CN106084778A - 一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于改性塑料领域，具体公开了一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料及其制备方法。所述复合材料由聚苯硫醚、碳纤维、石墨烯、二硫化钼、相容剂、抗氧剂、润滑剂和偶联剂组成。本发明通过协同各种填充物的特点，并通过偶联剂和相容剂改善填充物和PPS树脂的界面结合，充分发挥填充物各自的功能，并且，本发明加入具有优良导热性能和耐磨性能的石墨烯、具有优良耐磨性能的MoS2，以及具有优良导热性能和耐磨性能、同时可以起到很好增强作用的碳纤维，对PPS进行改性，制备导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，改善了PPS导热性能和耐磨性能差的缺点，同时保证材料具有优良的机械性能。

Description

一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于改性塑料领域，具体涉及一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料及其制备方法。
背景技术
聚苯硫醚(PPS)是第一大特种工程塑料，具有优良的耐热性能、耐化学腐蚀性能、电性能、阻燃性能和粘合性能，广泛应用于纺织、汽车、家用电器、电子电气、机械仪表、石油化工、国防军工、航空航天等领域。
电子电气的小型化、轻量化和功能化使得电子元件、逻辑电路体积成千上万倍地缩小并被高密度地组装到了一起。为了避免由于工作时热量积累带来电子部件运行速度下降甚至损坏，及时散热成为关键因素。但PPS作为聚合物，分子中没有自由电子存在，热传递主要依靠晶格振动，而分子链的无规缠绕和多分散性使得高分子基体材料中基本没有热传递所需的均一致密的有序晶体结构，加之分子链振动对声子的散射，使得其导热率很低。另一方面，某些电子元件，如齿轮、轴承等，在运转过程中，由于摩擦受力，会使制件表面物质出现不断损耗情况，导致材料变形，进而影响其运转，影响整个部件正常功能的发挥。综上所述，开发一种导热耐磨同时具有优异机械性能的PPS复合材料是市场的迫切要求。
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Novoselov K.S.和Geim A.K.成功地在试验中从石墨中分离出石墨烯。石墨烯具有优异的导热性能、导电性能、润滑性能等性能，被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家预言其将掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
中国专利文件CN 104212170 A公布了一种高导热耐磨聚苯硫醚复合材料及其制备方法。其组成包括：PPS45～80％；导热填料(碳纳米管和碳纤维混合物)15～50％；增容剂1.5～5％；硅烷偶联剂1～3％。虽然该制得聚苯醚复合材料具有良好的导热性能和耐磨性能，但碳纳米管高昂的价格和繁杂的前处理会影响其应用范围。
中国专利文件CN 103012913 A公布了一种导热耐磨复合材料及制备方法。其组成包括：塑料树脂100份、二硫化钼10～70份、偶联剂0～2份、加工助剂0～2份。该专利宣称制得的复合材料具有良好的耐磨性能和导热性能，但由于二硫化钼增强效果较差，这将导致制得的PPS复合材料机械性能较差，影响其使用。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料。该复合材料具有优良导热性能，优良耐磨性能，同时具有高强度，可以用于对以上性能要求较高的电子电气等相关领域。
本发明的另一目的在于提供上述导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，该复合材料由聚苯硫醚(PPS)、碳纤维、石墨烯、二硫化钼(MoS2)、相容剂、抗氧剂、润滑剂和偶联剂组成，以重量百分比计算，各组分用量如下：
优选地，所述的PPS重均分子量为20000～60000。
优选地，所述的碳纤维为短切碳纤维，长度3～10mm，集束剂为环氧树脂，集束剂量1～8％。
优选地，所述的石墨烯为石墨烯微片粒子。
优选地，所述的MoS2粒径为5000～10000目。
优选地，所述的相容剂为EMG(乙烯-马来酸酐-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物)，乙烯柔性分子链可以起到增韧作用，同时酸酐基、环氧基等极性基团不仅可以增强相容剂与树脂的相容性，而且可以通过加工过程中浸润碳纤，增强碳纤与PPS树脂的结合力，从而提高材料抗冲击性能。
优选地，所述的偶联剂为硅烷偶联剂；更优选为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
优选地，所述的抗氧剂为受阻酚和亚磷酸酯组成的复配抗氧体系。
优选地，所述的润滑剂为硅酮粉。
为了改善PPS导热性能和耐磨性能差的缺点，同时保证材料具有优良的机械性能，本发明加入具有优良导热性能和耐磨性能的石墨烯、具有优良耐磨性能的MoS2，以及同时具有优良导热性能和耐磨性能，同时可以起到很好增强作用的碳纤维，对PPS进行改性，制备导热耐磨高强度PPS复合材料。
本发明通过协同各种填充物的特点，并通过偶联剂和相容剂改善填充物和PPS树脂的界面结合，充分发挥填充物各自的功能，制得具有优良导热性能、优良耐磨性能以及高强度的PPS复合材料。
一种制备上述导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括如下步骤：先将偶联剂、石墨烯和MoS2于70～90℃混合3～5min，然后再加入PPS、相容剂、抗氧剂、润滑剂于60～80℃混合3～5min，最后将混合后的物料加入挤出机主喂料斗，在侧喂料斗加入20～40％的碳纤维，通过双螺杆挤出机挤出造粒，制得导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料。
双螺杆挤出机的转速为300～500r/min，温度为260～300℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)选用石墨烯进行导热改性，石墨烯是一种由碳原子按六边形排列而成的二维材料，理论上面内的热导率达到2000-5000W/m·K，远高于一般的导热材料。另外，石墨烯由于片层之间的剪切力很小，具有比石墨更低的摩擦系数，在提高PPS导热性能的同时，能够改善PPS的耐磨性能；
(2)石墨烯添加的PPS复合材料会发生树脂向金属表面转移的现象，而采用二硫化钼进行耐磨改性，可以防止PPS复合材料和金属发生表面粘着，与石墨烯起到协同作用，能够有效降低PPS复合材料的磨耗量；
(3)碳纤维对提高PPS的导热率、改善PPS的耐磨性以及提高PPS的强度均有帮助。其改善PPS的导热率一方面是由于本身具有良好的导热性能，另一方面，其纤维状结构可以连接石墨烯片层，起到导热通道的作用，有利于导热网络的构建；其改善PPS耐磨性是由于碳纤维由于其良好的导热性，可以把摩擦过程产生的热量迅速传递出去，从而减少摩擦热对材料的破坏，且由于碳纤维的石墨微晶结构，摩擦过程中与对磨面接触时可以润滑对磨面，从而提高材料的耐磨性能；其提高PPS的强度是由于碳纤维本身具有优异的机械性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例和对比例均按照标准要求注塑成测试用的标准样条并进行测试。其中，导热率按照标准ASTM E1461《闪光法测定固体热扩散率的试验方法》，弯曲强度按照ISO178标准，耐磨性按照GB/T 5478标准(轮子型号CS-17，负重500g/轮)。
本发明实施例和对比例中用到的原料如下：
PPS：PPS1350C，浙江新和成特种材料有限公司；
碳纤维HT C605：短切长度6mm，采用尼龙集束剂，集束剂量4.5％，日本帝人(Teijin)公司；
石墨烯：KNG-C162，厦门凯纳石墨烯技术有限公司；
MoS2：高纯MoS2特等品，洛阳嵩县开拓者钼业有限公司；
玻纤910A：单丝直径10μm，短切长度4mm，欧文斯科宁(中国)投资有限公司；
相容剂：KT-20(乙烯-马来酸酐-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物)，沈阳科通塑胶有限公司；
偶联剂：KBM-903(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)，日本信越(Shinetsu)公司；
抗氧剂：受阻酚1790(1,3,5-三(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)-1,3,5-三嗪-2,4,6-(1H,3H,5H)-三酮)，氰特化工(上海)有限公司，亚磷酸酯S-9228(双(2，4—二酷基)季戊四醇二亚磷酸酯)，美国都福(Dover)公司；
润滑剂：TEGOMER E525(硅酮粉)，赢创(Evonik)工业集团。
实施例1
一种导热耐磨高强度PPS复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按表1中PPS、碳纤维、石墨烯、二硫化钼、相容剂、偶联剂、抗氧剂和润滑剂的量称取原料；
(2)将偶联剂、石墨烯、二硫化钼在80℃混合4min，再加入PPS、相容剂、抗氧剂和润滑剂在60℃混合5min，然后加入挤出机主喂料斗，在侧喂料斗加入碳纤维，通过双螺杆挤出机挤出造粒。
双螺杆挤出机的转速为400r/min，温度为260～300℃。所得的导热耐磨高强度PPS复合材料性能见表2。
实施例2
一种导热耐磨高强度PPS复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按表1中PPS、碳纤维、石墨烯、二硫化钼、相容剂、偶联剂、抗氧剂和润滑剂的量称取原料；
(2)将偶联剂、石墨烯、二硫化钼在70℃混合5min，再加入PPS、相容剂、抗氧剂和润滑剂在80℃混合3min，然后加入挤出机主喂料斗，在侧喂料斗加入碳纤维，通过双螺杆挤出机挤出造粒。
双螺杆挤出机的转速为300r/min，温度为260～300℃。所得的导热耐磨高强度PPS复合材料性能见表2。
实施例3
一种导热耐磨高强度PPS复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按表1中PPS、碳纤维、石墨烯、二硫化钼、相容剂、偶联剂、抗氧剂和润滑剂的量称取原料；
(2)将偶联剂、石墨烯、二硫化钼在90℃混合3min，再加入PPS、相容剂、抗氧剂和润滑剂在70℃混合4min，然后加入挤出机主喂料斗，在侧喂料斗加入碳纤维，通过双螺杆挤出机挤出造粒。
双螺杆挤出机的转速为500r/min，温度为260～300℃。所得的导热耐磨高强度PPS复合材料性能见表2。
实施例4～5
实施例4～5分别按表1称取原料后，按照实施例1的方法制备得到导热耐磨高强度PPS复合材料，所得的导热耐磨高强度PPS复合材料性能见表2。
对比例1～5
对比例1～5分别按照表3称取原料后，通过现有的PPS的常规方法制备得到改性PPS样品。所得的改性PPS样品性能检测见表4。
表1导热耐磨高强度PPS复合材料的组成
表2实施例性能检测
导热率/(W/m·k) 损耗量/mg 弯曲强度/MPa
实施例1 1.54 35 270
实施例2 1.88 44 188
实施例3 1.25 37 153
实施例4 1.63 48 164
实施例5 0.80 70 169
表3对比例PPS复合材料的组成
表4对比例性能检测
导热率/(W/m·k) 损耗量/mg 弯曲强度/MPa
对比例1 0.72 87 215
对比例2 1.83 55 205
对比例3 2.01 44 165
对比例4 0.48 40 140
对比例5 1.50 61 135
对比例1和实施例1比较可以看出，采用碳纤维增强PPS，与玻纤增强相比，得到的PPS复合材料弯曲强度和导热率更高，损耗量更低。
对比例2和实施例2比较可以看出，MoS2的加入可以降低PPS复合材料的损耗，提高其耐磨性能。
对比例3、对比例4和实施例3比较可以看出，石墨烯的加入能够显著提高PPS的导热性能，另一方面，在保持石墨烯和MoS2总添加量为25％时，石墨烯(15％)和MoS2(10％)复配时的损耗量更低，说明石墨烯和MoS2可以起到协同耐磨作用。
对比例5和实施例4比较可以看出，相容剂的加入通过改善碳纤、石墨烯、MoS2和PPS树脂的界面结合，从而改善PPS复合材料的导热性能、耐磨性能和弯曲强度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述复合材料由聚苯硫醚、碳纤维、石墨烯、二硫化钼、相容剂、抗氧剂、润滑剂和偶联剂组成，以重量百分比计算，各组分用量如下：
2.根据权利要求1所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的聚苯硫醚重均分子量为20000～60000。
3.根据权利要求1所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的碳纤维为短切碳纤维，长度3～10mm，集束剂为环氧树脂，集束剂量1～8％。
4.根据权利要求1所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的石墨烯为石墨烯微片粒子。
5.根据权利要求1所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的二硫化钼粒径为5000～10000目。
6.根据权利要求1所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的相容剂为EMG。
7.根据权利要求1所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂；所述的抗氧剂为受阻酚和亚磷酸酯组成的复配抗氧体系；所述的润滑剂为硅酮粉。
8.根据权利要求7所述的一种导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
9.权利要求1至8任一项所述的导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以重量百分比计，先将0.4～0.8％的偶联剂、10～20％的石墨烯和5～10％的二硫化钼于70～90℃混合3～5min，然后再加入40～60％的聚苯硫醚、2～5％的相容剂、0.2～0.6％的抗氧剂和0.4～0.8％的润滑剂于60～80℃混合3～5min，最后将混合后的物料加入挤出机主喂料斗，在侧喂料斗加入20～40％的碳纤维，通过双螺杆挤出机挤出造粒，制得导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料。
10.根据权利要求9所述的导热耐磨高强度聚苯硫醚复合材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机的转速为300～500r/min，温度为260～300℃。
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Pledgor: GUANGZHOU SUPER-DRAGON ENGINEERING PLASTICS CO., LTD.

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