CN105924953A - 一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子复合材料领域，具体是一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料及其制备，所述复合材料，是由下列重量百分比的原料构成，5‑20wt%的增韧剂、10‑40wt%的长玄武岩纤维、35‑83wt%的尼龙6母粒以及2‑5wt%的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂。与现有技术相比，本发明的有益效果是：所制备的尼龙6复合材料具有优异的力学强度和冲击韧性，使用寿命长；制备方法简单高效，易于工业化生产，具有推广价值。

Description

一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料及其制备
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域，具体是一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料及其制备。
背景技术
尼龙是一种应用十分广泛的工程塑料，但分子结构中的大量极性酰胺键使其吸湿性大，由此导致尼龙制品的尺寸稳定性差，强度不高，且低温及干态缺口冲击韧性差，极大限制了其应用领域的拓展。玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维之后新发展起来的一类极具竞争力的新型高性能增强纤维，它除了具有高强度和高模量的特点外，还具有耐高温性佳、抗氧化性好、抗辐射性好、绝热隔音效果佳、过滤性好、抗压缩度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能。将玄武岩纤维用作尼龙增强材料，可充分发挥玄武岩纤维的性能优势，大幅提高尼龙基体的耐温、力学等综合性能，有利于拓展尼龙复合材料的应用领域。
长纤维增强热塑性塑料(LFRT)是近年来发展迅速的一类新型纤维增强技术，LFRT制备过程中纤维的损伤、断裂程度被降到最低，具有比常规短纤维增强热塑性塑料更优异的力学性能和热性能，而且长纤维相互缠绕，可形成一种纤维骨架，限制各向异性收缩，显著降低翘曲，提高制品尺寸稳定性、力学性能等。专利CN104629349.A以玻纤作为增强材料，采用LFRT技术，通过添加偶联剂、抗氧剂，制备一种高强度玻纤增强尼龙复合材料；专利CN103289374.A采用LFRT技术，以玄武岩纤维作为增强材料制备了玄武岩纤维尼龙复合材料。上述专利采用LFRT技术制备的纤维增强尼龙复合材料力学强度高，刚性大，但存在纤维与基体之间的界面结合差、韧性不足等问题。目前，采用LFRT技术制备兼具优异力学性能和韧性的玄武岩纤维尼龙复合材料还鲜有报道。
本发明提供一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料及其制备，所述复合材料在兼具长玄武岩纤维良好的力学增强性能的同时，仍具有优异韧性，且制备方法简单，纤维浸渍充分，容易连续生产，具有良好的工业化应用前景。
发明内容
本发明为了克服现有尼龙6复合材料的性能缺陷和不足，提供了一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料及其制备。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料，是由下列重量百分比的原料构成，5-20wt％的增韧剂、10-40wt％的长玄武岩纤维、35-83wt％的尼龙6母粒以及2-5wt％的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂。
优选的，所述增韧剂为马来酸酐(MAH)接枝改性的乙烯辛烯共聚物(POE)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)或者乙烯丙烯酸共聚物(EAA)。本发明优选的增韧剂相对于其他增韧剂具有优异的耐温、耐老化性能，简单易加工，无需硫化即可使用，无毒环保，同时具有良好的流动性，可改善纤维的分散效果，能够显著提高复合材料韧性。
为了更进一步的说明本发明的技术方案，本发明提供了一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的制备，其采用的是上述原料，所述制备工艺具体为：将长玄武岩纤维从支架上的长纤维卷中引出并展开，经过导辊和限位导辊引入到控温浸渍模具内的浸渍辊上，挤出机将尼龙6母粒、增韧剂以及加工助剂挤入到控温浸渍模具内，调控控温浸渍模具内的温度以及牵引辊的速度，浸渍后的纤维束通过冷却水槽入口处的导向辊进入到冷却水槽内的压辊进行冷却，最后在切粒机中进行造粒，干燥后得到高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料粒子。
本发明所述的制备相对于其他复合材料的制备方法，具有如下优势：
(1)尼龙6粒子、增韧剂、偶联剂或/和热稳定剂均为一次性添加，可得到高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料粒子，工艺简单，成本低，可进行连续生产。
(2)所制备的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料，纤维分散均匀，与基体的界面结合好。
具体实施时，所述控温浸渍模具内的温度为225～250℃，玄武岩纤维的牵引速率为5～35mm/s。优选的温度和速率能够保证尼龙6母粒、增韧剂和加工助剂在熔融状态下充分混合，并且使得纤维与浸渍物料浸渍均匀。
为了更好的使纤维与浸渍物料浸渍均匀，优选的每个浸渍辊的安装方向与纤维束的移动方向相垂直，相邻浸渍辊之间呈上下交叉配合。具体应用时，所述浸渍辊的个数为2～8个。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的冲击强度和断裂伸长率相比短切玄武岩纤维/尼龙6复合材料高，增韧剂有效提高了长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的韧性；所制备的尼龙6复合材料在强度和韧性两方面具有更均衡的综合性质，使用寿命长，制备方法简单高效，易于工业化生产，具有推广价值。
附图说明
图1为采用本发明实施例1至4所制备的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的拉伸性能随POE-MAH含量变化图。
图2为采用本发明实施例1至4所制备的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的冲击强度随POE-MAH含量变化图。
图3为本发明复合材料制备中所采用装置的结构示意图。图中：1-支架，2-长纤维卷，3-导辊，4-限位导辊，5-挤出机，6-控温浸渍模具，7-浸渍辊，8-冷却水槽，9-导向辊，10-牵引辊，11-切粒机，12-压辊。
图4为本发明实施例1所得到的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的拉伸断面扫面电镜照片。图中显示纤维分散均匀，纤维与树脂基体界面结合牢固，说明本发明所提供的长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的制备方法能够使纤维充分浸渍。
图5本发明对比例1所得短切玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的拉伸断面的扫描电镜照片。
具体实施方式
参见图3，本发明所述制备方法是采用下列装置完成的，所述装置包括安装有若干长纤维卷2的支架1，与挤出机5出口端相连接的控温浸渍模具6，依次安装于支架1和控温浸渍模具6之间的导辊3和限位导辊4，安装于控温浸渍模具6内的若干浸渍辊7，设置于控温浸渍模具6出口端的冷却水槽8，安装于冷却水槽8内的压辊12，分别安装于冷却水槽8入口处和出口处的两导向辊9，安装于冷却水槽8出口处的牵引辊10以及安装于牵引辊10出料端的切粒机11。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，下述实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明。
实施例1
将POE-MAH(5wt％)、尼龙6母粒(60wt％)和4-羟基十八烷酸酰替苯胺(5wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例2
将POE-MAH(10wt％)、尼龙6母粒(58wt％)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(2wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例3
将POE-MAH(15wt％)、尼龙6母粒(53wt％)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(2wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为6个，模具温度235℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例4
将POE-MAH(20wt％)、尼龙6母粒(45wt％)和γ-氨丙基三乙氧基硅烷(5wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例5
将SBS-MAH(20wt％)、尼龙6母粒(35wt％)以及γ-氨丙基三乙氧基硅烷与硫代二丙酸二月桂酯的混合物(5wt％，分别为2wt％、3wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为8个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维(长纤维玄武岩)以5mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为40wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例6
将EAA-MAH(5wt％)、尼龙6母粒(83wt％)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(2wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为2个，模具温度225℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为10wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例7
将EAA-MAH(10wt％)、尼龙6母粒(68wt％)和γ-异氰酸丙基三乙氧基硅烷(3wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为3个，模具温度250℃)，然后将连续玄武岩纤维以35mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为19wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为10mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
实施例8
将SEBS-MAH(14wt％)、尼龙6母粒(50wt％)、4-羟基十八烷酸酰替苯胺(4wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7的数量为8个，模具温度230℃)，然后将连续玄武岩纤维以20mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维的含量为32wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒，干燥后得到长度为5mm的高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，各原料的上下限取值以及其区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
表1为实施例1、2、3、4所得到高强高韧长玄武岩纤维/尼龙复合材料的力学性能。比较力学性能各项数据可以看出，高强高韧长玄武岩纤维/尼龙复合材料具有高的冲击强度和断裂伸长率，由此可知本发明所得的高强高韧长玄武岩纤维/尼龙复合材料在强度和韧性两方面具有更均衡的综合性质，增韧后的长玄武岩纤维/尼龙复合材料的性能和应用得到扩展，具有推广价值。
表1
注：对比例1为：短切玄武岩纤维20wt％(直径7um，长50um)和尼龙6粒子80wt％预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得短切玄武岩纤维粉末增强尼龙6复合材料；对比例2为：短切玄武岩纤维30wt％(直径7um，长50um)和尼龙6粒子70wt％预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得短切玄武岩纤维增强尼龙6复合材料。
图1、图2分别为实施例1、2、3、4所得到的长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的拉伸性能和冲击强度随POE-MAH含量变化图。从图1中可以看出，随着POE-MAH含量的增加，复合材料的拉伸强度呈下降趋势，当含量为20wt％时复合材料拉伸强度下降34％，但其强度和模量仍大幅优于纯尼龙6。图2显示，当POE-MAH含量为15wt％、20wt％时，复合材料的冲击强度提升超过100％。综合图1和图2所示结果可知，所制备的尼龙6复合材料既保持了良好的力学强度又具有优异的韧性，该材料在强度和韧性两方面具有更均衡的综合性质。

Claims (6)

1.一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料，其特征在于，是由下列重量百分比的原料构成，5-20wt%的增韧剂、10-40wt%的长玄武岩纤维、35-83wt%的尼龙6母粒以及2-5wt%的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料，其特征在于，所述增韧剂为马来酸酐接枝改性的乙烯辛烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或者乙烯丙烯酸共聚物。
3.一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的制备，其特征在于，其采用的是权利要求1或2所述的原料，并且是采用下列装置完成的，
所述装置包括安装有若干长纤维卷（2）的支架（1），与挤出机（5）出口端相连接的控温浸渍模具（6），依次安装于支架（1）和控温浸渍模具（6）之间的导辊（3）和限位导辊（4），安装于控温浸渍模具（6）内的若干浸渍辊（7），设置于控温浸渍模具（6）出口端的冷却水槽（8），安装于冷却水槽（8）内的压辊（12），分别安装于冷却水槽（8）入口处和出口处的两导向辊（9），安装于冷却水槽（8）出口处的牵引辊（10）以及安装于牵引辊（10）出料端的切粒机（11）；
所述制备的具体步骤为：将长玄武岩纤维从支架（1）上的长纤维卷（2）中引出并展开，经过导辊（3）和限位导辊（4）引入到控温浸渍模具（6）内的浸渍辊（7），挤出机（5）将尼龙6母粒、增韧剂以及加工助剂挤入到控温浸渍模具（6）内，调控控温浸渍模具（6）内的温度以及牵引辊（10）的速度，浸渍后的纤维束通过冷却水槽（8）入口处导向辊（9）进入到冷却水槽（8）内的压辊（12）进行冷却，最后在切粒机（11）中进行造粒，干燥后得到高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料粒子。
4.根据权利要求3所述的一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的制备，其特征在于，所述控温浸渍模具（6）内的温度为225~250℃，玄武岩纤维的牵引速率为5~35mm/s。
5.根据权利要求4所述的一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的制备，其特征在于，每个浸渍辊（7）的安装方向与纤维束的移动方向相垂直，相邻浸渍辊（7）之间呈上下交叉配合。
6.根据权利要求5所述的一种高强高韧长玄武岩纤维增强尼龙6复合材料的制备，其特征在于，所述浸渍辊（7）的个数为2~8个。
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