CN106317875B

CN106317875B - 一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料及其制备方法

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Publication number: CN106317875B
Application number: CN201510415982.5A
Authority: CN
Inventors: 董玉欣; 周凯; 王鑫; 蔡伟; 王帆; 赵宁宁; 王勇杰; 乔梁; 车声雷; 姜力强
Original assignee: HANGZHOU QIANSHI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU QIANSHI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN106317875A

Abstract

本发明涉及一种制备高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的方法，包括如下步骤：第一步，用聚苯硫醚树脂作为基体，将增塑剂、润滑剂和抗氧剂等一起用双螺杆挤出机制备多功能母料；第二步，将表面处理过的钐铁氮粉末与第一步制备好的母料一起用双螺杆挤出机制备磁性复合材料。本发明制得的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料，具有较高的流动性、磁性能以及良好力学性能，适用于注塑成型的方法制造器件。本发明具有制备工艺简单，对设备要求低，适合工业化生产的优点。

Description

一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于粘结磁性复合材料领域，涉及一种适用于注塑成型的高磁性能的复合材料的制备方法，尤其涉及一种高韧性、高磁性能和高流动性的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法。

背景技术

随着复合材料制备技术和注塑成型工艺的发展，注塑成型也被广泛应用于磁体的制备。相比传统的烧结磁体，注塑磁体具有产品尺寸精度高、便于制备复杂形状的细微零部件以及生产效率高等优点，符合电子信息产品“轻、薄、短、小”的发展趋势，被广泛用于家电、汽车、通信设备、仪器仪表等方面。

注塑磁体由有机高分子树脂和无机磁性粉末一起复合而成。常见的有尼龙/铁氧体、尼龙/钕铁硼、聚丙烯/铁氧体、橡胶/铁氧体、聚苯硫醚/铁氧体、聚苯硫醚/钕铁硼、聚苯硫醚/复合磁粉等体系。

通常尼龙树脂因其加工性能好而被广泛用于注塑磁体，但其耐高温性和耐溶剂性能差在某些领域被限制应用如空调、冰柜等制冷设备，压缩机里面的冷冻机油对尼龙具有溶胀作用，影响着磁性器件的尺寸稳定性(CN102504534A)。聚苯硫醚树脂因其优异的耐溶剂性能是这类注塑磁体最合适的粘结剂。

对于磁粉，钕铁硼磁体因其较高的磁性而被称为“磁王”，但其居里温度低、易氧化、易腐蚀且成本昂贵限制着其应用。铁氧体虽然性能稳定，耐腐蚀、抗氧化、价格低廉，但其矫顽力太低，抗外界磁场干扰能力弱，导致注塑铁氧体制备的转子难以在复杂的电磁环境下稳定工作；而钐铁氮的磁性能理论值接近钕铁硼却远高于铁氧体，且其稀土金属元素含量低，所以价格相对低、节约国家的稀土资源。是无论从性能和价格都是介于二者之间。

随着节能减排政策的推广，在制冷电器中，变频技术越来越多的取代定频技术，制冷电器对转子磁体的磁性能要求也越来越高，因此，要求制备转子磁体的注塑磁具有更高的磁性能。目前，传统的尼龙/铁氧体注塑磁体系已难以满足其要求，所以PPS/钐铁氮磁性复合材料是最理想的材料。

虽然国内也有不少关于PPS/钐铁氮的体系的报道，大多都是复合磁粉，即用钕铁硼、钐铁氮、钕铁氮、铁氧体中的两种或者多种磁粉混合，用偶联剂简单处理后与树脂复合制备注塑磁体。而PPS的成型加工温度都在300℃～330℃，实际上会导致钕铁硼等磁粉严重氧化，甚至高温退磁，导致其高的磁性能不能充分的发挥；同时，不同粉体之间存在界面问题，影响在磁路的完整性，难以达到理想的磁性。而本专利采用表面磷化处理后再偶联的工艺，既保证了钐铁氮粉末不被氧化，又改善了磁粉和树脂之间的界面性能，达到发挥其高磁性的目的。

此外，注塑磁的基体树脂要具有高的流动性，以利于注塑时磁粉在树脂中饱和取向。在磁粉填充量较高时易导致聚苯硫醚树脂的流动性和力学性能严重下降。因此，本发明首先对PPS树脂进行改性，然后再和磁粉混炼造粒，得到磁性、力学性能和流动性良好的复合材料。

发明内容

本发明的目的是采用两步造粒工艺解决现有工艺技术的缺点，提供一种性能优良的聚苯硫醚树脂基磁性复合材料及其制备方法。

本发明所述的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料，其所包括的组份及其各组分百分含量如下：

聚苯硫醚树脂 9％～15％

钐铁氮磁粉 82％～90％

复合塑料助剂 1％～5％

本发明所述的高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料，其中所述的钐铁氮磁粉化学式是Sm₂Fe₁₇N_x(其中1.0≤x≤3.0)；所述的聚苯硫醚树脂的分子量为10000～30000；所述的复合助剂是增塑剂、润滑剂和抗氧剂的混合物。

本发明所述的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.钐铁氮磁粉表面处理

用一定量的磷酸酯偶联剂和磷酸溶解在适量的无水乙醇或丙酮中，无水乙醇或丙酮用量以能完全包覆磁粉为限；然后加入100份钐铁氮磁粉，50℃～60℃下搅拌混合均匀，然后在80℃真空干燥6小时，得到表面处理的钐铁氮磁粉；

步骤2.聚苯硫醚树脂改性

将聚苯硫醚树脂、增塑剂、润滑剂和抗氧剂等按比例称量混合后用双螺杆挤出机在250℃～300℃造粒，得到改性聚苯硫醚树脂。

步骤3.聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料制备

将改性聚苯硫醚树脂和表面处理过的钐铁氮磁粉混合均匀，用双螺杆挤出机在280℃-310℃挤出造粒得到聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料。

步骤4.注塑成型

将步骤3中制备的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料加入注塑机中注塑成型，用电磁场取向，取向场强度1～3特斯拉，注塑机炮筒温度设定为300℃～320℃，模具温度60℃～80℃。

进一步，本发明所述的一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，其中所述的钐铁氮粉末化学式是Sm₂Fe₁₇N_x(其中1.0≤x≤3.0)；所述的聚苯硫醚树脂的分子量为10000～30000；所述的复合助剂是增塑剂、润滑剂和抗氧剂的混合物。

更进一步，本发明步骤1中所述的表面处理剂是用磷酸酯偶联剂和磷酸经无水乙醇或丙酮稀释溶解制备的，其用量分别占磁粉质量的0.5％和1％。所述的复合塑料助剂包括增塑剂、润滑剂和抗氧剂，其用量分别占聚苯硫醚树脂质量的0.5％～15％、0.5％～10％、0.5％～10％。

本发明技术最优方案为：通过两步法工艺制备聚苯硫醚/钐铁氮复合材料，优选的钐铁氮磁粉的化学式为Sm₂Fe₁₇N₃；优选的聚苯硫醚树脂的平均分子量为15000。此时，聚苯硫醚：钐铁氮：复合助剂的最佳配比为80∶910∶10。

与现有工艺技术相比，本发明通过两步造粒的工艺制备的聚苯硫醚树脂基磁性复合材料，具有以下益处：

第一、本发明利用多种功能助剂和聚苯硫醚树脂制备多功能母粒，改善聚苯硫醚树脂本身的力学性能和成型加工性，有利于提高最终复合材料的综合性能；同时，有利于改善各种助剂和钐铁氮磁粉因密度差异而引起的混炼时分离的现象。

第二、本发明利用磷化和偶联的工艺对钐铁氮磁粉进行表面处理，在粉末表面形成一层磷化膜后又包覆偶联剂，可以有效避免在高温混炼造粒时钐铁氮被氧化，同时又改善了粉末和树脂之间的相容性，有利于提高磁粉在树脂中的分散性、复合材料的加工性及力学性能。

第三、本发明制备的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料，磁性能接近现有的聚苯硫醚/钕铁硼磁体并且降低了成本；与现有的聚苯硫醚/铁氧体相比，磁性能得到极大提高，可以满足高磁性场合的使用要求。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的内容作更具体的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1.

本实施例中的各种原料及原料的质量百分比如下：

聚苯硫醚树脂(Mn＝15000) 8％

钐铁氮粉末(Sm₂Fe₁₇N_2.3) 91％

复合助剂 1％

本实例中用的聚苯硫醚树脂的分子量为15000；所用的复合助剂是增塑剂、润滑剂和抗氧剂的混合物，各种助剂的质量百分比如下：

增塑剂偏苯三酸三辛酯(商品名：TOTM) 5％

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 5％

抗氧剂抗氧剂4426 2.5％

工艺步骤如下：

(1)钐铁氮磁粉表面处理

将0.5份磷酸酯偶联剂和1份的磷酸溶解在适量的无水乙醇中得到混合表面处理剂，乙醇或丙酮用量以能完全包覆磁粉为限；然后加入100份钐铁氮磁粉(Sm₂Fe₁₇N_2.3)，50℃～60℃充分搅拌混合均匀，然后在80℃真空干燥6小时，得到表面处理的钐铁氮磁粉；

(2)混炼造粒

将分子量为15000的聚苯硫醚树脂、增塑剂TOTM、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯和抗氧剂4426等一起用双螺杆挤出机在250℃～280℃造粒，得到改性聚苯硫醚树脂。

(3)聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料制备

将改性聚苯硫醚树脂和表面处理过的钐铁氮磁粉混合均匀，用双螺杆挤出机在300℃～310℃挤出造粒得到聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料。

(4)注塑成型

将步骤3中制备的磁性复合材料加入注塑机中注塑制样，用电磁场取向，取向场强度2特斯拉，注塑机炮筒温度设定为300℃～330℃，模具温度60℃～80℃。

按照相关测试标准，将本实例步骤4中制得的磁性复合材料样品进行性能测试，结果如下：Br＝0.56T H_cj＝682KA/m，(BH)_m＝45KJ/m³，冲击强度7.5kJ/m²，拉伸强度46.7MPa，弯曲强度43.0MPa，熔融指数为185g/10min。

实施例2.

本实施例中的各种原料及原料的质量百分比如下：

聚苯硫醚树脂(Mn＝25000) 8％

钐铁氮粉末(Sm₂Fe₁₇N_2.3) 91％

复合助剂 1％

本实例中用的聚苯硫醚树脂的分子量为25000；所用的复合助剂是增塑剂、润滑剂和抗氧剂的混合物，各种助剂的质量百分比如下：

增塑剂偏苯三酸三辛酯(商品名：TOTM) 5％

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 5％

抗氧剂抗氧剂4426 2.5％

工艺步骤如下：

(1)钐铁氮磁粉表面处理

(2)混炼造粒

将分子量为25000的聚苯硫醚树脂、增塑剂TOTM、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯和抗氧剂4426等一起用双螺杆挤出机在250℃～280℃造粒，得到改性聚苯硫醚树脂。

(3)聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料制备

(4)注塑成型

将步骤3中制备的磁性复合材料加入注塑机中注塑成型，用电磁场取向，取向场强度2特斯拉，注塑机炮筒温度设定为300℃～330℃，模具温度60℃～80℃。

按照相关测试标准，将本实例步骤4中制得的磁性复合材料样品进行性能测试，结果如下：Br＝0.52T H_cj＝640KA/m，(BH)_m＝39KJ/m³，冲击强度10.5kJ/m²，拉伸强度55.0MPa，弯曲强度53.0MPa，熔融指数为150g/10min。

实施例3.

本实施例中的各种原料及原料的质量百分比如下：

聚苯硫醚树脂Mn＝15000) 8％

钐铁氮粉末(Sm₂Fe₁₇N_2.7) 91％

复合助剂 1％

增塑剂偏苯三酸三辛酯(商品名：TOTM) 2.5％

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 4％

抗氧剂抗氧剂4426 6％

工艺步骤如下：

(1)钐铁氮磁粉表面处理

将0.5份磷酸酯偶联剂和1份的磷酸溶解在适量的丙酮中，丙酮用量以能完全包覆磁粉为限；然后加入100份钐铁氮磁粉(Sm₂Fe₁₇N_2.7)，50℃～60℃下充分搅拌混合均匀，然后在80℃真空干燥6小时，得到表面处理的钐铁氮磁粉；

(2)混炼造粒

(3)聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料制备

(4)注塑成型

本实例制得的磁性复合材料经注塑制样，按照相关测试标准，性能测试结果如下：Br＝0.59T H_cj＝700KA/m，(BH)_m＝54KJ/m³，冲击强度8.4kJ/m²，拉伸强度44.8MPa，弯曲强度45.0MPa，熔融指数为203g/10min。

实施例4.

本实施例中的各种原料及原料的质量百分比如下：

聚苯硫醚树脂PPS Mn＝15000) 8％

钐铁氮粉末(Sm₂Fe₁₇N₃) 91％

复合助剂 1％

增塑剂 PPA-2000 2.5％

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 6％

抗氧剂抗氧剂4426 4％

工艺步骤如下：

(1)钐铁氮磁粉表面处理

将0.5份磷酸酯偶联剂和1份的磷酸溶解在适量的无水乙醇中，无水乙醇用量以能完全包覆磁粉为限；然后加入100份钐铁氮磁粉(Sm₂Fe₁₇N₃)，50℃～60℃下充分搅拌混合均匀，然后在80℃真空干燥6小时，得到表面处理的钐铁氮磁粉；

(2)混炼造粒

将分子量为15000的聚苯硫醚树脂、增塑剂PPA-2000、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯和抗氧剂4426等一起用双螺杆挤出机在250℃～280℃造粒，得到改性聚苯硫醚树脂。

(3)聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料制备

(4)注塑成型

按照相关测试标准，将本实例步骤4中制得的磁性复合材料样品进行性能测试，结果如下：Br＝0.63T H_cj＝710KA/m，(BH)_m＝60KJ/m³，冲击强度8.3kJ/m²，拉伸强度49.0MPa，弯曲强度42.0MPa，熔融指数为205g/10min。

实施例5.

本实施例中的各种原料及原料的质量百分比如下：

聚苯硫醚树脂(Mn＝15000) 8％

钐铁氮粉末(Sm₂Fe₁₇N₃) 91％

复合助剂 1％

增塑剂 PPA-2000 2.5％

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 6％

抗氧剂抗氧剂4426 4％

工艺步骤如下：

(1)钐铁氮磁粉表面处理

(2)混炼造粒

将分子量为15000的聚苯硫醚树脂、增塑剂PPA-2000、润滑剂季戊四醇硬脂酸酯和抗氧剂4426和表面处理过的钐铁氮磁粉一起混合均匀，用双螺杆挤出机在280℃～310℃挤出造粒得到聚苯硫醚树脂基磁性复合材料。

(3)注塑成型

将步骤2中制备的磁性复合材料加入注塑机中注塑制样，用电磁场取向，取向场强度2特斯拉，注塑机炮筒温度设定为300℃～330℃，模具温度60℃～80℃。

按照相关测试标准，将本实例步骤3中制得的磁性复合材料样品进行性能测试，结果如下：Br＝0.52T H_cj＝670KA/m，(BH)_m＝40KJ/m³，冲击强度5.7kJ/m²，拉伸强度38.0MPa，弯曲强度37.0MPa，熔融指数为145g/10min。

表1实施例中测试结果

对比上述实施例中的实验结果，可以看出：

(1)聚苯硫醚树脂的分子量越大，复合材料力学强度越高，但是流动性下降，影响最终复合材料的磁性能降低。

(2)衫铁氮Sm₂Fe₁₇N_x(其中2.0≤x≤3.0)中N元素的含量对磁性能有明显的影响，当Sm₂Fe₁₇N_x中三种元素比例为2∶17∶3时复合材料的磁性能最高。

(3)对比实施例4和5得到，两步法的工艺制备的复合材料的力学、成型加工性和磁性能都优于一步法的工艺。

Claims

1.一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，其特征在于利用两步造粒的工艺，先将塑料助剂和聚苯硫醚树脂混合造粒，得到改性聚苯硫醚树脂；再和表面处理过的钐铁氮磁粉一起熔融挤出造粒，制备聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料；具体的工艺步骤如下：

步骤1.钐铁氮磁粉表面处理

步骤2.聚苯硫醚树脂改性

将聚苯硫醚树脂、增塑剂、润滑剂和抗氧剂按比例称量混合后用双螺杆挤出机在250℃～300℃造粒，得到改性聚苯硫醚树脂；

步骤3.聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料制备

将改性聚苯硫醚树脂和表面处理过的钐铁氮磁粉混合均匀，用双螺杆挤出机在280℃-310℃挤出造粒得到聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料；

步骤4.注塑成型

将步骤3中制备的磁性复合材料加入注塑机中注塑成型，用电磁场取向，取向场强度1～3特斯拉，注塑机炮筒温度设定为300℃～320℃，模具温度60℃～80℃。

2.如权利要求1所述的一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，其特征在于该复合材料包括的组份及其质量百分数如下：

聚苯硫醚树脂 9％～15％，

钐铁氮磁粉 82％～90％，

复合塑料助剂 1％～5％。

3.如权利要求1所述的一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，所述的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料中所用钐铁氮磁粉的化学式是Sm₂Fe₁₇N_x，其中1.0≤x≤3.0，表面经1％质量分数的磷酸和0.5％质量分数的磷酸酯偶联剂处理。

4.如权利要求1所述的一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，所述的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料中所用的聚苯硫醚树脂的分子量为10000～30000。

5.如权利要求1所述的一种高性能聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料的制备方法，所述的聚苯硫醚/钐铁氮磁性复合材料中所用的塑料助剂是增塑剂、润滑剂和抗氧剂的混合物；其中增塑剂是商品名为TOTM的偏苯三酸三辛酯和商品名是PPA-2000的聚己二酸-1，2-丙二醇酯中的一种，润滑剂是季戊四醇硬脂酸酯，抗氧剂是商品名为抗氧剂4426的4,4＇-亚甲基双(2,6-二叔丁基苯酚)，其用量分别占聚苯硫醚树脂质量的0.5％～15％、0.5％～10％、0.5％～10％。