CN107098620A - 一种混杂纤维人造花岗岩复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种混杂纤维人造花岗岩复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种混杂纤维人造花岗岩复合材料及其制备方法，将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配要求称重，混合均匀，将碳纤维、钢纤维、玻璃纤维按照配比要求分别称重，预处理，并与骨料混合搅匀，按照配比要求称取填料，按照配比要求称取树脂、固化剂、稀释剂，混合搅匀制成粘结剂，将填料加入粘结剂搅匀，最后加入预处理纤维和骨料的混合物，用强制搅拌机搅匀，并浇注到涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上进行振动成型，室温固化，养护，成品。制得的混杂纤维人造花岗岩复合材料与不添加纤维人造花岗岩复合材料相比，材料的抗压强度提高25%~30%，与单一纤维人造花岗岩复合材料相比，抗压强度提高16%~21%。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种混杂纤维人造花岗岩复合材料及其制备方法。
背景技术
随着我国航空航天、天文观测、激光核聚变、军工业、现代医疗、汽车制造等国家高新技术领域的发展与需求，迫使对机床设备提出越来越高的要求。床身作为机床核心基础件之一，除了承担其他单元部件的重量以外，其主要作用就是减振功能。传统床身的制造多采用铸铁材料，之所以较多采用铸铁材料，主要是因为铸铁材料刚度高、易加工、尺寸稳定，加工工艺成熟，但是无法有效减低在机械加工过程产生的振动，影响加工精度和表面粗糙度，而且铸铁材料也存在其他缺点：如制造工艺复杂、制造成本高、耐腐蚀性差、能耗消耗大，污染严重，加工周期长、残余热应力无法完全消除，这些缺点严重背离了绿色发展趋势。添加纤维的人造花岗岩复合材料相比未添加纤维的人造花岗岩复合材料，材料的机械性能可以大幅提高，如添加钢纤维可以提高材料的抗压强度、抗弯强度、弹性模量，添加碳纤维可以提高材料的阻尼特性，添加玻璃纤维可以提高材料的抗压强度、耐热性、耐腐蚀性，添加碳纤维可以提高材料的抗拉强度、阻尼特性、耐热性。但是添加单一纤维，材料的性能力学性能和阻尼特性并不是同时提高，为此结合每种纤维的特点，提出混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种混杂纤维人造花岗岩复合材料及其制备方法，通过添加混杂纤维（钢纤维、碳纤维、玻璃纤维）可以提高材料的力学性能和阻尼特性，能够满足超精密床身的性能要求。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种混杂纤维人造花岗岩复合材料，其特征在于它是由以下原料制成：骨料、填料、碳纤维、钢纤维、玻璃纤维，粘接剂，其中，以骨料的质量为基准，填料占骨料的质量分数为5%，碳纤维、钢纤维、玻璃纤维分别占骨料的质量分数为1%～1.5%；粘结剂占骨料的质量分数为11.2%，所述粘结剂由树脂、固化剂、稀释剂按照质量比3:2:0.6制得。
所述骨料为济南青花岗岩骨料，按照尺寸大小分为5个等级，5个等级的重量配比如下：粒径<0.18mm ：10%~15%，粒径0.18mm~2.36mm：10%~15%，粒径2.36mm~5mm：35%~40%，粒径5mm~10mm：20%~25%，粒径10mm~15mm ：15%。
所述填料为粉煤灰，所述树脂为双酚A型环氧树脂E44，固化剂为650型聚酰胺树脂，稀释剂为丙酮。
碳纤维直径为7μm，长度为1~5mm；钢纤维的直径0.5mm，长径比为50~70，表面镀铜，两头有折弯；玻璃纤维的直径5~13μm，长度为12mm或19mm。
所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配要求称取骨料，并混合搅匀；
（2）按照配比要求称取碳纤维、钢纤维、玻璃纤维，并进行预处理后与骨料混合均匀得到骨料和纤维混合物；
（3）按照配比要求，称取填料；
（4）按照配比要求称取树脂、固化剂、稀释剂，混合搅拌均匀得到粘结剂；
（5）将填料加入粘结剂中，混合搅匀，再加入骨料和纤维混合物，并用强制搅拌机搅拌均匀，注入到涂有脱模剂的模具中，将模具固定在振动台上振动成型；
（6）室温固化、养护，成品。
所述步骤（2）中的预处理方法为：将碳纤维、钢纤维，玻璃纤维分别用偶联剂KH-550在常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时。
所述步骤（5）中强制搅拌机的转速为45r/min，搅拌时间为5min，振动台的振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min。
所述步骤（6）中室温固化24h，室温养护10天。
本发明的有益效果：未添加纤维的人造花岗岩复合材料力学性能较低，添加纤维可以改善人造花岗岩复合材料的力学性能和阻尼特性，如添加钢纤维可以提高材料的抗压强度、抗弯强度、弹性模量，但是材料的阻尼特性低；添加碳纤维可以提高材料的抗拉强度、阻尼特性、耐热性，但是材料抗压强度相比钢纤维低，且原料价格较高；添加玻璃纤维可以提高材料的抗压强度、耐热性、耐腐蚀性，但是材料的阻尼特性低，且原料价格较高；添加单一纤维，材料的性能力学性能和阻尼特性并不是同时提高，为此结合每种纤维的优点，提出混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法。
本发明采用混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法，与未添加纤维的人造花岗岩复合材料和添加单一纤维的人造花岗岩复合材料相比，添加混杂纤维的人造花岗岩材料综合力学性能和阻尼特性均有所提高，可以在不降低阻尼特性的同时，提高材料的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度，弹性模量。经过实验得知，此方法制备的混杂纤维人造花岗岩复合材料与不添加纤维人造花岗岩复合材料相比，材料的抗压强度提高25%~30%，与单一纤维人造花岗岩复合材料相比，抗压强度提高16%~21%。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
使用该方法制备的混杂纤维人造花岗岩复合材料与不添加纤维人造花岗岩复合材料相比，材料的抗压强度提高25%~30%，与单一纤维人造花岗岩复合材料相比，抗压强度提高10%~15%。
实施例1
本实施例的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法如下：
（1）将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀；骨料为“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径0.18mm~2.36mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径2.36mm~5mm，1750g，占骨料总量的35%；
粒径5mm~10mm，1250 g，占骨料总量的25%；
粒径10mm~15mm，750g，占骨料总量的15%；
（2）按照配比要求，称取钢纤维50g、碳纤维50g、玻璃纤维50g，并用偶联剂KH-550在常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时；将预处理后的纤维与骨料混合物，混合均匀；
（3）按照配比要求，称取填料粉煤灰250g；
（4）称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂；
（5）将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料和纤维混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；
（6）室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为148.5MPa。
实施例2
本实施例的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法如下：
（1）将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀；骨料为“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径0.18mm~2.36mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径2.36mm~5mm，1750g，占骨料总量的35%；
粒径5mm~10mm，1250 g，占骨料总量的25%；
粒径10mm~15mm，750g，占骨料总量的15%；
（2）按照配比要求，称取钢纤维75g、碳纤维75g、玻璃纤维75g，并用偶联剂KH-550在常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时，将预处理后的纤维与骨料混合物，混合均匀；
（3）按照配比要求，称取填料粉煤灰250g；
（4）称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂；
（5）将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料和纤维混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；
（6）室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为151.8MPa。
实施例3
本实施例的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法如下：
（1）将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀；骨料为“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径0.18mm~2.36mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径2.36mm~5mm，2000g，占骨料总量的40%；
粒径5mm~10mm，1000 g，占骨料总量的20%；
粒径10mm~15mm，750g，占骨料总量的15%；
（2）按照配比要求，称取钢纤维60g、碳纤维60g、玻璃纤维60g，并用偶联剂KH-550在常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时，将预处理后的纤维与骨料混合物，混合均匀；
（3）按照配比要求，称取填料粉煤灰250g；
（4）称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂；
（5）将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料和纤维混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；
（6）室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为150.9MPa。
对比例1
骨料：“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径0.18mm~2.36mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径2.36mm~5mm，1750g，占骨料总量的35%；
粒径5mm~10mm，1250 g，占骨料总量的25%；
粒径10mm~15mm，750g，占骨料总量的15%；
将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀。
按照配比要求，称取填料粉煤灰250g。
称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂，将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为121.7MPa。
对比例2
骨料：“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径0.18mm~2.5mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径2.5mm~3.6mm，1750g，占骨料总量的35%；
粒径3.6mm~5mm，1250 g，占骨料总量的25%；
粒径5mm~10mm，750g，占骨料总量的15%；
将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀。
按照配比要求，称取钢纤维50g，并用偶联剂KH-550，常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时。
将骨料与钢纤维混合搅匀。
按照配比要求，称取填料粉煤灰250g。
称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂，将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料和钢纤维混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为129.6MPa。
对比例3
骨料：“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径0.18mm~2.36mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径2.36mm~5mm，1750g，占骨料总量的35%；
粒径5mm~10mm，1250 g，占骨料总量的25%；
粒径10mm~15mm，750g，占骨料总量的15%；
将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀。
按照配比要求，称取碳纤维50g，并用偶联剂KH-550，常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时。
将骨料与碳纤维混合搅匀。
按照配比要求，称取填料粉煤灰250g。
称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂，将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料和碳纤维混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为134.6MPa。
对比例4
骨料：“济南青”天然花岗岩5000g，其中：
粒径<0.18mm，500g，占骨料总量的10%；
粒径0.18mm~2.36mm，750g，占骨料总量的15%；
粒径2.36mm~5mm，1750g，占骨料总量的35%；
粒径5mm~10mm，1250 g，占骨料总量的25%；
粒径10mm~15mm，750g，占骨料总量的15%；
将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配称取骨料，搅拌均匀。
按照配比要求，称取玻璃纤维50g，并用偶联剂KH-550，常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时。
将骨料与玻璃纤维混合搅匀。
按照配比要求，称取填料粉煤灰250g。
称取双酚A型环氧树脂300g、650型聚酰胺树脂200g、丙酮60g，混合搅匀制成粘结剂，将填料与粘结剂混合搅匀，再加入骨料和玻璃纤维混合物，注入强制搅拌机，搅拌均匀，搅拌速度为45r/min，搅拌时间5min；将搅匀后的混合物注入已涂有脱模剂的模具中，模具固定在振动台上，振动密实，振动频率为100~125Hz，振幅0.14~0.25mm，振动时间30min；室温固化24h，室温养护10天，成品。
通过上述制备方法和骨料配比获得人造花岗岩复合材料，其抗压强度为124.4MPa。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种混杂纤维人造花岗岩复合材料，其特征在于它是由以下原料制成：骨料、填料、碳纤维、钢纤维、玻璃纤维，粘接剂，其中，以骨料的质量为基准，填料占骨料的质量分数为5%，碳纤维、钢纤维、玻璃纤维分别占骨料的质量分数为1%～1.5%；粘结剂占骨料的质量分数为11.2%，所述粘结剂由树脂、固化剂、稀释剂按照质量比3:2:0.6制得。
2.根据权利要求1所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料，其特征在于：所述
骨料为济南青花岗岩骨料，按照尺寸大小分为5个等级，5个等级的重量配比如下：粒径<0.18mm ：10%~15%，粒径0.18mm~2.36mm：10%~15%，粒径2.36mm~5mm：35%~40%，粒径5mm~10mm：20%~25%，粒径10mm~15mm ：15%。
3.根据权利要求1所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料，其特征在于：所述填料为粉煤灰，所述树脂为双酚A型环氧树脂E44，固化剂为650型聚酰胺树脂，稀释剂为丙酮。
4.根据权利要求1所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料，其特征在于：碳纤维直径为7μm，长度为1~5mm；钢纤维的直径0.5mm，长径比为50~70，表面镀铜，两头有折弯；玻璃纤维的直径5~13μm，长度为12mm或19mm。
5.根据权利要求1~4任一所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）将骨料清洗、破碎、筛分、烘干，按照骨料级配要求称取骨料，并混合搅匀；
（2）按照配比要求称取碳纤维、钢纤维、玻璃纤维，并进行预处理后与骨料混合均匀得到骨料和纤维混合物；
（3）按照配比要求，称取填料；
（4）按照配比要求称取树脂、固化剂、稀释剂，混合搅拌均匀得到粘结剂；
（5）将填料加入粘结剂中，混合搅匀，再加入骨料和纤维混合物，并用强制搅拌机搅拌均匀，注入到涂有脱模剂的模具中，将模具固定在振动台上振动成型；
（6）室温固化、养护，成品。
6.根据权利要求5所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的预处理方法为：将碳纤维、钢纤维，玻璃纤维分别用偶联剂KH-550在常温下浸泡4小时，并在40℃恒温下烘干20小时。
7.根据权利要求5所述混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中强制搅拌机的转速为45r/min，搅拌时间为5min，振动台的振动频率为100Hz ~125Hz，振幅0.14mm ~0.25mm，振动时间30min。
8.根据权利要求5所述的混杂纤维人造花岗岩复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中室温固化24h，室温养护10天。
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