CN106751765B - 一种耐磨高抗冲尼龙复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种耐磨高抗冲尼龙复合材料，以重量份计，包括以下组份：尼龙树脂20‑80份；纤维材料10‑50份；耐磨剂10‑40份；表面处理剂全氟聚醚0.1‑2份；润滑剂0.1‑1.0份和抗氧剂0.1‑0.6份。本发明的制备方法：将不同型号的耐磨剂中速混合均匀；升温至90‑100℃，再加入全氟聚醚高速混合均匀；添加尼龙树脂、润滑剂、抗氧剂，继续混合均匀；将所得混合物与纤维材料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、牵引、冷却、切粒，即制备出耐磨高抗冲尼龙复合材料。本发明的耐磨高抗冲尼龙复合材料，摩擦系数低、耐磨性能好、力学强度高、耐热性好、韧性及抗冲击性能优异、成型收缩率低、尺寸稳定性好、材料流动性好、易于加工成型。
Description
技术领域
本发明属于尼龙材料领域，尤其涉及一种耐磨高抗冲尼龙复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
增强尼龙复合材料具有物理机械性能高、热稳定性好、电气性能佳、耐腐蚀等特点，被广泛应用于汽车、电子电气、国防军工和机械设备等行业。且随着“以塑代钢”、“汽车轻量化”、“节能减排”等政策的逐步实施，尼龙复合材料的应用领域也在不断拓展。
相比其它类工程塑料，尼龙材料通常被用于齿轮、轴承等制造领域，但是尼龙在干态条件下摩擦系数高、耐磨性能差，限制了其在工程机械领域的广泛应用。目前浇注尼龙(MC尼龙)能较好改善材料的耐磨性能，但浇注尼龙存在强度低、报废率高、生产效率低等问题。尼龙6、尼龙66等树脂通过复合材料改性手段可以在一定程度上改善其耐磨性能，如添加石墨、二硫化钼、碳化硅等耐磨剂，但是这些改性手段通常存在以下问题：
(1)耐磨剂以无机材料为主，难以解决其与尼龙的相容性问题：添加量少，耐磨性能改善不明显；添加量大，会严重损失复合材料的力学强度；
(2)耐磨剂的加入对基材的韧性影响较大，导致复合材料的抗冲性能及制品抗摔性能均无法满足要求；
(3)诸如石墨、二硫化钼及碳化硅等耐磨剂均为黑色或深色的填料，所制备复合材料以黑色为主，而当今各主机厂所用EPS涡轮均要求为本色，无法满足使用要求。
公开号CN105647173A的中国专利申请，公开了一种耐磨尼龙复合材料及其制备方法，该复合材料是以耐高温尼龙为基材、二硫化钼作为耐磨改性剂，该复合材料的优势体现在热变形温度高，但是韧性较差，且该复合材料未经增强改性，导致其强度、韧性均无法满足EPS涡轮应用要求；同时，采用二硫化钼为黑色填料，无法制备出本色耐磨尼龙复合材料，同样满足不了EPS涡轮应用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种耐磨高抗冲尼龙复合材料及其制备方法和应用，该尼龙复合材料具有力学强度好、摩擦系数低、耐磨性能优及抗冲击性能好等特点。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种耐磨高抗冲尼龙复合材料，以重量份计，包括以下组份：
尼龙树脂：20-80份；
纤维材料：10-50份；
耐磨剂：8-40份；
表面处理剂：0.1-2份
润滑剂：0.1-1.0份；和
抗氧剂：0.1-0.6份；
其中，所述表面处理剂为全氟聚醚。本发明创造性地选择全氟聚醚作为表面处理剂，可以有效提高耐磨剂、纤维与尼龙树脂基体之间的相容性，在不增加复合材料硬度的前提下降低了复合材料的磨耗，改善了复合材料的抗冲击性能。
上述的复合材料，优选的，所述尼龙树脂为尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙1212、芳香族尼龙中的一种或几种与共聚型尼龙的组合物；其中，所述共聚型尼龙为尼龙6和尼龙66的共聚树脂；其为已内酰胺与PA66盐在催化剂、水及引发单体通过水解聚合制备得到。选择尼龙树脂中含有共聚型尼龙，可以保证复合材料具有高抗冲性能。共聚尼龙可提供复合材料更好的冲击性能，但流动性稍差，将其它尼龙树脂与共聚尼龙树脂复合，可提高复合材料的加工性能。
上述的复合材料，优选的，所述共聚型尼龙是由单体投料质量比为10:90～90:10的尼龙6与尼龙66的共聚而成。进一步优选的，所述尼龙6与尼龙66的单体投料质量比为40:60。
上述的复合材料，优选的，所述耐磨剂为片状耐磨剂与球形耐磨剂(包括类球形耐磨剂)的混合物；其中，所述片状耐磨剂占耐磨剂的质量含量不超过20％。本发明选用外观以球形或类球形球磨剂为主，并与层状耐磨剂复配使用，可以改善复合材料的加工性能，使得复合材料耐磨、摩擦系数低，且不会磨损与它接触的零部件。
上述的复合材料，优选的，所述片状耐磨剂选自勃姆石、滑石粉中的一种或两种；所述球形耐磨剂为聚四氟乙烯、纳米二氧化硅中的一种或两种。
上述的复合材料，优选的，所述全氟聚醚的重均分子量在1000-5000。全氟聚醚的分子量太低，加工过程中易挥发，达不到效果；而分子量太高，粘度大，不利于加工过程中下料。
上述的复合材料，优选的，所述润滑剂选自硬脂酸钙、乙撑双硬脂酰胺和芥酸酰胺中的一种或几种；
所述抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂(如245、1098)和亚磷酸酯类抗氧剂(如TNP、168)中的一种或几种；
所述纤维材料选自连续性玻璃纤维、短切型玻璃纤维、连续性碳纤维及短切型碳纤维中的一种或几种。
作为一个总的发明构思，本发明提供一种上述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将不同型号的耐磨剂中速混合均匀；
(2)升温至90-100℃，再加入全氟聚醚高速混合均匀；
(3)将尼龙树脂、润滑剂、抗氧剂添加至步骤(2)得到的混合物中，继续混合均匀；
(4)将步骤(3)后得到的混合物与纤维材料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、牵引、冷却、切粒，即制备出所述耐磨高抗冲尼龙复合材料。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，混合速度为200-300转/分钟、混合时间为2-3分钟；
所述步骤(2)中，混合速度为300-400转/分钟、混合时间为2-3分钟；
所述步骤(3)中，混合的时间为2-3分钟。
作为一个总的发明构思，本发明还提供上述的耐磨高抗冲尼龙复合材料或由上述的制备方法获得的所述耐磨高抗冲尼龙复合材料在汽车EPS电动助力转向用涡轮、汽车轴套、耐热及强度和韧性要求高的车用塑料零部件中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的耐磨高抗冲尼龙复合材料，摩擦系数低、耐磨性能好、力学强度高、耐热性好、韧性及抗冲击性能优异、成型收缩率低、尺寸稳定性好、材料流动性好、易于加工成型。
(2)本发明的耐磨高抗冲尼龙复合材料中引入了含共聚型尼龙树脂作为基体，通过共聚型尼龙中尼龙66打乱尼龙6分子的规整排列、降低体系结晶度，使尼龙6中无定形区增加、减弱氢键作用，结合纤维材料的增强技术，确保复合材料的高强度、高韧性，使复合材料表现出高强度、高抗冲等优异的性能。
(3)本发明的耐磨高抗冲尼龙复合材料中引入全氟聚醚，并结合耐磨剂表面处理技术，解决耐磨剂与基材之间的相容性问题，可以有效提高耐磨剂、纤维与尼龙树脂基体之间的相容性，在不增加复合材料硬度的前提下降低了复合材料的磨耗，改善了复合材料的抗冲击性能。
(4)本发明选择球形耐磨剂和片状耐磨剂的复合使用，发挥耐磨剂间的协效作用，可有效降低复合材料的摩擦系数、提高耐磨性能；且所选取的耐磨剂均为本色，解决了长期以来耐磨复合材料及制品的颜色问题。
(5)本发明的耐磨高抗冲尼龙复合材料，其制备方法简单，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的耐磨高抗冲尼龙复合材料的电镜扫面照片一。
图2为本发明实施例1制备的耐磨高抗冲尼龙复合材料的电镜扫面照片二。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
各实施例和对比例的耐磨高抗冲尼龙复合材料的组份见表1所示：
表1 实施实例和对比实例物料配方表
注：表1中的共聚尼龙中尼龙6与尼龙66的质量比为8：2；全氟聚醚重均分子量为4500。
按照表1中的配方制成耐磨高抗冲尼龙复合材料，其制备方法具体步骤如下：
(1)将聚四氟乙烯、纳米二氧化硅、滑石粉和勃姆石混合均匀，混合速度为250转/分钟、混合时间为3分钟；
(2)将步骤(1)混合的耐磨剂升温至100℃，再加入全氟聚醚高速混合均匀，混合速度为250转/分钟、混合时间为3分钟；
(3)将共聚尼龙、尼龙66、润滑剂芥酸酰胺、抗氧剂1098、抗氧剂168添加至步骤(2)得到的混合物中，继续混合3分钟，混合均匀；
(4)将步骤(3)后得到的混合物与纤维材料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、牵引、冷却、切粒，即制备出耐磨高抗冲尼龙复合材料。
对比例也采用相同的方法制备，将所制备的耐磨高抗冲尼龙复合材料经烘干、注塑制成标准样条进行检测。
对于实施例1和对比例1-7进行拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、热变形温度、体积磨损率、摩擦系数、磨耗量、磨痕宽度等一系列性能测试，测试结果如表2所示。
表2 实施实例和对比实例的材料性能测试结果
注：表2中的：1、摩擦系数测试标准为GB-3960-83、样条尺寸为：30mm*6mm*7mm、试验中上转轴保持静止，下转轴以200转/分转动，摩擦副做滑动摩擦，对磨2小时，负荷20公斤，试验环境温度：23±5℃。
2、热变形温度测试标准为：GB/T 1634-2004(0.45MPa，B法)。
3、体积摩损率测试：将复合材料注塑成标准摩擦测试试块，试块经100℃干燥2小时后，置于干燥皿中冷却4h后备用。摩擦时间2h，滑动速度为0.43m/s，载荷300N。用感量为0.01mg的精密电子天平测定磨损质量损失，并根据聚合物基体和填料的相对密度及实验参数将磨损质量换为体积磨损率。对每一组试件均在相同的实验条件下进行4次重复实验，选较为接近的3个数据平均值作为实验结果。
由本发明对比4-7的实验数据可见：耐磨剂能有效地改善复合材料的耐磨性能，当耐磨剂的添加量为10％时，复合材料的摩擦系数、磨耗量、体积磨损率及磨痕宽度分别下降了35.9％、37％、31.1％、29.6％，但复合材料的冲击强度下降27.9％、韧性损失严重，其难以满足在汽车EPS电动助力转向用涡轮及汽车轴套等对材料冲击要求较高的领域应用。
与对比例4-7相比，本发明实施例1及对比例1-3中均通过引入共聚尼龙，大大提升了复合材料的韧性，其冲击强度及断裂伸长率分别提升了38.3％、132.1％。
本发明通过耐磨体系的优化及耐磨剂的表面处理技术，发挥了耐磨剂间的协效作用、促进了耐磨剂与尼龙基体相容，复合材料的耐磨性能得到进一步提升，同时韧性得以保持，制备出综合性能优异的耐磨高抗冲尼龙复合材料。本发明采用共聚尼龙作为基体树脂，结合耐磨剂的复配及表面处理工艺，能够有效的解决耐磨剂与基体相容性差、复合材料韧性差等问题，并且这种技术对耐磨型复合材料体系具有普遍的适用性。
图1和图2为本发明实施例1制备的耐磨高抗冲尼龙复合材料不同拍摄角度的电镜扫面照片，其中，灰色圆柱状为玻璃纤维、纳米级白色颗粒状为耐磨剂。由图1-2可以看出，通过本发明实施例1的配方体系，结合熔融共混挤出工艺，玻璃纤维及耐磨剂均表现出与尼龙基体较好的相容性、很少被拔出，且耐磨剂与玻璃纤维能相互作用、并均匀分布于树脂基体中，确保了复合材料优异的耐磨性能、抗冲击性能及力学综合性能，同时直观地证明了复合材料制备技术的可行性。
因此，由本发明所提出的配方体系，结合耐磨剂复配及表面处理技术，能制备出综合性能优异的耐磨高抗冲尼龙复合材料，此类材料可广泛应用于汽车EPS电动助力转向用涡轮及汽车轴套等耐磨、耐热及强度和韧性要求较高的车用塑料零部件领域。
Claims (8)
1.一种耐磨高抗冲尼龙复合材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组份：
尼龙树脂：20-80份；
纤维材料：10-50份；
耐磨剂：8-40份；
表面处理剂：0.1-2份；
润滑剂：0.1-1.0份；和
抗氧剂：0.1-0.6份；
其中，所述表面处理剂为全氟聚醚；
所述尼龙树脂为尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙1212、芳香族尼龙中的一种或几种与共聚型尼龙的组合物；其中，所述共聚型尼龙为尼龙6和尼龙66的共聚树脂；所述耐磨剂为片状耐磨剂与球形耐磨剂的混合物；其中，所述片状耐磨剂占耐磨剂的质量含量不超过20％。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述共聚型尼龙是由单体投料质量比为10:90～90:10的尼龙6与尼龙66共聚而成。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述片状耐磨剂选自勃姆石、滑石粉中的一种或两种；所述球形耐磨剂为聚四氟乙烯、纳米二氧化硅中的一种或两种。
4.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述全氟聚醚的重均分子量在1000-5000。
5.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述润滑剂选自硬脂酸钙、乙撑双硬脂酰胺和芥酸酰胺中的一种或几种；
所述抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或几种；
所述纤维材料选自连续性玻璃纤维、短切型玻璃纤维、连续性碳纤维及短切型碳纤维中的一种或几种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将不同型号的耐磨剂中速混合均匀；
(2)升温至90-100℃，再加入全氟聚醚高速混合均匀；
(3)将尼龙树脂、润滑剂、抗氧剂添加至步骤(2)得到的混合物中，继续混合均匀；
(4)将步骤(3)后得到的混合物与纤维材料通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、牵引、冷却、切粒，即制备出所述耐磨高抗冲尼龙复合材料。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，混合速度为200-300转/分钟、混合时间为2-3分钟；
所述步骤(2)中，混合速度为300-400转/分钟、混合时间为2-3分钟；
所述步骤(3)中，混合的时间为2-3分钟。
8.一种如权利要求1-5中任一项所述的耐磨高抗冲尼龙复合材料或由权利要求6-7中任一项所述的制备方法获得的所述耐磨高抗冲尼龙复合材料在 耐热及强度和韧性要求高的车用塑料零部件中的应用。
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