CN109465454B - 一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料 - Google Patents

一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料及其制备方法。制备表面带环氧官能团的不锈钢粉、带羧基官能团的聚合物、石蜡、催化剂在混合制备注射成型喂料过程中，环氧官能团与羧基官能团发生化学反应，实现不锈钢粉末与粘结剂之间产生化学键连接，有效提高两相间的界面结合力。得到粉末装载量提升、流动性改善、强度增加、不锈钢粉末分散均匀的喂料。喂料的粉末装载量质量分数为92‑94.2%，熔融指数为55‑69.6g/10min，弯曲模量为1622‑3204MPa。

Description

一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料
技术领域
本发明属于金属粉末注射成型技术领域，具体涉及用于金属粉末注射成型的一种不锈钢粉末与粘结剂以化学键连接的喂料及制备方法。
背景技术
近年来手机、电脑、医用疗用品、手表、仪器设备、军工等领域对精细零件的需求不断增加。金属产品的传统制备方式存在精度差、成本高、技术复杂等原因，而金属粉末注射成型技术（MIM）生产的产品成本低、精度高，并可以一次性成型复杂结构的零件，受到越来越多研发人员的关注，具有广阔的发展前景。金属粉末注射成型过程中，为了使粉末可以更好的填充模具、减少坯体内部孔隙，必须提高喂料的流动性能与均匀性，提高粉末装载量可以有效的提升产品的尺寸精度。
现有的技术多致力于改变注射成型中粘结剂本身，以及使用不同粒径粉体与多种粉体混合，提高粉末装载量和喂料的流动，但从粉末注塑成型粉体表面接触原理上的研究较少。往往会出现如坯体强度不高（通常弯曲强度低于20MPa、弯曲模量低于700MPa）、均一性差且流动性差（熔融指数在190℃，5KG条件下≤40g/10min）等问题，具体表现为断裂、鼓泡、空洞、残缺、裂痕等现象。而提高粉末与粘结剂之间相互作用，可以有效的提高提高粉末装载量，从而提升产品精度、成品率以及产品最终质量。由于坯体的装载量高于粉末临界装载量会带来变形、塌陷、空洞等问题；且超过粉末临界装载量会使喂料的粘度直线上升，喂料流动性差或失去流动性，产品易出现缺陷且次品率高。国内许多MIM厂家的喂料粉末装载量通常体积比会低于60%（即质量比通常低于92%），例如有文献记载使用630不锈钢（即17-4PH不锈钢）、石蜡、聚乙烯、硬脂酸作为粘结剂所确定不锈钢粉末临界装载量体积分数为54.54%，根据已公开专利有人使用310不锈钢、304不锈钢等制备了不锈钢粉末质量分数为90-92%，粘结剂质量分数为8-10%的喂料。
发明内容
为了进一步提高金属粉末注射成型的成品率以及产品最终质量，本发明提供一种基于不锈钢粉末的金属粉末注射成型喂料及其制备方法。
一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料，将93-95份表面带环氧官能团的不锈钢粉末、2.5-3.5份带羧基官能团聚合物、2.5-3.5份石蜡、0.1-0.2份催化剂混合均匀，经温度110-130℃条件下密炼，得到用于金属粉末注射成型的注射成型喂料，所述份为质量份。表面带环氧官能团的不锈钢粉末的装载量质量比为92.1-94.2%（装载量体积比为60～66%）、熔融指数为55～69.6g/10min（190℃、5kg）；所述喂料制成的坯体的弯曲模量为1622～3204Mpa。
所述带羧基官能团聚合物为聚乙烯接枝马来酸、乙烯-乙酸乙酯共聚物接枝马来酸、甲基丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物、丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物中的一种；其中聚乙烯接枝马来酸和乙烯-乙酸乙酯共聚物接枝马来酸密度均为0.94±0.05g/cm3，无色透明颗粒或白色颗粒；甲基丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物和丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物密度均为1.07±0.05g/cm3，无色透明颗粒。
所述催化剂为N,N-二甲基苄胺、N,N-二乙基苄胺、三乙胺、三乙醇胺的一种。
所述石蜡为高密度聚乙烯蜡，密度为0.93±0.05g/cm3。
一种表面带环氧官能团的不锈钢粉末的制备方法的操作步骤如下：
（1） 将1份带有环氧官能团的硅烷偶联剂与0.3-0.4份水、1-3份乙醇混合均匀，20-30℃水解30min，得到硅烷偶联剂水解液；
（2）取100份不锈钢粉末加入高速混合机，升温至110-130℃，加入1-3份所述硅烷偶联剂水解液；500-1350 转/min条件下搅拌20-30min，出料；在110-120℃鼓风干燥箱中继续反应2h，得到表面带环氧官能团的不锈钢粉末；
所述份为质量份。
步骤（1）中，所述带有环氧官能团的硅烷偶联剂为 3-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基甲基二乙氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷中的一种。
步骤（2）中，所述不锈钢粉末为630不锈钢（17Cr%，4%Ni），气雾化制粉，形状为球形，振实密度为4.9g/cm3，理论密度为7.89g/cm3，粉末粒径为10-30μm。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明所制备的金属粉末注射成型喂料实现了不锈钢粉体表面与粘结剂的相互连接，通过环氧偶联剂两端所带烷氧基与环氧官能团，分别连接不锈钢粉体表面羟基及热塑性聚合物所带有的羧基官能团。通过反应生成化学键促进不锈钢粉末与粘结剂的相互粘结，提高两相之间界面结合力，从而达到改善流动性，提高均匀性，并提高坯体力学性能。
2、本发明所制备的金属粉末注射成型喂料的不锈钢粉末装载量质量比达到94.2%；熔融指数在190℃、负载为5KG的情况下达到69.6g/10min；弯曲强度为25.3-32.5MPa，弯曲模量为1622-3204MPa；通过SEM电镜观察发现明显均一且无空洞。目前现有普通不锈钢型坯弯曲模量为600-700MPa，不锈钢临界装载量质量比为92%以下。目前现有普通注射成型不锈钢熔体MFI在上述条件下低于40g/cm3。
3、本发明提供了一种绿色环保制备高填充粉末注射成型坯体的方法，这种方法采用干混改性，只需要将水解后环氧偶联剂与粉末充分混合均匀，处理工艺简单，成本低，且不产生污染。不产生三废（废水、废气、废渣），此方法绿色环保、节省溶剂。所制得不锈钢喂料装载量高，熔体流动性好，且不出现空洞、裂痕、塌陷等缺陷。显著提高了最终制品质量和成品率。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
以下实施例所用材料的来源说明如下：
本发明所使用原料均为可以在市场上买到，例如本发明中所使用630不锈钢（即17-4PH不锈钢粉末）由英国Osprey公司生产，硅烷偶联剂采购自荆州江汉精细化工有限公司。其余原料，均为公知公用的常见材料，可生产厂家及采购方式较为多样。
实施例1
一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料的制备操作如下：
（1）制备表面带环氧官能团的不锈钢粉末
将100g3-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷偶联剂与40 g水、200g乙醇混合均匀，25℃水解30min，得到硅烷偶联剂水解液。
取10Kg 630不锈钢粉末加入高速混合机，升温至120℃，加入300g硅烷偶联剂水解液，1000 转/min条件下搅拌20min，出料，放入110℃鼓风干燥箱中继续反应2h，得到表面带环氧官能团的不锈钢粉末。
（2）制备注射成型喂料
9.5 Kg表面带环氧官能团的不锈钢粉末、250 g聚乙烯接枝马来酸、250 g石蜡、10g N,N-二甲基苄胺催化剂经110℃密炼30min得到注射成型喂料。所得注射成型喂料的装载量质量分数为94.2%（装载量体积分数为66%），熔融指数为52.4g/cm3（190℃、5kg）；胚体的弯曲模量为3204MPa。
实施例2
一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料的制备操作如下：
（1）制备表面带环氧官能团的不锈钢粉末
将100g3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷偶联剂与30g水、300g乙醇混合均匀，27℃水解30min，得到硅烷偶联剂水解液。
取10Kg630不锈钢粉末加入高速混合机，升温至130℃，加入400g硅烷偶联剂水解液，750转/min条件下搅拌30min，出料，放入120℃鼓风干燥箱中继续反应2h，得到表面带环氧官能团的不锈钢粉末。
（2）制备注射成型喂料
由9.3Kg表面带环氧官能团的不锈钢粉末、350g乙烯-乙酸乙酯共聚物接枝马来酸、350g石蜡、15g三乙胺催化剂经110℃密炼30min得到注射成型喂料。所得喂料的金属粉末装载量质量分数为92%（装载量体积分数为61.2%），熔融指数（MFI）为65.6g/cm3（190℃、5kg）；弯曲模量为1622MPa。
实施例3
一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料的制备操作如下：
（1）制备表面带环氧官能团的不锈钢粉末
将100g3-(2,3-环氧丙氧)丙基二乙氧基硅烷偶联剂与33g水、250g乙醇混合均匀，20℃水解30min，得到硅烷偶联剂水解液。
取10Kg630不锈钢粉末加入高速混合机，升温至130℃，加入350g硅烷偶联剂水解液，900转/min条件下搅拌30min，出料，放入110℃鼓风干燥箱中继续反应2h，得到表面带环氧官能团的不锈钢粉末。
（2）制备注射成型喂料
所述的注射成型喂料由9.4Kg表面带环氧官能团的不锈钢粉末、300g带羧基官能团聚合物、300g石蜡、12gN,N-二乙基苄胺催化剂经115℃密炼30min得到。所得喂料的粉末装载量质量分数为93.1%（装载量体积分数为60%），熔融指数（MFI）为63.2g/cm3（190℃、5kg）；弯曲模量为2655MPa。
实施例4
将100g2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷与30g水、150g乙醇混合均匀，30℃水解30min，得到硅烷偶联剂水解液。
取10Kg630不锈钢粉末加入高速混合机，升温至130℃，加入250g硅烷偶联剂水解液，550转/min条件下搅拌30min，出料，放入120℃鼓风干燥箱中继续反应2h，得到表面带环氧官能团的不锈钢粉末。
（2）制备注射成型喂料
注射成型喂料由9.45Kg表面带环氧官能团的不锈钢粉末、275g带羧基官能团聚合物、275g石蜡、11g三乙醇胺催化剂经120℃密炼30min得到。所得喂料的金属粉末装载量质量分数为93.6%（装载量体积分数为65.8%），熔融指数（MFI）为55.8g/cm3（190℃、5kg）；弯曲模量为2323MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料，其特征在于：将93-95份表面带环氧官能团的不锈钢粉末、2.5-3.5份带羧基官能团聚合物、2.5-3.5份石蜡、0.1-0.2份催化剂混合均匀，经温度110-130℃条件下密炼，得到用于金属粉末注射成型的注射成型喂料，所述份为质量份；表面带环氧官能团的不锈钢粉末的装载量质量比为92.1-94.2%、熔融指数为55～69.6g/10min；所述喂料制成的坯体的弯曲模量为1622～3204Mpa。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料，其特征在于：所述的带羧基官能团聚合物为聚乙烯接枝马来酸、乙烯-乙酸乙酯共聚物接枝马来酸、甲基丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物、丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物中的一种；其中聚乙烯接枝马来酸和乙烯-乙酸乙酯共聚物接枝马来酸密度均为0.94±0.05g/cm3，无色透明颗粒或白色颗粒；甲基丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物和丙烯酸-甲基丙烯酸酯共聚物密度均为1.07±0.05g/cm3，无色透明颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面带环氧官能团的不锈钢粉末的注射成型喂料，其特征在于：所述的催化剂为N,N-二甲基苄胺、N,N-二乙基苄胺、三乙胺、三乙醇胺的一种。
4.基于权利要求1中所述的一种表面带环氧官能团的不锈钢粉末的制备方法，其特征在于操作步骤如下：
（1） 将1份带有环氧官能团的硅烷偶联剂与0.3-0.4份水、1-3份乙醇混合均匀，20-30℃水解30min，得到硅烷偶联剂水解液；
（2）取100份不锈钢粉末加入高速混合机，升温至110-130℃，加入1-3份所述硅烷偶联剂水解液；500-1350 转/min条件下搅拌20-30min，出料；在110-120℃鼓风干燥箱中继续反应2h，得到表面带环氧官能团的不锈钢粉末；
所述份为质量份。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述带有环氧官能团的硅烷偶联剂为 3-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基甲基二乙氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷中的一种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述不锈钢粉末为630不锈钢，气雾化制粉，形状为球形，振实密度为4.9g/cm3，理论密度为7.89g/cm3，粉末粒径为10-30μm。
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