CN108359237A - 一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料及其制备方法 - Google Patents

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陈永东
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Abstract

本发明公开了一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料及其制备方法，其包括以下按重量百分比计的原料：回收废旧地毯原料54～60％；增韧剂0～10％；玻璃纤维30～35％；润滑剂0.1～1％；辅助增韧剂0.5～1％；抗氧剂0.1～1％。与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明使用了乙烯马来酸酐共聚物作为辅助增韧剂，利用乙烯和马来酸酐共聚物中的活性官能团与增韧剂的马来酸酐、玻纤表面硅烷偶联剂和尼龙的末端官能团之间的反应，使三者形成一种微交联的结构，赋予材料与新料相当的力学性能、老化性能、耐冷冻液等性能，使其满足汽车发动机周边对于尼龙材料苛刻的要求。

Description

一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及到将回收地毯原料进行重新利用，并且通过配方涉及赋予材料优异的力学性能、老化性能、耐冷冻液性能、耐化学性等性能，以满足其在汽车发动机周边零部件中的应用要求。
背景技术
随着社会的发展，对于资源和环境的保护越来越受到世界各国的重视，材料的重复的应用是解决“资源危机”和“环境污染”一种很好的途径。高分子材料质轻价廉、性能优异的特性在各个行业和衣食住行各个方面得到了普遍的应用，但是高分子材料在大量应用的同时也带来了很严重的环境问题，根据相关的数据统计，废弃高分子在材料约占每年塑料产量的70％左右，如果不及时处理，大量的废弃高分子在材料会产生非常严重环境污染，比如今年来日益凸显的“白色污染”就是因为废弃塑料的不能及时处理产生的，在浪费资源的同时也污染环境，对人类的生存环境造成了危害。
目前对高分子废弃物的主要的处理方式是焚烧处理和深度的填埋处理，上述方式都会产生环境污染的问题，对高分子材料的回收重复利用和开发环境友好的高分子材料是解决上述问题的最好方式，并且在“能源危机”日益凸显形势下，高分子材料大的重复利用不仅有利于环境保护，同时对解决能源问题也至关重要。
尼龙作为目前用量的最大的工程塑料，在汽车、电子电器、纺丝等领域有着广泛的应用，回收尼龙材料由于在第一次加工和使用的过程中会产生老化的问题，造成材料性能下降，如果想要将回收材料得到重复利用，特别是对于材料要求苛刻的汽车发动机周边的应用，对其性能的改善是一个前提，地毯回收尼龙原料，由于其在使用过程中老化过程分子量的下降，回收的地毯尼龙原料的杂质的存在会使其性能下降，特别是材料的韧性很差，如何对回收尼龙材料进行改性，使其达到汽车零部件对尼龙材料的要求成为其重复利用的关键。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种一种由回收废旧地毯尼龙材料所制备的应用在汽车发动机周边高刚性、高韧性复合材料及其制备方法，实现了其在汽车中的广泛应用，尼龙材料韧性较差，在改性过程中增韧剂的加入并不能有效的提高尼龙材料的韧性，并且会使材料的强度降低，本发明发现了乙烯马来酸酐共聚物运用到回收尼龙材料中可以起到辅助增韧剂的作用，利用乙烯和马来酸酐共聚物中的活性官能团与增韧剂的马来酸酐、玻纤表面硅烷偶联剂和尼龙的末端官能团之间的反应，使三者形成一种微交联的结构，赋予材料与新料相当的力学性能、老化性能、耐冷冻液等性能。
本发明为解决所提出的技术问题，采用的技术方案为：
一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其包括以下按重量百分比计的原料：
所述回收废旧地毯原料经过以下流程处理制得：
首先将收集到的地毯进行鉴定分类，然后通过干式剪切机粉碎，将地毯中的乳胶和碳酸钙等杂质分离出去，最后通过专利的湿式分离技术对尼龙纤维进行性清洁加工(专利号：US 7,784,719Bl)，然后经过两次高温挤出将除去尼龙纤维中的有机挥发物，然后挤出造粒得到回收废旧地毯原料，整个原材料挤出和混合过程中使用多个金属探测器和磁铁除去其中可能存在的金属杂质。
其中，回收废旧地毯原料包括PA66-PCR和PA6-PCR，其中PA66-PCR物性指标：密度为1.16g/cm^3，燃烧残余≤4％，拉伸强度为65MPa，(测试方法ISO527-2)，缺口冲击强度为3.4KJ/m^2(测试方法ISO 180)，弯曲强度91MPa，弯曲模量2500MPa(测试方法ISO 178，速度2mm/min)；PA6-PCR物性指标：密度为1.17g/cm^3，燃烧残余≤4％，拉伸强度为60MPa，(测试方法ISO527-2)，缺口冲击强度为3.7KJ/m^2(测试方法ISO 180)，弯曲强度88MPa，弯曲模量2500MPa(测试方法ISO 178，速度2mm/min)：。
所述的玻璃纤维是一种直径10μm，短切长度3mm的表面涂覆硅烷基浸润剂应用在尼龙材料的玻璃纤维。
所述的增韧剂为马来酸酐接枝聚烯烃弹性体。
所述的润滑剂是聚酰胺蜡和硅酮粉的1：1的混合物。
所述的抗氧剂是碘化钾、碘化亚铜、溴化钾、氧化亚铜及其混合物。
所述的辅助增韧剂是一种乙烯马来酸酐共聚物，一个分子链带有200个马来酸酐活性官能团，马来酸酐具有很高的反应活性，可以与分子链末端的官能团反应，增加回收地毯尼龙原料的分子量，又可以与玻纤表面的偶联剂和增韧剂的官能团反应，增加尼龙原料和玻纤、增韧剂之间的相容性，提高复合材料的学性能。
上述应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例称取干燥后的尼龙原料、增韧剂、辅助增韧剂、润滑剂、抗氧剂通过高速搅拌机混合均匀，玻璃纤维称好后备用；
(2)将上述混合原料通过双螺杆挤出机的主喂料口加入，将玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经过熔融挤出、造粒、干燥处理等工序后得到所述的复合材料。
与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明使用了乙烯马来酸酐共聚物作为辅助增韧剂，利用乙烯和马来酸酐共聚物中的活性官能团与增韧剂的马来酸酐、玻纤表面硅烷偶联剂和尼龙的末端官能团之间的反应，使三者形成一种微交联的结构，赋予材料与新料相当的力学性能、老化性能、耐冷冻液等性能，使其满足汽车发动机周边对于尼龙材料苛刻的要求。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚，下面将结合实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的实施例采用下列物料：
废旧地毯回收PA66-PCR，WELLMAN Plastics Recycling，LLC；
废旧地毯回收PA6-PCR，WELLMAN Plastics Recycling，LLC；
PA66-EPR27中国神马集团；
玻璃纤维：301HP，直径10μm，重庆国际复合材料有限公司
增韧剂：马来酸酐接枝聚烯烃弹性体，南通日之升高分子新材料科技有限公司；
辅助增韧剂：乙烯和马来酸酐共聚物，市售；
润滑剂：硅酮粉，工业级，市售；
抗氧剂H318德国Bruggolite公司；
产品性能测试方法：
拉伸性能：按ISO527-2方法，样条尺寸：170*10*4mm，试验速度5mm/min。
弯曲性能：按ISO178-1方法，样条尺寸：80*10*4mm，试验速度2mm/min。
缺口冲击性能：按ISO 180方法，样条尺寸：80*10*4mm。
老化性能：140℃/1000h,测试老化前后拉伸强度和缺口冲击强度的保持率。
耐醇解性能：将标准测试样条放置125℃的防冻液中，持续放置1000h，测试拉伸、缺口冲击强度性能，与标准条件下数据对比，计算保持率。
实施例1：
称取废旧地毯回收PA66-PCR 8.87kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，辅助增韧剂500g，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在280℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
实施例2：
称取废旧地毯回收PA66-PCR 5.37kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，辅助增韧剂500g，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.5kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在280℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
实施例3：
称取废旧地毯回收PA6-PCR 5.37kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，辅助增韧剂500g，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.5kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为180℃、210℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在260℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
实施例4：
称取废旧地毯回收PA66-PCR 6.92kg，于100℃下烘干4h，辅助增韧剂500g，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.0kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在260℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化和耐醇解条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
实施例5：
称取废旧地毯回收PA66-PCR 6.42kg，于100℃下烘干4h，辅助增韧剂500g，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.5kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在260℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化和耐醇解条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
实施例6：
称取废旧地毯回收PA6-PCR 6.92kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，辅助增韧剂500g，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.0kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为180℃、210℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在260℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
比较例1：
称取废旧地毯回收PA66-PCR 8.92kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在280℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
比较例2：
称取废旧地毯回收PA66-EPR27 8.92kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在280℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
比较例3：
称取废旧地毯回收PA66-EPR27 5.42kg，于100℃下烘干4h，称取增韧剂1kg，抗氧剂-H3386 300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.5kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在280℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
比较例4：
称取废旧地毯回收PA66-EPR 27 6.42kg，于100℃下烘干4h，抗氧剂-H3386300g，润滑剂500g在高速搅拌机中混合均匀，得到树脂混合物，备用，称取玻璃纤维3.5kg,备用。
将上述混合均匀的树脂混合物通过主喂料口加入到双螺杆挤出机(螺杆直径为35mm，长径比为L/D＝40)中，玻璃纤维通过侧喂料加入，双螺杆挤出机各段温度设置为(从加料口至机头)为230℃、240℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃、265℃，双螺杆挤出机转速为360r/min，挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥、切粒机切粒得到产品。
将上述材料在鼓风干燥箱中于120℃干燥6h后在280℃的温度下注塑成标准样条。将注塑好的力学性能样条在实验室环境中(23℃、50％RH)放置24h进行状态调节后进行测试，而后将标准样条置于热氧老化和耐醇解条件下按照实验要求进行实验，待实验完成后置于实验室环境中(23℃、50％RH)放置24小时后进行测试，得到标准样条的耐醇解后的性能，以上测试结果见表1。
表1：性能测试结果。
从表中所示数据可以看出，地毯回收尼龙做的力学性能、老化性能比全新料的差(比较例1、比较例2)，特别是材料的韧性明显偏低，通过辅助增韧剂，不仅可以增加材料的力学性能，使其与新料的性能无差异(实施例1、对比聊1、比较例2)，同时老化性能也大幅度增加，耐水解性能也可以得到明显的提升。这是由于作为辅助增韧剂的乙烯和马来酸酐共聚物中的活性官能团与增韧剂的马来酸酐、玻纤表面硅烷偶联剂和尼龙的末端官能团之间的反应，使三者形成一种微交联的结构，赋予材料与新料相当的力学性能、老化性能、耐冷冻液等性能，上述方法所制得的尼龙复合材料可广泛应用于汽车发动机周边进气歧管、凸轮罩盖、发动机罩盖等零部件。

Claims (9)

1.一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：其包括以下按重量百分比计的原料：
2.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：所述回收废旧地毯原料经过以下流程处理制得：
首先将收集到的地毯进行鉴定分类，然后通过干式剪切机粉碎，将地毯中的乳胶和碳酸钙等杂质分离出去，最后通过专利的湿式分离技术对尼龙纤维进行性清洁加工，然后经过两次高温挤出将除去尼龙纤维中的有机挥发物，然后挤出造粒得到回收废旧地毯原料，整个原材料挤出和混合过程中使用多个金属探测器和磁铁除去其中可能存在的金属杂质。
3.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：回收废旧地毯原料包括PA66-PCR和PA6-PCR，其中PA66-PCR物性指标：密度为1.16g/cm^3，燃烧残余≤4％，拉伸强度为65MPa，，缺口冲击强度为3.4KJ/m^2，弯曲强度91MPa，弯曲模量2500MPa；PA6-PCR物性指标：密度为1.17g/cm^3，燃烧残余≤4％，拉伸强度为60MPa，缺口冲击强度为3.7KJ/m^2，弯曲强度88MPa，弯曲模量2500MPa。
4.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：所述的玻璃纤维是一种直径10μm，短切长度3mm的表面涂覆硅烷基浸润剂应用在尼龙材料的玻璃纤维。
5.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：所述的增韧剂为马来酸酐接枝聚烯烃弹性体。
6.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：所述的润滑剂是聚酰胺蜡和硅酮粉的1：1的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂是碘化钾、碘化亚铜、溴化钾、氧化亚铜中的一种或者几种混合物。
8.根据权利要求1所述的一种应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料，其特征在于：所述的辅助增韧剂是乙烯马来酸酐共聚物，其分子链带有200个马来酸酐活性官能团。
9.根据权利要求1-8任意之一所述应用在汽车发动机周边的高刚性、高韧性复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按配方比例称取干燥后的尼龙原料、增韧剂、辅助增韧剂、润滑剂、抗氧剂通过高速搅拌机混合均匀，玻璃纤维称好后备用；
(2)将上述混合原料通过双螺杆挤出机的主喂料口加入，将玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经过熔融挤出、造粒、干燥处理等工序后得到所述的复合材料。
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