、耐疲劳性，自润滑、低摩擦系数，耐候性、吸水率低等。但PBT的体积电阻大、介电损耗大，且缺口冲击强度低，成型收缩率大。而聚对苯二甲酸乙二醇酯（简称PET） 是高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽，在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。
所以为了提升材料性能和档次，满足最终部件和客户需求一般通过增强、填充、共混等方法改进其加工性和改性，以玻璃纤维增强效果明显，可提高树脂刚性、耐热性、耐药品性、电气性能和耐候性。但仍需改进结晶速度慢的弊病，可以采取添加型核剂和结晶促进剂等手段。而在耐磨改性方面，目前用于PBT、PET耐磨改性的常用材料主要有石墨、二硫化钼及聚四氟乙烯，但这三种材料的添加量一般比较大，会给聚对苯二甲酸酯材料带来一些缺陷：一会导致复合材料的粘度及密度较大；二是会影响耐磨改性剂与PBT或PET基体的粘结性；三是对复合材料的机械性能也有显著影响，不利于其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料及其制备方法。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料，由下述组份按重量份制备而成：
聚对苯二甲酸酯 95-99份
改性纳米氮化硅颗粒 1-5份
润滑剂 0.5-3份
抗氧剂 0.1-1份
所述改性纳米氮化硅颗粒是指纳米氮化硅经正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理后再造粒成粒径为2-5mm的颗粒状。
优选地，所述的润滑剂为硅酮粉。
所述的抗氧剂为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯（抗氧剂1010）和亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯（抗氧剂168）的混合物。
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷。
所述聚对苯二甲酸酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。
本发明的另一个目的是提供上述高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料的制备方法，包括下列步骤：
（1）将纳米氮化硅加入到由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中,在50-80℃下反应5-8小时，得到混合液；
（2）在（1）中混合液中滴加占纳米氮化硅质量0.5%-1.5%的偶联剂，在70-80℃下反应2-5小时，离心分离后用去离子水冲洗、干燥，最后通过干法辊压造粒设备制成粒度为2-5mm的改性纳米氮化硅颗粒；
（3）将经（2）处理得的改性纳米氮化硅、抗氧剂、润滑剂和经干燥处理的聚对苯二甲酸酯倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒，制得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料。
进一步，所述双螺杆挤出机一区温度为200-230℃，二区温度为200-230℃，三区温度为200-240℃，四区温度为210-240℃，五区温度为210-250℃，六区温度为220-250℃；双螺杆主机转速为250-500rpm。
所述聚对苯二甲酸酯的干燥处理是在100-140℃下干燥4-8h。
本发明的有益效果：
1、本发明用正硅酸乙酯和偶联剂对纳米氮化硅进行表面复合处理，提高了作为耐磨剂的改性纳米氮化硅在基体树脂中的分散性，从而改善了耐磨剂与聚对苯二甲酸酯基体的粘结性，使制得的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料在耐磨性能方面有显著的提高，并保持了优异的力学性能。
2、本发明的用经过表面复合处理的改性纳米氮化硅颗粒作为耐磨剂，其比现有的耐磨剂石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等添加量少，而且其密度小，降低生产成本的同时减轻复合材料的重量，扩大其应用范围。
3、本发明将纳米氮化硅经正硅酸乙酯和偶联剂复合改性后又压制成密实颗粒，从而增加了其堆积密度，有利于复合材料挤出过程的喂料，在提高加工性能的同时进一步改善了纳米氮化硅在树脂基体中的分散性，从而提高复合材料的耐磨性。
4、本发明纳米氮化硅颗粒在充当耐磨剂的同时也起到了异相成核的作用，有助于解决聚对苯二甲酸酯结晶速度慢的弊病，提高制品的刚度，热变形温度，尺寸稳定性及透明度和表面光泽度。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例1
（1）表面处理纳米氮化硅：将纳米氮化硅加入由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中, 在60℃下反应6小时，得到混合液；再在前述混合液中滴加占纳米氮化硅质量0.5%的偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷，在70℃下反应2小时，离心分离后用去离子水反复冲洗后干燥得到正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理的改性纳米氮化硅，然后将其通过干法辊压造粒设备制成粒度在2-5mm的改性纳米氮化硅颗粒；
（2）PBT的干燥处理：将PBT置于120℃温度下干燥6h；
（3）制备氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料：将经（1）表面处理得的改性纳米氮化硅颗粒3份与经（2）干燥处理的97份PBT以及0.2份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.5份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为200℃，二区温度为210℃，三区温度为220℃，四区温度为230℃，五区温度为230℃，六区温度为240℃；双螺杆主机转速为350rpm。
实施例2
（1）表面处理纳米氮化硅：将纳米氮化硅加入由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中, 在50℃下反应8小时，得到混合液；再滴加占纳米氮化硅质量1%的偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷，在80℃下反应2小时，离心分离后用去离子水反复冲洗后干燥得到正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理的改性纳米氮化硅，然后将其通过干法辊压造粒设备制成粒度在2-5mm的改性纳米氮化硅颗粒；；
（2）PBT的干燥处理：将PBT置于100℃温度下干燥8h；
（3）制备氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料：将经（1）表面处理得的改性纳米氮化硅颗粒1份与经（2）干燥处理的99份PBT以及0.5份抗氧剂1010、0.5份抗氧剂168和1份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为200℃，二区温度为200℃，三区温度为200℃，四区温度为210℃，五区温度为210℃，六区温度为220℃；双螺杆主机转速为500rpm。
实施例3
（1）表面处理纳米氮化硅：将纳米氮化硅加入由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中, 在80℃下反应5小时，得到混合液；再滴加占纳米氮化硅质量1.5%的偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷，在70℃下反应5小时，离心分离后用去离子水反复冲洗后干燥得到正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理的改性纳米氮化硅，然后将其通过干法辊压造粒设备制成粒度在2-5mm的改性纳米氮化硅颗粒；；
（2）PBT的干燥处理：将PBT置于140℃温度下干燥4h；
（3）制备氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料：将经（1）表面处理得的改性纳米氮化硅颗粒5份与经（2）干燥处理的95份PET以及0.5份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和3份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为220℃，二区温度为230℃，三区温度为235℃，四区温度为240℃，五区温度为250℃，六区温度为250℃；双螺杆主机转速为250rpm。
实施例4
（1）表面处理纳米氮化硅：将纳米氮化硅加入由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中, 在60℃下反应6小时，得到混合液；再滴加占纳米氮化硅质量的1%的偶联剂γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷，在75℃下反应4小时，离心分离后用去离子水反复冲洗后干燥得到正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理的改性纳米氮化硅，然后将其通过干法辊压造粒设备制成粒度在2-5mm的改性纳米氮化硅颗粒；；
（2）PBT的干燥处理：将PBT置于120℃温度下干燥6h；
（3）制备氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料：将经（1）表面处理得的改性纳米氮化硅颗粒4份与经（2）干燥处理的96份PET以及0.05份抗氧剂1010、0.05份抗氧剂168和0.5份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为230℃，二区温度为230℃，三区温度为240℃，四区温度为240℃，五区温度为250℃，六区温度为240℃；双螺杆主机转速为250rpm。
对比例1
（1）表面处理纳米氮化硅：将纳米氮化硅加入由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中, 在60℃下反应6小时，得到混合液；再在前述混合液中滴加占纳米氮化硅质量0.5%的偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷，在70℃下反应2小时，离心分离后用去离子水反复冲洗后干燥得到正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理的改性纳米氮化硅粉末；
（2）PBT的干燥处理：将PBT置于120℃温度下干燥6h；
（3）制备氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料：将经（1）表面处理得的改性纳米氮化硅粉末3份与经（2）干燥处理的97份PBT以及0.2份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.5份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为200℃，二区温度为210℃，三区温度为220℃，四区温度为230℃，五区温度为230℃，六区温度为240℃；双螺杆主机转速为350rpm。
对比例2
将干燥处理的97份PBT以及3份聚四氟乙烯粉，0.2份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.5份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得聚四氟乙烯/PBT复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为200℃，二区温度为210℃，三区温度为220℃，四区温度为230℃，五区温度为230℃，六区温度为240℃；双螺杆主机转速为350rpm。
对比例3
将干燥处理的97份PET以及3份聚四氟乙烯粉，0.2份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.5份润滑剂硅酮粉GM-100倒入高速搅拌机中，高速搅拌，混合至均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒得聚四氟乙烯/PET复合材料；
其中双螺杆挤出机一区温度为220℃，二区温度为230℃，三区温度为240℃，四区温度为240℃，五区温度为250℃，六区温度为250℃；双螺杆主机转速为350rpm。
对上述实施例1-4制备的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料与对比例1制备的聚四氟乙烯/PBT复合材料和对比例2制备的聚四氟乙烯/PET复合材料的力学性能采用ASTM标准进行检测，耐磨性能根据标准GB/T 5478-2008来测定，其物性数据见表1。
表1性能数据
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | |
| 拉伸强度MPa | 53 | 56 | 51 | 49 | 50 | 44 | 54 |
| 缺口冲击强度KJ/m2 | 7.3 | 8.1 | 6.5 | 6.2 | 6.6 | 4.7 | 4.0 |
| 耐磨性（750g，1000r） | 0.010 | 0.013 | 0.015 | 0.014 | 0.017 | 0.029 | 0.025 |
如表1所示，本发明制备的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料保持了较好的力学性能，且比对比例1-2制备的复合材料的力学性能提高很多，其中实施例2的拉伸强度和冲击强度最好，分别达到56MPa、8.1KJ/m2，分别比对比例提高近30%、72%。实施例1与对比例1对比可知，干燥纳米氮化硅粉末压制成颗粒后作为耐磨剂使用，材料的力学性能和耐磨性能增效更好。综上可知，本发明的制备的产品的磨耗指数极低为0.01-0.014，呈现出了优良的耐磨性能，比对比例用聚四氟乙烯对聚对苯二甲酸酯进行改性的复合材料的耐磨性能要优异。因此，本发明所制得的耐磨剂纳米氮化硅明显改善了耐磨剂与聚对苯二甲酸酯基体的粘结性，使高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料具有耐磨剂添加量少，耐磨突出，力学性能显著改善的优点。
Claims (8)
1.一种高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料，其特征在于：由下述组份按重量份制备而成：
聚对苯二甲酸酯 95-99份
改性纳米氮化硅颗粒 1-5份
润滑剂 0.5-3份
抗氧剂 0.1-1份
所述改性纳米氮化硅颗粒是指纳米氮化硅经正硅酸乙酯和偶联剂复合表面处理后再通过干法辊压造粒设备制成粒径为2-5mm的颗粒状。
2.根据权利要求1所述的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料，其特征在于：所述的润滑剂为硅酮粉。
3.根据权利要求1所述的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯的混合物。
4.根据权利要求1所述的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料，其特征在于：所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷。
5.根据权利要求1所述的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料，其特征在于：所述聚对苯二甲酸酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯。
6.一种制备如权利要求1-5任一项所述的高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料的方法，其特征在于：包括下列步骤：
（1）将纳米氮化硅加入到由氨水和正硅酸乙酯按质量比为2：1组成的混合溶液中，在50-80℃下反应5-8小时，得到混合液；
（2）在（1）中混合液中滴加占纳米氮化硅质量0.5-1.5%的偶联剂，在70-80℃下反应2-5小时，离心分离后用去离子水冲洗、干燥，最后通过干法辊压造粒设备制成粒度为2-5mm的改性纳米氮化硅颗粒；
（3）将经（2）处理得的改性纳米氮化硅、抗氧剂、润滑剂和经干燥处理的聚对苯二甲酸酯倒入高速搅拌机中搅拌，混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经熔融挤出后造粒，制得高耐磨氮化硅/聚对苯二甲酸酯纳米复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机一区温度为200-230℃，二区温度为200-230℃，三区温度为200-240℃，四区温度为210-240℃，五区温度为210-250℃，六区温度为220-250℃；双螺杆主机转速为250-500rpm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述聚对苯二甲酸酯的干燥处理是在100-140℃下干燥4-8h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |