CN106751586B - 一种可溶金属高分子复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可溶金属高分子复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种可溶金属高分子复合材料，主要由以下重量份组成：高分子树脂粉末100份；可溶金属表面处理的碳纤维50‑100份；树枝状多元醇1‑3份；磷酸二氢钠0.1‑1.5份；复合增韧剂9‑14份；硫化锌0.2‑0.5份；二甲基硅油0.5‑2份；润滑剂0.2‑0.8份。本发明的可溶金属高分子复合材料，具有较高的机械强度和导电、导热性能，且在使用完毕后可以溶解在水中，免去了后处理的麻烦，节省了大量人力和财力。本发明制备的可溶金属高分子复合材料具有如下特点：1.具有金属的强度和导电性，有较高的比强度；2.可具有溶解性，在水中该材料可以快速溶解；3.可以在较低的加工温度下注塑成型和模压成型；可以用于石油化工、新能源、军工等特殊要求的领域。

Description

一种可溶金属高分子复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于工程塑料领域，具体涉及一种可溶金属高分子复合材料及其制备方法。
背景技术
在军工、石油、航天航空等领域有些设备或部件并不是长期使用，而是实现完功能后在特定条件下自动消除。采用通常的金属材料，虽然可以满足机械强度和导电、导热等需要，但初始加工和后处理比较麻烦，需要的耗费大量的人力和物力；如采用通常的高分子材料，虽然可以方便加工，而且后处理也相对容易些，但材料的机械强度、导电、导热性能达不到金属材料。
发明内容
本发明开发一种可以通过注塑或模压成型的金属高分子复合材料，其具有金属材料的导电和导热性，同时具有可溶的特性，在最初阶段溶解速度较慢，后期溶解速度加速，可以制备军工、石油、航天等特殊应用领域的产品。
本发明通过以下技术方案实现：
一种可溶金属高分子复合材料，由以下重量份的组分制备而成：
高分子树脂粉末100份；可溶金属表面处理的碳纤维50-100份；树枝状多元醇1-3份；磷酸二氢钠0.1-1.5份；复合增韧剂9-14份；硫化锌0.2-0.5份；二甲基硅油0.5-2份；润滑剂0.2-0.8份。
所述高分子树脂粉末是指PLA、PVA、PC、PA、PET、PBT、PMMA、PPO、PPA中的一种或几种，目数为80～150目；
所述树枝状多元醇分子量≧600，—OH质量比≧40％；
所述磷酸二氢钠为无水结晶磷酸二氢钠；
所述复合增韧剂是由SEPS和SEBS按5:5～6:4的重量比组成，数均分子量范围为12万～18万，苯乙烯基重量含量为32-36％；
所述二甲基硅油的粘度为200-500cps；
所述润滑剂为PE蜡。
所述可溶金属表面处理的碳纤维是由可溶金属合金与碳纤维粉末通过真空球磨制备而成，可溶金属表面处理的碳纤维粉末D90粒径为120～150目。
所述可溶金属合金是由锡、镁、铝、铜、硅、锌混合熔炼，合金化制得。
所述可溶金属表面处理的碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)可溶金属的制备
a、将锡、镁、铝、铜、硅、锌的金属粉末加入低速混料机中混合均匀；
b、混合后的金属粉末放入真空电磁感应熔炼炉中坩埚内，升温至1000℃，待金属混合熔炼、合金化后，在真空条件下冷却，即制备出可溶金属合金；
c、将完全冷却后可溶金属合金放入破碎机粉碎成D90粒径为1～3mm的金属粉末；
2)可溶金属表面处理的碳纤维制备
a、将制备好的可溶金属粉末放入真空球磨机中，控制温度400℃，转速200转/分钟，磨至粉末颗粒粒径为50～100μm；
b、加入碳纤维，抽真空后继续球磨8小时，待碳纤维和可溶金属合金粉末完全混合均匀，此时可溶金属合金完全附着在碳纤维表面，形成表面金属改性的碳纤维。
所述锡、镁、铝、铜、硅、锌的重量百分比为：锡2～8％，镁2～10％，铝80～90％，铜1～5％，硅2～5％，锌2～10％。
所述的可溶金属合金和碳纤维的体积比为1:3～1:1。
所述的可溶金属高分子复合材料的制备方法，步骤如下：
1)将高分子树脂粉末、可溶金属表面处理的碳纤维、树枝状多元醇、磷酸二氢钠、复合增韧剂、硫化锌和润滑剂加入到高混机中混合均匀，升温至80℃，加入二甲基硅油，混合3分钟后降至室温；
2)将混合均匀的混物料在平行双螺杆挤出机中造粒，螺杆组合强剪切，造粒温度200-300℃，螺杆转速400rpm～600rpm，风冷热切粒，即得复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明针对相似的应用情况开发了可以用于注塑和模压成型的可溶金属高分子复合材料，具有较高的机械强度和导电、导热性能，且在使用完毕后可以溶解在水中，免去了后处理的麻烦，节省了大量人力和财力。
本发明制备的可溶金属高分子复合材料具有如下特点：1.具有金属的强度和导电性，有较高的比强度；2.可具有溶解性，在水中该材料可以快速溶解；3.可以在较低的加工温度下注塑成型和模压成型；可以用于石油化工、新能源、军工等特殊要求的领域。
具体实施方式
以下部分是具体实施方式对本发明做进一步说明，但以下实施方式仅仅是对本发明的进一步解释，不代表本发明保护范围仅限于此，凡是以本发明的思路所做的等效替换，均在本发明的保护范围
实施例1
将20g锡、30g镁、900g铝、10g铜、20g硅、20g锌在低速混料机中混合均匀，再放入真空电磁感应熔炼炉中坩埚内，打开电源升温至1000℃，待金属混合熔炼，合金化后，在真空条件下冷却，即制备出可溶金属合金。等可溶金属合金完全冷却后放入破碎机粉碎成1～3mm粒径的金属粉末，待用。
将上述所得金属合金粉末500g加入到真空球磨机中，温度控制400℃，转速200转/分钟，磨至粉末颗粒粒径为0.05～0.1mm左右，加入1000g碳纤维，抽真空后继续球磨8小时，待碳纤维和可溶金属合金粉末完全混合均匀，此时可溶金属合金完全附着在碳纤维表面，形成表面金属改性的碳纤维，待用。
将2000g PPA和500g PLA加入高混机中，加入1500g所制得的可溶金属表面处理的碳纤维，并且加入50g树枝状多元醇，25g磷酸二氢钠，225g复合增韧剂(由SEPS和SEBS按重量比为5:5～6:4组成，数均分子量范围为12万～18万，苯乙烯基重量含量为32-36％)，7.5g硫化锌，及15gPE蜡，高速混合，并升温至80℃，加入37g二甲基硅油，混合3分钟后降至室温。
将混合均匀的干混物料加入到平行双螺杆料筒中，调整螺杆组合强剪切，造粒温度280℃，螺杆转速400rpm～600rpm，风冷热切粒，即得到所需复合材料。
实施例2
将30g锡、50g镁、850g铝、10g铜、40g硅、20g锌在低速混料机中混合均匀，再放入真空电磁感应熔炼炉中坩埚内，打开电源升温至1000℃，待金属混合熔炼，合金化后，在真空条件下冷却，即制备出可溶金属合金。等可溶金属合金完全冷却后放入破碎机粉碎成1～3mm粒径的金属粉末，待用。
将上述所得金属合金粉末1000g加入到真空球磨机中，温度控制400℃，转速200转/分钟，磨至粉末颗粒粒径为0.05～0.1mm左右，加入1000g碳纤维，抽真空后继续球磨8小时，待碳纤维和可溶金属合金粉末完全混合均匀，此时可溶金属合金完全附着在碳纤维表面，形成表面金属改性的碳纤维，待用。
将2000g PP0、800g PA和200g PVA加入高混机中，加入2000g所制得的可溶金属表面处理的碳纤维，并且加入90g树枝状多元醇，45g磷酸二氢钠，300g复合增韧剂，12g硫化锌，及18gPE蜡，高速混合，并升温至80℃，加入45g二甲基硅油，混合3分钟后降至室温。
将混合均匀的干混物料加入到平行双螺杆料筒中，调整螺杆组合强剪切，造粒温度260℃，螺杆转速400rpm～600rpm，风冷热切粒，即得到所需复合材料。
实施例3
将50g锡、100g镁、800g铝、10g铜、30g硅、10g锌在低速混料机中混合均匀，再放入真空电磁感应熔炼炉中坩埚内，打开电源升温至1000℃，待金属混合熔炼，合金化后，在真空条件下冷却，即制备出可溶金属合金。等可溶金属合金完全冷却后放入破碎机粉碎成1～3mm粒径的金属粉末，待用。
将上述所得金属合金粉末500g加入到真空球磨机中，转速200转/分钟，磨至粉末颗粒粒径为0.05～0.1mm左右，加入1500g碳纤维，抽真空后继续球磨8小时，待金属合金和碳纤维完全复合，待用。
将1500g PET和500g PMMA加入高混机中，加入2000g所制得的可溶金属表面处理的碳纤维，并且加入60g树枝状多元醇，20g磷酸二氢钠，280g复合增韧剂，4g硫化锌，及16gPE蜡，高速混合，并升温至80℃，加入40g二甲基硅油，混合3分钟后降至室温。
将混合均匀的干混物料加入到平行双螺杆料筒中，调整螺杆组合强剪切，造粒温度240℃，螺杆转速400rpm～600rpm，风冷热切粒，即得到所需复合材料。
为了检验本发明一种可溶金属高分子复合材料的实际性能，还需要对上述三个实施例中制备的一种可溶金属高分子复合材料进行性能测试，三个实施例的测试方法分别如下：
实施例1：将可溶金属高分子复合材料加入到注塑机，调整注塑温度为第一段290℃、第二段285℃、第三段280℃，然后进行注塑试片测试。
实施例2：将可溶金属高分子复合材料加入到注塑机，调整注塑温度为第一段285℃、第二段280℃、第三段275℃，然后进行注塑试片测试。
实施例三：将可溶金属高分子复合材料加入到注塑机，调整注塑温度为第一段240℃、第二段235℃、第三段230℃，然后进行注塑试片测试。
表1可溶金属高分子复合材料性能表
上述测试结果表明：本发明的可溶金属高分子复合材料具有较好的金属强度(拉伸强度在210-260MPa)和良好的导电(体积电阻率3.4-24×102Ω·cm)导热(导热系数24-25W/(m.K))性能，并且在水中可以溶解，放置于水中30min之内不溶解，60min开始溶解，但溶解速度缓慢，4小时之后溶解速度加快，直至24h，接近完全溶解。
上述参照实施例的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可溶金属高分子复合材料，其特征在于：由以下重量份的组分制备而成：
高分子树脂粉末100份；可溶金属表面处理的碳纤维50-100份；树枝状多元醇1-3份；磷酸二氢钠0.1-1.5份；复合增韧剂9-14份；硫化锌0.2-0.5份；二甲基硅油0.5-2份；润滑剂0.2-0.8份；
所述可溶金属表面处理的碳纤维是由可溶金属合金与碳纤维粉末通过真空球磨制备而成；
所述可溶金属合金是由锡、镁、铝、铜、硅、锌混合熔炼，合金化制得；
所述锡、镁、铝、铜、硅、锌的重量百分比为：锡2～8％，镁2～10％，铝80～90％，铜1～5％，硅2～5％，锌2～10％；
所述的可溶金属合金和碳纤维的体积比为1:3～1:1。
2.根据权利要求1所述的可溶金属高分子复合材料，其特征在于：所述可溶金属表面处理的碳纤维粉末D90粒径为120～150目。
3.根据权利要求1所述的可溶金属高分子复合材料，其特征在于：所述可溶金属表面处理的碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)可溶金属的制备
a、将锡、镁、铝、铜、硅、锌的金属粉末加入低速混料机中混合均匀；
b、混合后的金属粉末放入真空电磁感应熔炼炉中坩埚内，升温至1000℃，待金属混合熔炼、合金化后，在真空条件下冷却，即制备出可溶金属合金；
c、将完全冷却后的可溶金属合金放入破碎机粉碎成D90粒径为1～3mm的金属粉末；
2)可溶金属表面处理的碳纤维制备
a、将制备好的可溶金属粉末放入真空球磨机中，控制温度400℃，转速200转/分钟，磨至粉末颗粒粒径为50～100μm；
b、加入碳纤维，抽真空后继续球磨8小时，待碳纤维和可溶金属合金粉末完全混合均匀，此时可溶金属合金完全附着在碳纤维表面，形成表面金属改性的碳纤维。
4.根据权利要求1所述的可溶金属高分子复合材料，其特征在于：
所述高分子树脂粉末为PLA、PVA、PC、PA、PET、PBT、PMMA、PPO和PPA中的一种或几种，目数为80～150目。
5.根据权利要求4所述的可溶金属高分子复合材料，其特征在于：
所述树枝状多元醇分子量≧600，—OH质量比≧40％；
所述磷酸二氢钠为无水结晶磷酸二氢钠；
所述复合增韧剂是由SEPS和SEBS按5:5～6:4的重量比组成，数均分子量范围为12万～18万，苯乙烯基重量含量为32-36％；
所述二甲基硅油的粘度为200-500cps；
所述润滑剂为PE蜡。
6.一种权利要求1-5任一项所述的可溶金属高分子复合材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
1)将高分子树脂粉末、可溶金属表面处理的碳纤维、树枝状多元醇、磷酸二氢钠、复合增韧剂、硫化锌和润滑剂加入到高混机中混合均匀，升温至80℃，加入二甲基硅油，混合3分钟后降至室温；
2)将混合均匀的混物料在平行双螺杆挤出机中造粒，螺杆组合强剪切，造粒温度200-300℃，螺杆转速400rpm～600rpm，风冷热切粒，即得到复合材料。
7.一种权利要求6所述的方法制备的可溶金属高分子复合材料的用途，用于制备军工、石油、航天航空领域设备或部件。
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