CN105924955B - 低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，包括按重量百分比的以下组分：49.3％～87.7％的尼龙46、5％～20％的聚苯醚接枝马来酸酐、2％～5％的增韧剂、5％～25％的短切碳纤维、0.1％～0.3％的抗氧剂、0.2％～0.5％的润滑剂。通过双螺杆挤出机熔融挤出方法制备上述尼龙复合材料。本发明通过共混改性和碳纤维增强改性提高尼龙46的耐磨性，同时降低尼龙复合材料的吸水性，提高其尺寸稳定性。制得的改性尼龙复合材料具有低吸湿、高强度、耐磨、耐高温等特性，其可应用于要求耐高温、耐磨的汽车、机械零部件的制造。

Description

低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高性能尼龙工程塑料技术领域，具体涉及一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维因其优异的力学和热学性能受到广大研究者的重视，近年来随着碳纤维产量增加和价格降低，碳纤维增强热塑性树脂复合材料的应用越来越广。耐磨碳纤维复合材料主要的应用是取代金属材料做齿轮、轴承、滑轮、机械泵转子等机器零部件，这要求耐磨碳纤维复合材料有很好的力学强度、刚性和耐热性。PA46是少数几种商业化的耐高温尼龙之一，其具有的高耐热性，相对较高的结晶度，高温下的硬度保持力，以及卓越的耐磨损和低摩擦性能，市场前景巨大。但由于其结构中酰胺基比例相对较高，因此其吸水性高。随着吸水率的提高，使尼龙分子链间氢键减弱，尼龙制品尺寸稳定性会变差，因而限制了其应用。因此，提高尼龙摩擦磨损性能的同时，如何降低其的吸水性，受到了人们的关注，并成为重要的研究课题。

中国专利CN 102942782 A公开了一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料，按照重量份数，包含：尼龙树脂100份，连续碳纤维5～150份，相容剂1～15份，抗氧化剂0.1～3份，有机铜盐化合物0.03～2份，自由基捕捉剂0.1～3份，抗水解剂0.05～2份，润滑剂0.1～5份。该发明的优点是具有超高综合力学性能、尺寸稳定性好、永久抗静电性、电磁波屏蔽、摩擦系数小、在160℃高温环境下持续使用4000h其力学性能保持率大于85％。

中国专利CN103540128B公开了一种耐磨碳纤维增强尼龙66树脂组合物及其制备方法，主要解决现有耐磨碳纤维增强尼龙66树脂组合物冲击强度较低，而加入冲击改性剂后拉伸强度又会降低的问题。可用于注塑加工齿轮、轴承、滑轮、机械泵转子等机器零部件的工业生产中。

中国专利CN102850786B公开了一种尼龙66材料及其制备方法，该材料包括以下组份及重量份：500～700份尼龙66原料、300～500份连续碳纤维、6～10份抗氧剂、4～8份润滑剂和5～15份抗水解剂。大大提高了该材料的刚性和强度，明显提高材料的抗冲击性能和耐热性能，而且具有长期抗水解稳定性和抗化学腐蚀性能。这种方法的缺陷是，从阻止材料水解过程出发，并没有降低材料的吸水性，而且抗水解剂价格昂贵，使材料流动性下降。

因此，开发一种耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，同时降低尼龙复合材料吸水率，对于拓展尼龙工程塑料在汽车、机械、电器等领域的应用具有重要意义。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供了一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料。

本发明的另一目的在于提供上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料的制备方法。

本发明为实现上述目的，采取以下技术方案予以实现：

一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，包括重量百分比的以下组分：

所述的增韧剂为氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物接枝马来酸酐(SEBS-g-MAH)。

优选地，所述的短切碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈基短切碳纤维，直径为2～10微米，长度为3～7mm。

优选地，所述抗氧剂抗氧剂1098[N,N-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺]和抗氧剂S9228[双(2,4—二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯]的混合物，其重量比为1.5:1～1:1.5。。

优选地，所述润滑剂硅酮、季戊四醇四硬脂酸酯中一种或两种。

本发明的另一目的在于公开上述低吸湿耐磨碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将干燥后的尼龙46与聚苯醚接枝马来酸酐、增韧剂、抗氧剂和润滑剂搅拌均匀，加入双螺杆挤出机主加料口，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，挤出加工温度为290～320℃，经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料。

本发明的尼龙复合材料可广泛应用于要求耐高温、尺寸稳定且耐磨性能好的汽车、机械零部件的制备。

尼龙46是尼龙系列材料中酰胺基比例最大的材料，因此也具有最强的吸水性。尼龙材料吸水后，水分子插入到尼龙分子链之间，削弱了尼龙分子链间的作用力，因此增加了尼龙分子链的移动性，进而使材料的性能降低。聚苯醚是吸水率最低的工程塑料，本发明在基体中加入聚苯醚接枝物降低尼龙的吸水性。其结构中的MAH基团能与PA46中端氨基反应生成大分子接枝共聚物，与尼龙具有较好的相容性，降低共混物的吸水性的同时，不会造成其他性能的下降。碳纤维在物理性能上具有强度大、高模量、密度低、线膨胀系数小、导电性强、导热率高等特点，本发明采用碳纤维增强改性后，可以极大的提高尼龙46复合材料的力学性能，同时使得复合材料具有良好的耐磨性和耐高温性能。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1、本发明采用聚苯醚接枝马来酸酐大幅降低了尼龙复合材料的吸水性，其与基体相容性好，使复合材料保持了良好的综合性能。

2、本发明利用经过表面处理的短切碳纤维作为增强填料，制备了低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，碳纤维在基体中分散良好，与基体间形成良好的界面黏结，复合材料具有高刚性、耐热性好、耐磨等优异的综合性能。

3、本发明通过双螺杆挤出机熔融挤出方法制备低吸湿耐磨碳纤维增强尼龙复合材料，制备工艺简单，适于产业化。

具体实施方式

以下结合具体实施例来对本发明作进一步的说明。

在实施例及对比实施例配方中，尼龙46牌号为Stanyl TW341，荷兰帝斯曼公司生产；聚苯醚接枝马来酸酐牌号为CX-1F，日本出光公司生产；增韧剂SEBS-g-MAH牌号为FG1901，美国科腾公司生产；短切碳纤维牌号为SIGRAFIL C30S003PUT，德国SGLCarbon公司生产；所述润滑剂季戊四醇硬脂酸酯牌号为P(ETS)，美国Lonza公司生产；所述润滑剂硅酮牌号为MB50-008，法国道康宁公司生产；所述抗氧剂为1098：S9228按1:1的混合物，其中抗氧剂1098为德国BASF公司生产，抗氧剂S9228为美国Dover公司生产。

实施例1

一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，由以下按重量百分比计的原料组成：

尼龙46 87.7％、聚苯醚接枝马来酸酐5％、增韧剂2％、短切碳纤维5％、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.2％、抗氧剂0.1％。

上述低吸湿耐磨碳纤维增强尼龙复合材料通过以下步骤制备而成：

(1)按配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120℃温度下烘4小时；

(2)将干燥后的尼龙46与聚苯醚接枝马来酸酐、增韧剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，搅拌5分钟，得到预混料；

(3)设定双螺杆挤出机温度第一段至第九段依次为290℃/300℃/310℃/310℃/310℃/300℃/290℃/285℃/285℃，机头温度290℃，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆挤出机的主加料口加入，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料。

实施例2

一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，由以下按重量百分比计的原料组成：

尼龙46 77.5％、聚苯醚接枝马来酸酐10％、增韧剂2％、短切碳纤维10％、润滑剂硅酮0.3％、抗氧剂0.2％。

上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料的制备方法同实施例1。

实施例3

一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，由以下按重量百分比计的原料组成：

尼龙46 66.3％、聚苯醚接枝马来酸酐15％、增韧剂3％、短切碳纤维15％、润滑剂硅酮0.2％、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.3％、抗氧剂0.2％。

上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料的制备方法同实施例1。

实施例4

一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，由以下以重量百分比计的原料组成：

尼龙46 49.3％、聚苯醚接枝马来酸酐20％、增韧剂5％、短切碳纤维25％、润滑剂硅酮0.2％、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.3％、抗氧剂0.2％。

上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料的制备方法同实施例1。

对比例1

一种改性尼龙复合材料，由以下以重量百分比计的原料组成：

尼龙46 97.5％、增韧剂2％、润滑剂硅酮0.3％、抗氧剂0.2％。

上述改性尼龙复合材料通过以下步骤制备而成：

(1)按组成配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120℃温度下烘4小时；

(2)将干燥后的尼龙46与增韧剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，搅拌5分钟，得到预混料；

(3)设定双螺杆挤出机温度第一段至第九段依次为290℃/300℃/310℃/310℃/310℃/300℃/290℃/285℃/285℃，机头温度290℃，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆挤出机的主加料口加入，物料经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到改性尼龙复合材料。

对比例2

一种改性尼龙复合材料，由以下以重量百分比计的原料组成：

尼龙46 87.5％、增韧剂2％、聚苯醚接枝马来酸酐10％、润滑剂硅酮0.3％、抗氧剂0.2％。

上述改性尼龙复合材料通过以下步骤制备而成：

(1)按组成配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120℃温度下烘4小时；

(2)将干燥后的尼龙46与增韧剂、聚苯醚接枝马来酸酐、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，搅拌5分钟，得到预混料；

(3)设定双螺杆挤出机温度第一段至第九段依次为290℃/300℃/310℃/310℃/310℃/300℃/290℃/285℃/285℃，机头温度290℃，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆挤出机的主加料口加入，物料经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到改性尼龙复合材料。

对比例3

一种改性尼龙复合材料，由以下以重量百分比计的原料组成：

尼龙46 87.5％、增韧剂2％、短切碳纤维10％、润滑剂硅酮0.3％、抗氧剂0.2％。

上述改性尼龙复合材料通过以下步骤制备而成：

(1)按组成配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120℃温度下烘4小时；

(2)将干燥后的尼龙46与增韧剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，搅拌5分钟，得到预混料；

(3)设定双螺杆挤出机温度第一段至第九段依次为290℃/300℃/310℃/310℃/310℃/300℃/290℃/285℃/285℃，机头温度290℃，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆挤出机的主加料口加入，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到改性尼龙复合材料。

性能测试

将实施例1～4、对比例1～3所制备的改性尼龙复合材料在110℃干燥4小时后，注塑成型得到标准测试样条，注塑温度为290～320℃，模具温度90℃。然后分别按照标准进行测试，性能测试标准及结果见表1。

表1复合材料性能测试表

备注：齿轮装载试验方式为将材料注塑成型得到齿轮，再装配到某高速马达上与金属齿轮啮合运行，运行测试时间1h。随着运行时间增长，表面接触温度迅速升高，大约10分钟升高至180℃-200℃。

由表1可以看出，与对比例相比，加入聚苯醚接枝马来酸酐和短切碳纤维后，随着聚苯醚接枝马来酸酐和碳纤维含量的增加，尼龙46复合材料的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度都增加，吸水率明显下降，磨损体积有所减小。当碳纤维含量超过10％以上时，本发明制备的改性尼龙复合材料吸水率降低达50％，拉伸强度大于120MPa，磨损较小，热变形温度达到280℃以上，经过高温装载试验无破坏，具有优异的综合性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，其特征在于，包括以重量百分比的以下组分：尼龙46 49.3％、聚苯醚接枝马来酸酐20％、增韧剂5％、短切碳纤维25％、润滑剂硅酮0.2％、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.3％、抗氧剂0.2％；所述的增韧剂为氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物接枝马来酸酐；所述的抗氧剂为1098：S9228按1:1的混合物；

上述复合材料通过以下步骤制备而成：

(1)按配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120℃温度下烘4小时；

(2)将干燥后的尼龙46与聚苯醚接枝马来酸酐、增韧剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，搅拌5分钟，得到预混料；

(3)设定双螺杆挤出机温度第一段至第九段依次为290℃/300℃/310℃/310℃/310℃/300℃/290℃/285℃/285℃，机头温度290℃，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆挤出机的主加料口加入，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料。