CN106675014B - 一种尼龙66复合材料及制备方法 - Google Patents

一种尼龙66复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于石油化工管路密封圈的尼龙66复合材料，是由以下成分按重量比组成：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4‑4.8％、Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)含量为0.2％～1％。相对于现有的尼龙66及SiO2/尼龙6复合材料，本发明的尼龙66复合材料，其耐摩擦、耐热性、耐水解性能都有明显的改善，可以在自然环境恶劣的情形下保持长时间的密封性能，更适用于石油化工等相关领域。

Description

一种尼龙66复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种密封材料，具体涉及一种用于石油化工管路密封圈的尼龙66复合材料。
背景技术
橡胶密封圈密封是最常用的一种密封形式,这种密封形式具有结构简单、密封可靠的优点,但橡胶密封圈存在性能缺陷限制其在很多领域中的应用。航天器的密封程度对于内部设备的安全有着重要的影响,而对于载人航天器来说,机构密封性能的好坏有更大的影响意义。航天飞行器在空间运行时要经过低温-70℃和高温70℃的温度变化,橡胶材料的材料特性随温度的变化有很大的不同,因此还要分析空间飞行器在不同温度的密封性能。“挑战者”号失事的直接原因是航天飞机右侧固体火箭助推器的O型密封圈失效,导致燃气外泄。
聚四氟乙烯(PTFE)材料具有优良的耐蚀性、耐候性、化学稳定性，并且不沾、无毒、无污染，被称为“塑料之王”，是一种较好的密封材料，被广泛应用于国防、航空航天、医学、石油化工、机械等许多领域的密封装置。虽然塑料本身具有强的抗腐蚀能力，不为化学溶剂所侵蚀，但当一些化学试剂、溶剂、水等进入摩擦界面，在应力反复作用下，又有热、氧等环境因素，是能够产生磨损的。在摩擦过程中，表面上真实接触区域可以产生高温，同时可能产生很高的局部应力与变形，在这些热点能发生化学反应，从而加快了磨损速度。而且，虽然聚四氟乙烯有良好的密封性能，但它的力学性能不好，抗拉强度、抗压强度不高，回弹能力差。所以，这些因素使聚四氟乙烯密封圈老化失效是导致石油化工管路泄漏的重要原因之一。而且石油化工管路输送的介质具有高温、高压、腐蚀等特点,极易在管路连接处造成水、气、物料的跑、冒、滴、漏,污染环境、危害工人身体健康。因此,为了延长管路的使用寿命,确保管路畅通无阻,保证安全生产,必须确保使用密封材料的性能良好。
尼龙66材料，其分子链中重复出现的酰胺基团间可发生氢键结合，并规整排列形成结晶，从而具有良好的机械性能和耐油耐溶剂性、自润滑性。但仍然存在一些性能缺陷，由于其结构中含有酰胺基团(属于极性基团)，在高温、潮湿或紫外照射的环境中，尼龙66会发生热降解、水解，从而影响其制品的尺寸稳定性和力学性能，降低了产品的稳定性和使用寿命，这些因素均限制了尼龙66材料的应用。为改善尼龙相关材料的性能，Monserrat等制备了SiO2/尼龙6复合材料，发现SiO2的加入提高了尼龙6复合材料的摩擦学性能和热性能。关于尼龙66复合材料耐磨性能和耐热性能研究的报告还没有在国内外公开，所以，一种综合性能更好的尼龙66复合材料将成为国内外研发的热点。
发明内容
本发明的目的是克服现有密封材料的不足，提供一种综合性能更好的尼龙66复合材料，相对于尼龙66材料、SiO2/尼龙6复合材料，本发明的尼龙66复合材料，其耐摩擦、耐热性、耐水解性能都有明显的改善，可以在自然环境恶劣的情形下保持长时间的密封性能，更适用于石油化工等相关领域。
尼龙66复合材料的组分为：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4-4.8％、Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)含量为0.2％～1％。所述Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)的含量占尼龙66复合材料的质量百分比优选为0.3％～0.7％，更优选为0.4～0.6％，最优选为0.5％。
本发明还涉及Ekonol(0.2％-1％)/尼龙66材料及相关密封产品的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、按处方比例添加尼龙66，并加热至320℃使其熔化，然后同时添加聚四氟乙烯和柔性石墨，以300-500转/分的速度搅拌均匀。
步骤2、按处方比例添加Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)，以800-1000转/分搅拌均匀，该过程持续加热30-50分钟，混合物温度保持在320℃。
步骤3、用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型。采用0摄氏度以下的冰水将成型磨具冷却，待其冷却后取出密封圈。
对Ekonol(0.2％)/尼龙66、尼龙66材料、SiO2(0.2％)/尼龙6复合材料的耐摩擦磨损性能进行试验测定，表1所列结果表明,Ekonol(0.2％)/尼龙66的耐摩擦磨损性能优于尼龙66材料、SiO2(0.2％)/尼龙6复合材料。同样，对含有不同比例的Ekonol/尼龙66复合材料进行耐摩擦磨损性能考察，表2所列结果表明,随着Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)在复合材料中比例的增加，摩擦系数及磨损率减小，当Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)的比例增加至0.7％时，其摩擦系数和磨损率反而有一定程度的升高，当增加至1.0％时，其摩擦系数和磨损率明显升高，所以，Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)在复合材料中比例为0.5％时，复合材料的耐摩擦磨损性能最好。
对Ekonol(0.2％)/尼龙66、尼龙66材料、SiO2(0.2％)/尼龙6复合材料的耐热性能进行试验测定，结果如表3所示。可以看出，Ekonol(0.2％)/尼龙66的耐热性能明显好于尼龙66和SiO2(0.2％)/尼龙6.从表4中可以看出，在复合材料中，随着Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)含量的增加，复合材料的线膨胀系数呈现逐渐减低的趋势，这说明Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)对复合材料呈现负效应。当Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)增加至0.5％以后，热膨胀系数增加的趋势并不明显，考虑成本，选择0.5％的Ekonol(聚对羟基苯甲酸酯)作为最佳比例。
设计实验模拟高温高湿的环境，对尼龙66、SiO2(0.2％)/尼龙6、Ekonol(0.2％-1.0％)/尼龙66耐水解性能进行了考察，表5的结果表明Ekonol(0.2％-1.0％)/尼龙66的耐水解性能明显优于其他二者。
本发明提供的尼龙66复合材料，采用尼龙66为主要原材料，提高了密封材料的综合力学性能，摩擦性能试验和耐热试验表明，本复合材料除了具有尼龙66材料及尼龙6复合材料机械性能良好、耐油、耐溶剂的优点以外，同时具有更佳的耐摩擦、耐热、耐水解性能，与现有材料相比有显著优势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1、Ekonol(0.2％)/尼龙66材料的制备
一种尼龙66复合材料，以质量百分比含量计其组分为：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4.8％、Ekonol含量为0.2％。
制备方法如下：首先添加80％的尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加15％的聚四氟乙烯和4.8％的柔性石墨，搅拌均匀。添加0.2％的Ekonol，搅拌均匀，该过程持续加热，混合物温度保持在320℃。用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型，冷却后取出密封圈。利用该工艺及尼龙66复合材料制成的密封圈，抗拉强度为120～124MPa，抗剪强度为61～65MPa，压缩强度可达159～162MPa，挠曲强度可达171～174MPa。
实施例2、Ekonol(0.3％)/尼龙66材料的制备
一种尼龙66复合材料，以质量百分比含量计其组分为：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4.7％、Ekonol含量为0.3％。
制备方法如下：首先添加80％的尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加15％的聚四氟乙烯和4.7％的柔性石墨，搅拌均匀。添加0.3％的Ekonol，搅拌均匀，该过程持续加热，混合物温度保持在320℃。用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型，冷却后取出密封圈。利用该工艺及尼龙66复合材料制成的密封圈，抗拉强度为117～122MPa，抗剪强度为60～63MPa，压缩强度可达163～168MPa，挠曲强度可达170～175MPa。
实施例3、Ekonol(0.5％)/尼龙66材料的制备
用于管路密封圈的尼龙66复合材料，以质量百分比含量计其组分为：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4.5％、Ekonol含量为0.5％。
制备方法如下：首先添加80％的尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加15％的聚四氟乙烯和4.5％的柔性石墨，搅拌均匀。添加0.5％的Ekonol，搅拌均匀，该过程持续加热，混合物温度保持在320℃。用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型，冷却后取出密封圈。利用该工艺及尼龙66复合材料制成的密封圈，抗拉强度为123～126MPa，抗剪强度为69～73MPa，压缩强度可达163～169MPa，挠曲强度可达174～177MPa。
实施例4、Ekonol(0.7％)/尼龙66材料的制备
用于管路密封圈的尼龙66复合材料，以质量百分比含量计其组分为：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4.3％、Ekonol含量为0.7％。
制备方法如下：首先添加80的尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加15％的聚四氟乙烯和4.3％的柔性石墨，搅拌均匀。添加0.7％的Ekonol，搅拌均匀，该过程持续加热，混合物温度保持在320℃。用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型，冷却后取出密封圈。利用该工艺及尼龙66复合材料制成的密封圈，抗拉强度为121～125MPa，抗剪强度为65～69MPa，压缩强度可达163～165MPa，挠曲强度可达169～171MPa。
实施例5、Ekonol(1.0％)/尼龙66材料的制备
用于管路密封圈的尼龙66复合材料，以质量百分比含量计其组分为：尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4.0％、Ekonol含量为1.0％。
制备方法如下：首先添加80％的尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加15％的聚四氟乙烯和4.0％的柔性石墨，搅拌均匀.添加1.0％的Ekonol，搅拌均匀，该过程持续加热，混合物温度保持在320℃。用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型，水冷后取出密封圈。利用该工艺及尼龙66复合材料制成的密封圈，抗拉强度为118～120MPa，抗剪强度为60～62MPa，压缩强度可达163～167MPa，挠曲强度可达166～172MPa。
实施例6、制备尼龙66材料、SiO2/尼龙6复合材料、Ekonol(0.2％)/尼龙66配方的样品,在MM一200型磨损试验机上(按照GB3960-83),进行16小时的摩擦磨损性能比较(载荷：200N，转速：500rpm)，结果见表1。
表1、尼龙66材料、SiO2/尼龙6复合材料、Ekonol(0.2％)/尼龙66复合材料的耐摩擦性能比较
实施例7、制备Ekonol(0.2％)/尼龙66、Ekonol(0.3％)/尼龙66、Ekonol(0.5％)/尼龙66、Ekonol(0.7％)/尼龙66、Ekonol(1.0％)/尼龙66配方的样品，在MM一200型磨损试验机上(按照GB3960-83),进行16小时的摩擦磨损性能比较(载荷：200N，转速：500rpm)，结果见表2。
表2、Ekonol(0.2％)/尼龙66、Ekonol(0.3％)/尼龙66、Ekonol(0.5％)/尼龙66、Ekonol(0.7％)/尼龙66、Ekonol(1.0％)/尼龙66的耐摩擦性能比较
实施例8、从耐摩擦磨损性能测试制备的各复合材料样条上分别截取适当长度试样，试样通过线切割加工而成，上下两平面保持严格平行。用膨胀仪测定试样的热膨胀曲线，升温速率为2℃/min，测试温度范围为25～150℃，之后利用公式计算复合材料在某一温度区间内的平均热膨胀系数和动态热膨胀系数。根据GB/T 4339—1984，固体在温度每升高1℃时，在某一方向上的长度增量ΔL/ΔT与室温下同方向上的长度L0之比，叫做固体的线膨胀系数α，即
按上述方法对纯尼龙66、SiO2(0.2％)/尼龙6、Ekonol(0.2％)/尼龙66进行测定，按照式(1)计算出各种材料的线膨胀系数，结果见表3.
表3、尼龙66、SiO2(0.2％)/尼龙6、Ekonol(0.2％)/尼龙66的线膨胀系数比较
实施例9、按照实施例8的检测方法对Ekonol(0.2％)/尼龙66、Ekonol(0.3％)/尼龙66、Ekonol(0.5％)/尼龙66、Ekonol(0.7％)/尼龙66、Ekonol(1.0％)/尼龙66进行线膨胀系数的测定并进行比较，结果见表4。
表4、Ekonol(0.2％)/尼龙66、Ekonol(0.3％)/尼龙66、Ekonol(0.5％)/尼龙66、Ekonol(0.7％)/尼龙66、Ekonol(1.0％)/尼龙66的线膨胀系数比较
实施例10、尼龙66、SiO2(0.2％)/尼龙6、Ekonol(0.2％)/尼龙66、Ekonol(0.5％)/尼龙66、Ekonol(1.0％)/尼龙66耐水解性能研究
将各复合材料的试样分别放入装有纯乙二醇溶剂的试验装置中,升温至140℃，保持72h,然后取出试样,放入真空干燥箱中于70℃干燥2h,在60min内进行性能测试，结果见表5。
表5、纯尼龙66、SiO2(0.2％)/尼龙6、Ekonol(0.2％)/尼龙66、Ekonol(0.5％)/尼龙66、Ekonol(1.0％)/尼龙66耐水解性能研究

Claims (6)

1.一种尼龙66复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、添加处方量的尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加处方量的聚四氟乙烯和柔性石墨，搅拌至均匀，所述的搅拌速度为300-500转/分；
步骤2、添加处方量的Ekonol，搅拌均匀，该过程持续加热，混合物温度保持在320℃，所述的搅拌速度为800-1000转/分；
所述尼龙66复合材料，其特征在于，由尼龙66、聚四氟乙烯、柔性石墨、Ekonol组成；尼龙66含量为80％、聚四氟乙烯含量为15％、柔性石墨含量为4-4.7％、Ekonol含量为0.3％～1％。
2.根据权利要求1所述的一种尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：所述的柔性石墨含量为4.3-4.7％，Ekonol含量为0.3％～0.7％。
3.根据权利要求2所述的一种尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：所述的柔性石墨含量为4.4-4.6％，Ekonol含量为0.4％～0.6％。
4.根据权利要求3所述的一种尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：所述的柔性石墨含量为4.5％，Ekonol含量为0.5％。
5.根据权利要求1所述尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2所述的持续加热的时间为30-50分钟。
6.一种由尼龙66复合材料组成的密封圈的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、添加80％尼龙66，并加热至320℃熔化，然后同时添加15％聚四氟乙烯和4-4.8％柔性石墨，以300-500转/分的速度搅拌均匀；
步骤2、添加0.2-1％的Ekonol，以800-1000转/分搅拌均匀，该过程持续加热30-50分钟，混合物温度保持在320℃；
步骤3、使用螺旋压注机将熔融的尼龙66复合材料挤压进密封圈成型模具，保压成型，将成型磨具冷却，采用0摄氏度以下的冰水冷却后取出密封圈。
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