CN109251533B - 一种塑料轴承保持架用复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塑料轴承保持架用复合材料及其制备方法和应用，原料包括聚苯硫醚、抗氧剂、尼龙PPA塑料、聚砜、改性碳纤维、改性碳化硅晶须、季戊四醇硬脂酸酯、第一相容剂和第二相容剂，第一相容剂为丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶，第二相容剂为深圳市帕斯特新材料科技有限公司MG200；制备：称取各原料，将聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和聚砜分别进行干燥，将干燥后的聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶混合，挤出得二元合金材料；将二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出，制得；及由上述复合材料制成的轴承保持架；本发明具有耐高温、高耐磨、高强度、耐腐蚀等优点，综合性能好，成本相对高端特种工程塑料较低。
Description
技术领域
本发明属于轴承保持架技术领域，具体涉及一种塑料轴承保持架用复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
保持架(即轴承保持架，又称轴承保持器)的作用是使滚动体保持分离、在轴承周向上均匀分布，引导滚动体在轴承内按照正确轨迹运动。目前使用的保持架主要由金属材料制作，金属保持架在载荷复杂、高温、高速、油污环境、化学腐蚀等工况下，由于受到较大冲击力、大离心力、腐蚀等影响，会加剧摩擦而导致损坏。所以在一些高端领域对保持架产生了较高要求：耐磨损、密度小、导热性好、兼具强度与硬度、低热膨胀系数、耐腐蚀、耐油、耐高温等性能。
改性塑料在这方面潜力巨大，它密度小、保持架离心力小，低噪音、降低冲击振动损坏、耐腐蚀、耐化学、耐油性优良等。同时塑料保持架直接注塑成型，产品设计灵活性增加，易于结构优化。目前塑料保持架主要有尼龙PA、聚甲醛POM、聚苯硫醚PPS、聚醚醚酮PEEK材料及其改性塑料，尼龙与聚甲醛材料保持架使用温度较低，一般在120℃以下，不耐高温，且导热性较差；聚苯硫醚存在材料较脆，抗氧化性不佳等缺点，聚醚醚酮材料价格较贵，不利于大规模的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的塑料轴承保持架用复合材料，其能够具有较优异的综合性能，相比与高端特种工程塑料成本较低，有利于大规模的应用。
本发明还提供了一种塑料轴承保持架用复合材料的制备方法。
本发明同时还提供了一种塑料轴承保持架。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：
一种塑料轴承保持架用复合材料，所述复合材料的原料包括聚苯硫醚、抗氧剂，所述原料还包括尼龙PPA塑料、聚砜、改性碳纤维、改性碳化硅晶须、季戊四醇硬脂酸酯、第一相容剂和第二相容剂，所述第一相容剂为丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶，所述第二相容剂为深圳市帕斯特新材料科技有限公司的MG200；所述聚苯硫醚、所述尼龙PPA塑料和所述聚砜的投料质量比为1.1-5︰1-3︰1，所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶的投料质量与所述聚苯硫醚和所述尼龙PPA塑料的总投料质量之比为0.01-0.25︰1，所述MG200与所述聚砜的投料质量之比为0.02-0.20︰1。
根据本发明，聚苯硫醚(PPS)为公知市售产品，购自于重庆聚狮新材料科技有限公司，型号：GL09。
根据本发明，尼龙PPA塑料(PPA)为公知市售产品，购自于日本可乐丽公司PA6T，或者PA9T。
根据本发明，聚砜(PSU)为公知市售产品，购自于美国苏威，型号：P-3703。
根据本发明的一些具体方面，碳纤维为公知市售产品，碳纤维可采用日本东丽公司T700短切碳纤维6mm左右。
根据本发明的一些具体方面，碳化硅晶须为公知市售产品，可选用秦皇岛一诺高新材料开发有限公司，型号SICW-90。
根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述改性碳纤维占所述原料的质量百分含量为10-50％。更优选地，以质量百分含量计，所述改性碳纤维占所述原料的质量百分含量为10-30％。
根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述改性碳化硅晶须占所述原料的质量百分含量为0.5-5％。
根据本发明的一些优选方面，所述改性碳纤维通过如下方法制备而得：采用混合酸氧化碳纤维得到氧化的碳纤维，再使所述氧化的碳纤维与硅烷偶联剂反应而制成所述改性碳纤维，其中，所述混合酸为浓硫酸与浓硝酸的混合物，所述浓硝酸与所述浓硫酸的投料体积比为2-5︰1。
根据本发明的一个具体且优选的方面，所述改性碳纤维通过如下方法制备而得：首先使用丙酮清洗碳纤维，超声分散，4～6小时后使用清水冲洗3～5次，烘干；再将干燥后的碳纤维浸入浓硝酸与浓硫酸体积比为3:1的混合酸溶液中，60～80℃下超声分散，30～120min后，蒸馏水冲洗3～5次，80～100℃真空干燥，将上述处理后的碳纤维浸渍在硅烷偶联剂KH550与乙醇和蒸馏水配比为20:72:8比例混合均匀的溶液中，超声分散，4～24小时后，使用蒸馏水冲洗3～5次后，80～100℃真空干燥后，制成改性碳纤维，备用。
根据本发明，浓硫酸为质量分数大于或等于70％的硫酸水溶液；浓硝酸为质量分数大于或等于60％的硝酸水溶液。
根据本发明的一些具体且优选的方面，所述硅烷偶联剂与所述氧化的碳纤维的投料质量比为1︰200-1000。
根据本发明的一些优选方面，所述改性碳化硅晶须由碳化硅晶须与改性剂反应而制成，所述改性剂由磷酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂和石蜡油构成，所述磷酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂与所述石蜡油的投料质量比为1︰1.2-2。
根据本发明的一些具体且优选的方面，所述改性剂与所述碳化硅晶须的投料质量比为0.005-0.05︰1。
根据本发明的一些优选方面，所述复合材料通过先使所述聚苯硫醚、所述尼龙PPA塑料和所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶共混熔融制成二元合金材料，再使所述二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出而制成。
根据本发明的一些优选方面，以质量份数计，所述原料中，所述聚苯硫醚占30-60份、所述尼龙PPA塑料占30-50份、所述聚砜占15-35份、所述改性碳纤维占10-50份、所述改性碳化硅晶须占1-10份、所述季戊四醇硬脂酸酯占0.1-5份、所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶占1-15份、所述MG200占1-10份和所述抗氧剂占0.05-3份。
本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的塑料轴承保持架用复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方称取各原料，将称取的聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和聚砜分别进行干燥处理；
(2)将经步骤(1)干燥后的聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶混合，熔融挤出，制成二元合金材料；
(3)将步骤(2)制备的二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出，制成所述塑料轴承保持架用复合材料。
在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中的干燥处理在温度140-160℃下进行，干燥时间为4-8小时。
根据本发明的一些具体方面，步骤(2)中和步骤(3)的熔融挤出操作分别在挤出机中进行。优选地，所述挤出机中各段温度分别为：一区220-240℃、二区240-270℃、三区270-310℃、四区310-320℃、五区310-320℃、六区310-320℃、七区310-320℃、八区310-320℃、九区310-320℃、十区310-320℃，其中，螺杆长径比36～48，螺杆转速200～500rpm。
本发明提供的又一技术方案：一种塑料轴承保持架，所述塑料轴承保持架由上述所述的塑料轴承保持架用复合材料制成。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明复合材料制备的轴承保持架具有质量轻的优点，可以减少离心力并降低启动力矩，同时运行低噪音，且具有较长的使用寿命，适用于在一些高端环境场合；
2、本发明复合材料制备的轴承保持架与目前常用的尼龙与聚甲醛塑料保持架相比，提高了工作温度，本发明材料可长期在170℃及以上条件下使用；同时兼具热膨胀系数低，导热性好，减小高温下塑料膨胀导致轴承卡死的状况，材料耐冲击，具有较高的拉伸强度、压缩强度，承载能力增强；
3、目前长期在150℃以上使用的塑料保持架，通常使用特种工程塑料聚苯硫醚、聚醚醚酮材料制作，但聚苯硫醚材料脆性大，聚醚醚酮价格成本非常高，本发明复合材料综合成本较低即综合性能优异，适于大规模应用。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
下述中，如无特殊说明，所有的原料均来自于商购或者通过本领域的常规方法制备而得。下述中，聚苯硫醚(PPS)为公知市售产品，购自于重庆聚狮新材料科技有限公司，型号：GL09。尼龙PPA塑料(PPA)为公知市售产品，购自于日本可乐丽公司PA6T。聚砜(PSU)为公知市售产品，购自于美国苏威，型号：P-3703。碳纤维材料为公知市售产品，购自于日本东丽公司T700短切碳纤维6mm。碳化硅晶须为公知市售产品，购自于秦皇岛一诺高新材料开发有限公司，型号SICW-90。季戊四醇硬脂酸酯，即PETS爽滑剂，其为公知市售产品，购自意大利发基有限公司，型号：PETS-AP。第二相容剂为深圳市帕斯特新材料科技有限公司的MG200。抗氧剂为公知市售产品，购自于美国氰特工业公司，型号CYANOX 1790。
下述中，改性碳纤维通过如下方法制备而得：首先使用丙酮清洗碳纤维，超声分散，4～6小时后使用清水冲洗3～5次，烘干；再将干燥后的碳纤维浸入浓硝酸(质量分数90％)与浓硫酸(质量分数98％)体积比为3:1的混合酸溶液中，60～80℃下超声分散，120min后，蒸馏水冲洗3～5次，80～100℃下真空干燥。将上述处理后的碳纤维浸渍在硅烷偶联剂KH550与乙醇和蒸馏水配比为20:72:8比例混合均匀的溶液中，超声分散，10小时后，使用蒸馏水冲洗3～5次后，80～100℃真空干燥后，制成改性碳纤维，备用；其中，碳纤维与硅烷偶联剂KH550的投料质量比为800︰1。
下述中，改性碳化硅晶须由改性剂与碳化硅晶须按投料质量比0.01︰1反应而制成，所述改性剂由磷酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂KR-38S和石蜡油构成，所述磷酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂KR-38S与所述石蜡油的投料质量比为1︰1.5。
实施例1
本实施例提供一种塑料轴承保持架用复合材料以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚(PPS)40份；尼龙PPA塑料(PPA)40份；聚砜(PSU)30份；上述方法制备的改性碳纤维20份；上述方法制备的改性碳化硅晶须3份；PETS爽滑剂0.6份；丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶6份；MG200 5份；抗氧剂0.1份；
其制备方法为：
(1)、按配方量称取各原料，将所述聚苯硫醚(PPS)、尼龙PPA塑料(PPA)、聚砜(PSU)，放入干燥箱，温度设定150℃，干燥时间8小时；
(2)、将经步骤(1)干燥后的聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶在高速混料机中混料10min，然后在挤出机中熔融挤出，制成二元合金材料；
挤出机中各段温度分别为：一区230℃、二区255℃、三区290℃、四区315℃、五区315℃、六区315℃、七区315℃、八区315℃、九区315℃、十区315℃，其中，螺杆长径比40，螺杆转速300rpm；
(3)将步骤(2)制备的二元合金材料与剩余原料混合，在挤出机中熔融挤出，制成所述塑料轴承保持架用复合材料；其中改性碳纤维在5区侧喂料口加入；
挤出机中各段温度分别为：一区230℃、二区255℃、三区290℃、四区315℃、五区315℃、六区315℃、七区315℃、八区315℃、九区315℃、十区315℃，其中，螺杆长径比40，螺杆转速300rpm。
注塑样品，工艺设定：干燥温度150度，干燥时间8小时，注塑机前段温度320℃，中段温度310℃，后段温度300℃，喷嘴温度310度，背压3MPa，注塑压力100MPa，注射速度80mm/s，模具温度140℃。
测得注塑样品性能如下表一所示。
表一
| 项目 | 特征值 | 单位 | 测试标准 |
| 拉伸强度5mm/min | 140 | MPa | ASTM D638 |
| 断裂伸长率5mm/min | 3 | ％ | ASTM D638 |
| 拉伸弹性模量1mm/min | 13000 | MPa | ASTM D638 |
| 弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min | 210 | MPa | ASTM D790 |
| 弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min | 12000 | MPa | ASTM D790 |
| 缺口冲击强度 | 180 | J/m | ASTM D256 |
| 无缺口冲击强度4J | 1050 | J/m | ASTM D4812 |
| 动摩擦系数，uk，对钢 | 0.29 | -- | ASTM D1894 |
| 热膨胀系数,(>150℃) | 5.2 | 10<sup>-5</sup>*1/k | ASTM E831 |
| 热导系数，厚度方向 | 10 | W/(m.K) | ASTM E1530 |
| 热变形温度，1.8MPa | 185 | ℃ | ASTM D648 |
实施例2
本实施例提供一种塑料轴承保持架用复合材料，以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚(PPS)50份；尼龙PPA塑料(PPA)40份；聚砜(PSU)20份；上述方法制备的改性碳纤维30份；上述方法制备的改性碳化硅晶须3份；PETS爽滑剂0.6份；丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶8份；MG200 4份；抗氧剂0.1份。
制备方法同实施例1。
注塑样品，工艺设定：干燥温度150度，干燥时间8小时，注塑机前段温度320℃，中段温度310℃，后段温度300℃，喷嘴温度310度，背压3MPa，注塑压力100MPa，注射速度80mm/s，模具温度140℃。
测得注塑样品性能如下表二所示。
表二
| 项目 | 特征值 | 单位 | 测试标准 |
| 拉伸强度5mm/min | 185 | MPa | ASTM D638 |
| 断裂伸长率5mm/min | 2 | ％ | ASTM D638 |
| 拉伸弹性模量1mm/min | 20000 | MPa | ASTM D638 |
| 弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min | 260 | MPa | ASTM D790 |
| 弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min | 19000 | MPa | ASTM D790 |
| 缺口冲击强度 | 210 | J/m | ASTM D256 |
| 无缺口冲击强度4J | 1160 | J/m | ASTM D4812 |
| 动摩擦系数，uk，对钢 | 0.27 | -- | ASTM D1894 |
| 热膨胀系数,(>150℃) | 4.7 | 10<sup>-5</sup>*1/k | ASTM E831 |
| 热导系数，厚度方向 | 13 | W/(m.K) | ASTM E1530 |
| 热变形温度，1.8MPa | 190 | ℃ | ASTM D648 |
实施例3
本实施例提供一种塑料轴承保持架用复合材料，以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚(PPS)45份；尼龙PPA塑料(PPA)40份；聚砜(PSU)30份；上述方法制备的改性碳纤维40份；上述方法制备的改性碳化硅晶须3份；PETS爽滑剂0.6份；丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶9份；MG200 6份；抗氧剂0.1份。
制备方法同实施例1。
注塑样品，工艺设定：干燥温度150度，干燥时间8小时，注塑机前段温度320℃，中段温度310℃，后段温度300℃，喷嘴温度310度，背压3MPa，注塑压力100MPa，注射速度80mm/s，模具温度140℃。
测得注塑样品性能如下表三所示。
表三
| 项目 | 特征值 | 单位 | 测试标准 |
| 拉伸强度5mm/min | 240 | MPa | ASTM D638 |
| 断裂伸长率5mm/min | 2 | ％ | ASTM D638 |
| 拉伸弹性模量1mm/min | 26000 | MPa | ASTM D638 |
| 弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min | 310 | MPa | ASTM D790 |
| 弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min | 25000 | MPa | ASTM D790 |
| 缺口冲击强度 | 250 | J/m | ASTM D256 |
| 无缺口冲击强度4J | 1300 | J/m | ASTM D4812 |
| 动摩擦系数，uk，对钢 | 0.25 | -- | ASTM D1894 |
| 热膨胀系数,(>150℃) | 4.2 | 10<sup>-5</sup>*1/k | ASTM E831 |
| 热导系数，厚度方向 | 16 | W/(m.K) | ASTM E1530 |
| 热变形温度，1.8MPa | 204 | ℃ | ASTM D648 |
对比例1
基本同实施例1，其区别仅在于将不加丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶。测得注塑样品性能如下表四所示。
表四
| 项目 | 特征值 | 单位 | 测试标准 |
| 拉伸强度5mm/min | 112 | MPa | ASTM D638 |
| 断裂伸长率5mm/min | 2 | ％ | ASTM D638 |
| 拉伸弹性模量1mm/min | 11000 | MPa | ASTM D638 |
| 弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min | 170 | MPa | ASTM D790 |
| 弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min | 9500 | MPa | ASTM D790 |
| 缺口冲击强度 | 155 | J/m | ASTM D256 |
| 无缺口冲击强度4J | 820 | J/m | ASTM D4812 |
| 动摩擦系数，uk，对钢 | 0.33 | -- | ASTM D1894 |
| 热膨胀系数,(>150℃) | 5.4 | 10<sup>-5</sup>*1/k | ASTM E831 |
| 热导系数，厚度方向 | 9.7 | W/(m.K) | ASTM E1530 |
| 热变形温度，1.8MPa | 182 | ℃ | ASTM D648 |
对比例2
基本同实施例1，其区别仅在于将不加MG200。测得注塑样品性能如下表五所示。
表五
对比例3
基本同实施例1，其区别仅在于制备方法中，将全部原料共混熔融挤出。测得注塑样品性能如下表六所示。
表六
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种塑料轴承保持架，其特征在于，所述塑料轴承保持架由塑料轴承保持架用复合材料制成，所述塑料轴承保持架用复合材料的原料包括聚苯硫醚、抗氧剂、尼龙PPA塑料、聚砜、改性碳纤维、改性碳化硅晶须、季戊四醇硬脂酸酯、第一相容剂和第二相容剂；
所述第一相容剂为丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶，所述第二相容剂为深圳市帕斯特新材料科技有限公司的MG200；所述聚苯硫醚、所述尼龙PPA塑料和所述聚砜的投料质量比为1.1-5︰1-3︰1，所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶的投料质量与所述聚苯硫醚和所述尼龙PPA塑料的总投料质量之比为0.01-0.25︰1，所述MG200与所述聚砜的投料质量之比为0.02-0.20︰1；
以质量份数计，所述原料中，所述聚苯硫醚占30-60份、所述尼龙PPA塑料占30-50份、所述聚砜占15-35份、所述改性碳纤维占10-50份、所述改性碳化硅晶须占1-10份、所述季戊四醇硬脂酸酯占0.1-5份、所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶占1-15份、所述MG200占1-10份和所述抗氧剂占0.05-3份；
所述塑料轴承保持架用复合材料通过先使所述聚苯硫醚、所述尼龙PPA塑料和所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶共混熔融制成二元合金材料，再使所述二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出而制成。
2.根据权利要求1所述的塑料轴承保持架，其特征在于，所述改性碳纤维通过如下方法制备而得：采用混合酸氧化碳纤维得到氧化的碳纤维，再使所述氧化的碳纤维与硅烷偶联剂反应而制成所述改性碳纤维，其中，所述混合酸为浓硫酸与浓硝酸的混合物，所述浓硝酸与所述浓硫酸的投料体积比为2-5︰1。
3.根据权利要求2所述的塑料轴承保持架，其特征在于，所述硅烷偶联剂与所述氧化的碳纤维的投料质量比为1︰200-1000。
4.根据权利要求1所述的塑料轴承保持架，其特征在于，所述改性碳化硅晶须由碳化硅晶须与改性剂反应而制成，所述改性剂由磷酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂和石蜡油构成，所述磷酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂与所述石蜡油的投料质量比为1︰1.2-2。
5.根据权利要求4所述的塑料轴承保持架，其特征在于，所述改性剂与所述碳化硅晶须的投料质量比为0.005-0.05︰1。
6.根据权利要求1所述的塑料轴承保持架，其特征在于，所述塑料轴承保持架用复合材料的制备方法包括如下步骤：
（1）按配方称取各原料，将称取的聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和聚砜分别进行干燥处理；
（2）将经步骤（1）干燥后的聚苯硫醚、尼龙PPA塑料和丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶混合，熔融挤出，制成二元合金材料；
（3）将步骤（2）制备的二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出，制成所述塑料轴承保持架用复合材料。
7.根据权利要求6所述的塑料轴承保持架，其特征在于，步骤（1）中的干燥处理在温度140-160℃下进行，干燥时间为4-8小时。
8.根据权利要求6所述的塑料轴承保持架，其特征在于，步骤（2）中和步骤（3）的熔融挤出操作分别在挤出机中进行，所述挤出机中各段温度分别为：一区 220-240℃、二区 240-270℃、三区 270-310℃、四区 310-320℃、五区 310-320℃、六区310-320℃、七区 310-320℃、八区310-320℃、九区 310-320℃、十区 310-320℃，其中，螺杆长径比36～48，螺杆转速200～500rpm。
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