CN107163563B - 一种用于齿轮的复合机械材料及制备方法 - Google Patents

一种用于齿轮的复合机械材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合机械材料技术领域，具体公开了一种用于齿轮的复合机械材料，由以下重量份数的组分制成：聚酰胺基体40‑60份、增强剂20‑30份、聚氨酯2‑5份、固化剂5‑8份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维5‑8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份。本发明还公开了上述材料的制备方法，复合机械材料耐高温性能提高了16.5％以上，耐酸碱性能、拉伸强度、冲击强度和抗静电性也有不同程度的提高。

Description

一种用于齿轮的复合机械材料及制备方法
技术领域
本发明属于复合机械材料技术领域，具体涉及一种用于齿轮的复合机械材料及制备方法。
背景技术
复合机械材料是指两种或两种以上不同材料，用适当的方法复合成的新材料，其性能比单一材料优越，复合材料最大的特点是性能的可设计性。由于影响复合材料性能的因素很多，主要取决于基体材料和增强材料的性能、含量及分布情况，以及基体材料和增强材料之间的界面结合情况。根据实际需求，增强材料通常分为耐高温材料、耐磨型材料、耐腐蚀型材料或者耐自然老化型材料等。
齿轮是各类机械中的中药传动零件，运转时齿面承受接触应力和摩擦力，齿根承受弯曲应力，所以现有大多数齿轮采用的是综合力学性能较好的锻钢毛坯，圆钢毛坯、铸钢毛坯或者墨刚毛坯。然而随着塑料工业的发展，廉价的原料来源等优点，使塑料齿轮已经在多种场合取代了金属齿轮，并逐渐扩大应用范围。中国专利《一种齿轮的制造方法》，授权公告号CN103665851B，述及了一种塑料齿轮的制备方法，其是以聚酰胺为基体组分，添加了纤维增强组分、润滑剂、弹性体、抗氧化剂等组分，提高了复合材料的强度和硬度，改善了齿轮的抗冲击性能和耐磨性能。但是与传统的金属复合材料制作的齿轮相比，塑料齿轮的耐热性能仍较差，有待进一步改进。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供的一种用于齿轮的复合机械材料及制备方法，解决了现有塑料齿轮耐热性能仍较差的问题。
本发明的第一个目的是提供一种用于齿轮的复合机械材料，由以下重量份数的组分制成：
优选的，上述用于齿轮的复合机械材料，由以下重量份数的组分制成：聚酰胺基体40-60份、增强剂20-30份、聚氨酯2-5份、固化剂5-8份；
所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；
所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维5-8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份。
优选的，上述用于齿轮的复合机械材料中，所述介孔二氧化硅的孔径为30-40nm。
优选的，上述用于齿轮的复合机械材料中，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体。
优选的，上述用于齿轮的复合机械材料中，所述固化剂为200低分子聚酰胺或者三甲基六亚甲基二胺。
本发明的第二个目的是提供一种用于齿轮的复合机械材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按以下重量份数称取各组分：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；将称取的各组分混合后得到聚酰胺基体；
步骤2，按以下重量份数称取各组分：石墨粉30份、玻璃纤维5-8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；将称取的石墨粉、二硫化钼、醋酸镧、硝酸铕混合均匀后置于高温炉中煅烧，600℃煅烧1h，然后加入称取的玻璃纤维，混匀，再800℃煅烧1.5h，自然冷却至室温，用球磨机研磨，得到增强剂；
步骤3，按以下重量份数称取各组分：聚酰胺基体40-60份、增强剂20-30份、聚氨酯2-5份、固化剂5-8份；
将称取的聚酰胺基体、增强剂、聚氨酯加热至190℃，混合10min，然后加入平行双螺杆挤出机熔融挤出造粒，平行双螺杆挤出机有第1-9个温度区，其中，第8温度区中加入称取的固化剂，第9温度区上抽真空除水，注塑后即得到用于齿轮的复合机械材料。
优选的，上述用于齿轮的复合机械材料的制备方法中，所述平行双螺杆挤出机的螺杆转速为335r/min，平行双螺杆挤出机的第1-9个温度区依次为180-190℃，190-200℃，200-220℃，200-220℃，200-220℃，200-220℃，210-230℃，230-240℃，230-240℃，其中，第8温度区中加入称取的固化剂，第9温度区上抽真空除水，真空度大于90KPa。
与现有技术相比，本发明的用于齿轮的复合机械材料、制备方法及应用，具有以下有益效果：
本发明提供的一种用于齿轮的复合机械材料包含了聚酰胺基体、增强剂、聚氨酯和固化剂，其中聚酰胺基体选用聚酰胺树脂和改性环氧树脂可以将材料中各组分粘结在一起，起到调和作用；增强剂选用石墨粉、玻璃纤维、二硫化钼、醋酸镧、硝酸铕制备，可以提高复合材料的耐酸碱、拉伸强度、冲击强度、维卡软化温度和抗静电性。
优良材料的选取，是制备优良性能材料的关键，与其相应的专用制备方法是保证获得优良性能材料的关键。本发明复合材料的各组分之间联合作用，制备过程中增强剂与聚酰胺基体分开制备，熔融挤出造粒时，再将聚酰胺基体、增强剂、聚氨酯混合，并且在第8温度区才加入固化剂，取得了良好的效果。与现有专利相比，实施例1-6的复合机械材料耐高温性能提高了16.5％以上，耐酸碱性能、拉伸强度、冲击强度和抗静电性也有不同程度的提高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不应理解为本发明的限制。下面实施例中未注明具体条件的实验方法，均按照本领域的常规方法和条件进行。
本发明提供一种用于齿轮的复合机械材料，包括以下实施例：
实施例1
一种用于齿轮的复合机械材料，由以下重量份数的组分制成：聚酰胺基体40份、增强剂20份、聚氨酯5份、固化剂5份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维5份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；所述介孔二氧化硅的孔径为30-35nm，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体，所述固化剂为200低分子聚酰胺。包括以下制备步骤：
步骤1，按以下重量份数称取各组分：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；将称取的各组分混合后得到聚酰胺基体；
步骤2，按以下重量份数称取各组分：石墨粉30份、玻璃纤维5份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；将称取的石墨粉、二硫化钼、醋酸镧、硝酸铕混合均匀后置于高温炉中煅烧，600℃煅烧1h，然后加入称取的玻璃纤维，混匀，再800℃煅烧1.5h，自然冷却至室温，用球磨机研磨至物料的平均粒径为0.5μm，得到增强剂；
步骤3，按以下重量份数称取各组分：聚酰胺基体40份、增强剂20份、聚氨酯5份、固化剂5份；
将称取的聚酰胺基体、增强剂、聚氨酯加热至190℃，然后转移至三维混合机中混合10min，然后加入平行双螺杆挤出机熔融挤出造粒，注塑后即得到用于齿轮的复合机械材料；
其中，平行双螺杆挤出机的螺杆转速为335r/min，平行双螺杆挤出机的第1-9个温度区依次为180-190℃，190-200℃，200-220℃，200-220℃，200-220℃，200-220℃，210-230℃，230-240℃，230-240℃，其中，第8温度区中加入称取的固化剂，第9温度区上抽真空除水，真空度大于90KPa。
实施例2
一种用于齿轮的复合机械材料，聚酰胺基体60份、增强剂30份、聚氨酯4份、固化剂8份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；所述介孔二氧化硅的孔径为35-40nm，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体，所述固化剂为200低分子聚酰胺，所述聚酰胺树脂为聚酰胺-610。制备方法同实施例1，区别在于将配方改为实施例2的配方。
实施例3
一种用于齿轮的复合机械材料，聚酰胺基体42份、增强剂26份、聚氨酯3份、固化剂5份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维7份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；所述介孔二氧化硅的孔径为30-35nm，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体，所述固化剂为200低分子聚酰胺。制备方法同实施例1，区别在于将配方改为实施例3的配方。
实施例4
一种用于齿轮的复合机械材料，聚酰胺基体50份、增强剂25份、聚氨酯5份、固化剂8份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；所述介孔二氧化硅的孔径为35-40nm，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体材料，所述固化剂为三甲基六亚甲基二胺，所述聚酰胺树脂为聚酰胺-610。制备方法同实施例1，区别在于将配方改为实施例4的配方。
实施例5
一种用于齿轮的复合机械材料，聚酰胺基体55份、增强剂22份、聚氨酯3份、固化剂7份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维7份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；所述介孔二氧化硅的孔径为35-40nm，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体材料，所述固化剂为三甲基六亚甲基二胺。制备方法同实施例1，区别在于将配方改为实施例5的配方。
实施例6
一种用于齿轮的复合机械材料，聚酰胺基体45份、增强剂27份、聚氨酯2份、固化剂6份；所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维6份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；所述介孔二氧化硅的孔径为35-40nm，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体材料，所述固化剂为三甲基六亚甲基二胺，所述聚酰胺树脂为聚酰胺-610。制备方法同实施例1，区别在于将配方改为实施例6的配方。
需要说明的是，上述实施例中所用的材料组分均为市售。
下面列举一些实验数据，以说明实施例1-6的效果。
一、机械性能检测
分别以实施例1-6制备出的复合机械材料为对象，进行耐酸碱腐蚀实验、耐高温实验、检测其拉伸强度、冲击强度、维卡软化温度和抗静电性，同时以中国专利《一种齿轮的制造方法》，授权公告号CN103665851B的专利述及的方法造粒得到的复合机械材料作为对照组，结果如表1所示。由表1的结果可知，实施例1-6的复合机械材料耐高温性能提高了16.5％以上，拉伸强度、冲击强度和抗静电性也有不同程度的提高。
表1不同材料的机械性能
二、耐酸碱腐蚀实验
分别将实施例1-6和对照组制备而成的复合机械材料浸泡于10g/100ml的氢氧化钠溶液、10g/100ml的氢氧化钾溶液、10g/100ml的草酸溶液、10g/100ml的盐酸溶液中，分别放置20h、25h、30h、45h，观察不同材料的腐蚀情况，结果表明，10g/100ml的氢氧化钠溶液、10g/100ml的氢氧化钾溶液、10g/100ml的草酸溶液、10g/100ml的盐酸溶液中浸泡45h后，实施例1-6的复合环氧沥青路面材料均无腐蚀的现象。对照组的材料在10g/100ml的氢氧化钠溶液、10g/100ml的氢氧化钾溶液、10g/100ml的草酸溶液、10g/100ml的盐酸溶液中浸泡45h后，均出现了腐蚀现象，可观察到少许腐蚀区域。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明的描述了优选的实施例和效果，尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种用于齿轮的复合机械材料，其特征在于，由以下重量份数的组分制成：聚酰胺基体40-60份、增强剂20-30份、聚氨酯2-5份、固化剂5-8份；
所述聚酰胺基体由以下重量份数的组分制成：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；
所述增强剂由以下重量份数的组分制成：石墨粉30份、玻璃纤维5-8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；
所述固化剂为200低分子聚酰胺或者三甲基六亚甲基二胺。
2.根据权利要求1所述的用于齿轮的复合机械材料，其特征在于，所述介孔二氧化硅的孔径为30-40nm。
3.根据权利要求1所述的用于齿轮的复合机械材料，其特征在于，所述聚氨酯为聚氨酯弹性体。
4.根据权利要求1所述的用于齿轮的复合机械材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按以下重量份数称取各组分：聚酰胺树脂14份、改性环氧树脂1份、介孔二氧化硅0.5份；将称取的各组分混合后得到聚酰胺基体；
步骤2，按以下重量份数称取各组分：石墨粉30份、玻璃纤维5-8份、二硫化钼2份、醋酸镧1份、硝酸铕1份；将称取的石墨粉、二硫化钼、醋酸镧、硝酸铕混合均匀后置于高温炉中煅烧，600℃煅烧1h，然后加入称取的玻璃纤维，混匀，再800℃煅烧1.5h，自然冷却至室温，用球磨机研磨，得到增强剂；
步骤3，按以下重量份数称取各组分：聚酰胺基体40-60份、增强剂20-30份、聚氨酯2-5份、固化剂5-8份；
将称取的聚酰胺基体、增强剂、聚氨酯加热至190℃，混合10min，然后加入平行双螺杆挤出机熔融挤出造粒，平行双螺杆挤出机有第1-9个温度区，其中，第8温度区中加入称取的固化剂，第9温度区上抽真空除水，注塑后即得到用于齿轮的复合机械材料。
5.根据权利要求4所述的用于齿轮的复合机械材料的制备方法，其特征在于，所述平行双螺杆挤出机的螺杆转速为335r/min，平行双螺杆挤出机的第1-9个温度区依次为180-190℃，190-200℃，200-220℃，200-220℃，200-220℃，200-220℃，210-230℃，230-240℃，230-240℃，其中，第8温度区中加入称取的固化剂，第9温度区上抽真空除水，真空度大于90KPa。
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