CN109627465B - 聚甲醛高分子复合材料及其制备方法、成型材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其包括如下步骤：将聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯‑聚甲醛复合颗粒；在高速混合的条件下往上述形成的聚四氟乙烯‑聚甲醛复合颗粒中喷入硅烷偶联剂形成混合料；以及在高速混合条件下往上述混合料中吹入石墨烯并继续高速混合，从而制得所述聚甲醛高分子复合材料。本发明还提供一种由上述方法制备的聚甲醛高分子复合材料及一种成型材料的制备方法。

Description

聚甲醛高分子复合材料及其制备方法、成型材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子复合材料及其制备方法，尤其涉及一种聚甲醛高分子复合材料及其制备方法，以及一种成型材料的制备方法。
背景技术
聚甲醛是一种没有侧链、高密度、高结晶性的线性聚合物，其综合性能优良，具有类似金属的硬度、强度和钢性，被誉为“赛钢”或者“超钢”。聚甲醛以低于其他工程塑料的成本，正在替代一些传统上被金属所占领的市场，可广泛的应用于制造各种滑动、转动机械零件，做各种齿轮、杠杆、滑轮、链轮、轴承等。但纯聚甲醛摩擦系数较高，只适用于低温低载荷的使用环境，从而影响了其应用效果和应用范围，目前通常采用添加填料使聚甲醛成为复合材料改善其性能。
石墨烯不仅拥有杰出的导电性能、导热性能、机械性能等，其面内方向也表现出突出的耐磨性能和润滑性能，可广泛的应用于提高高分子材料的摩擦磨损性能。但是，石墨烯作为一种耐磨润滑填充材料，其在基体材料中的分散效果和分布状态，以及与基体材料的结合强度，直接决定了石墨烯对复合材料耐磨润滑性能的改善效果。
发明内容
鉴于上述情况，有必要提供一种制备工艺简单、适于工业化生产且较环保的聚甲醛复合材料制备方法。
另外，还有必要提供一种由上述方法制备的聚甲醛复合材料以及一种成型材料的制备方法。
一种聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
将聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒；
在高速混合的条件下往上述形成的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒中喷入硅烷偶联剂形成混合料；以及
在高速混合条件下往上述混合料中吹入石墨烯并继续高速混合，从而制得所述聚甲醛高分子复合材料。
一种如上所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法制备的聚甲醛高分子复合材料。
一种成型材料的制备方法，其包括以下步骤：
提供如上所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法制备的聚甲醛高分子复合材料；以及
将上述聚甲醛高分子复合材进行成型制得成型材料。
本发明的聚甲醛高分子复合材料制备方法制备的聚甲醛高分子复合材料形成的成型材料具有优良的耐摩擦磨损性能，相比纯的聚甲醛材料形成的成型材料摩擦系数降低53.6％。磨损率体积降低72.5％。所述聚四氟乙烯微粉均匀吸附在所述聚甲醛微粉表面，使得制得的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒具有良好的自润滑性能。在高速混合的条件下喷入所述硅烷偶联剂可在所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的表面形成均匀的膜层，以便于后续石墨烯通过所述膜层结合于所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的表面。所述石墨烯随气流吹入可以使得石墨烯更加分散，从而更加均匀的包覆所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒，进而阻碍、改变和反射磨损时产生的微裂纹的扩展，从而有效的减缓材料磨损。同时石墨烯所特有的层间结构在受力时容易发生剪切从而形成具有润滑和保护的转移膜层，进一步减少材料磨损。本发明的聚甲醛高分子复合材料的制备方法工艺简单，适于工业生产，环保高效。
附图说明
图1为比较例2的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的扫描电子显微镜图。
图2为实施例1的聚甲醛高分子复合材料的扫描电子显微镜图。
图3为本发明不同石墨烯含量的聚甲醛高分子复合材料形成的成型材料摩擦系数(COF)。
图4为本发明不同石墨烯含量的聚甲醛高分子复合材料形成的成型材料在相同磨损条件下的磨损体积。
具体实施方式
本发明实施方式提供一种聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1，将聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒。
其中，所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的平均粒径为40微米～160微米。
本实施方式中，所述聚四氟乙烯微粉的平均粒径为2微米～5微米，所述聚甲醛微粉的平均粒径为30微米～150微米。所述聚四氟乙烯的分子量为1万～3万。所述聚甲醛的分子量为5万～7万。
本实施方式中，所述聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的高速混合时间为8min～12min。优选的，所述聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的高速混合时间为10min。
步骤S2，在高速混合的条件下往上述形成的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒中喷入硅烷偶联剂形成混合料。
本实施方式中，所述硅烷偶联剂喷入时粒径为0.1mm～0.2mm。所述硅烷偶联剂喷入时的流量为0.05L/min～0.06L/min。
所述硅烷偶联剂可以为γ―氨丙基三乙氧基硅烷(即KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(即KH560)及γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(即KH570)中的至少一种。
步骤S3，在高速混合条件下往上述混合料中吹入石墨烯并继续高速混合，从而制得所述聚甲醛高分子复合材料。
本实施方式中，所述石墨烯、所述硅烷偶联剂、所述聚四氟乙烯微粉及所述聚甲醛微粉的质量比为(0.1-0.5):(0.1-0.5):(5-20):(79-94.8)。
所述高速混合，是一种采用干式、机械的方法对微颗粒进行复合处理的方法，该方法利用高速转动的转子带动颗粒做高速运动，颗粒在冲击、剪切作用下，输入能量富集于颗粒表面，从而使得颗粒表面活化。本发明中，高速混合使得聚四氟乙烯微粉颗粒吸附于聚甲醛颗粒比表面积较大处形成于复合颗粒，且使得石墨烯在短时间内通过油状小分子有机物界面层包覆于复合颗粒表面，同时可实现颗粒粒径的均匀化和颗粒形状的球形化。
本实施方式中，所述高速混合是指在2500r/min～3200r/min的转速下混合。优选的，所述高速混合是指在3000r/min的转速下混合。优选的，保持高速混合时温度小于或等于50℃。
本实施方式中，所述石墨烯呈片层结构且层数为1-10。吹入石墨烯并继续高速混合8min～10min以制得所述聚甲醛高分子复合材料。优选的，吹入石墨烯后继续高速混合10min。
在步骤S3中，可通入流速为2m/s～4m/s的气流以携带所述石墨烯吹入所述混合料中，从而制得聚甲醛高分子复合材料。
本实施方式中，喷入硅烷偶联剂后可继续高速混合1min～5min形成所述混合料再吹入石墨烯。优选的，喷入硅烷偶联剂继续高速混合3min形成所述混合料再吹入石墨烯。
本发明实施方式还提供一种成型材料的制备方法，其包括上述步骤S1～S3，并在步骤S3后还包括步骤S4，将上述聚甲醛高分子复合材进行成型制得成型材料。
其中，所述成型材料的摩擦系数为0.077-0.112。
具体的，所述成型材料可以通过挤出造粒及注塑成型的方式形成。所述挤出造粒可采用双螺杆挤出机实现，并且螺杆间的剪切作用可实现材料进一步充分复合。所述注塑成型时的温度优选为220℃～250℃，且在注塑后自然冷却成型。
本发明的聚甲醛高分子复合材料制备方法制备的聚甲醛高分子复合材料形成的成型材料具有优良的耐摩擦磨损性能，相比纯的聚甲醛材料形成的成型材料摩擦系数降低53.6％。磨损率体积降低72.5％。所述聚四氟乙烯微粉均匀吸附在所述聚甲醛微粉表面，使得制得的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒具有良好的自润滑性能。在高速混合的条件下喷入所述硅烷偶联剂可在所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的表面形成均匀的膜层，以便于后续石墨烯通过所述膜层结合于所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的表面。所述石墨烯随气流吹入可以使得石墨烯更加分散，从而更加均匀的包覆所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒，进而阻碍、改变和反射磨损时产生的微裂纹的扩展，从而有效的减缓材料磨损。同时石墨烯所特有的层间结构在受力时容易发生剪切从而形成具有润滑和保护的转移膜层，进一步减少材料磨损。本发明的聚甲醛高分子复合材料的制备方法工艺简单，适于工业生产，环保高效。
下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
称量200g聚四氟乙烯微粉与796g的聚甲醛微粉加入高速混合机装置中，在3000r/min的转速下进行复合处理10min，制得聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒。将2g的KH550喷入正高速混合的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒中继续高速混合3min形成混合料。将2g的石墨烯吹入正高速混合的混合料中继续高速混合8min，从而制得聚甲醛高分子复合材料。将所述聚甲醛高分子复合材料通过双螺杆挤出机挤出造粒并将粒料通过注塑机注塑制得成型材料。
比较例1
上述与实施例1相同的聚甲醛微粉过双螺杆挤出机挤出造粒并将粒料通过注塑机注塑制得成型材料。
比较例2
称量200g聚四氟乙烯微粉与800g的聚甲醛微粉加入高速混合机装置中，在3000r/min的转速下进行复合处理10min，制得聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒。将所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒通过双螺杆挤出机挤出造粒并将粒料通过注塑机注塑制得成型材料。
对实施例1、比较例1及比较例2中的成型材料进行摩擦系数测试，结果为：比较例1的摩擦系数为0.166，比较例2的摩擦系数为0.14，实施例1的摩擦系数为0.077。图1为比较例2的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的扫描电子显微镜图。图2为实施例1的聚甲醛高分子复合材料的扫描电子显微镜图。由图1及图2可以看出，在添加石墨烯后，石墨烯以片层状包覆于所述聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的表面。
参照实施例1的步骤，调整其中石墨烯的含量制得聚甲醛高分子复合材料，并以此制得对应的成型材料并进行摩擦及磨损测试，具体数据分别参见图3及图4。
另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
将聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒；
在高速混合的条件下往上述形成的聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒中喷入硅烷偶联剂，继续高速混合1min~5min，形成混合料；以及
在高速混合条件下往上述混合料中吹入石墨烯并继续高速混合，从而制得所述聚甲醛高分子复合材料，其中，通入流速为2m/s~4m/s的气流以携带所述石墨烯吹入所述混合料中，吹入所述石墨烯后并继续高速混合8min~10min，所述石墨烯、所述硅烷偶联剂、所述聚四氟乙烯微粉及所述聚甲醛微粉的质量比为(0.1-0.5): (0.1-0.5):(5-20):(79-94.8)。
2.如权利要求1所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯微粉的平均粒径为2微米~5微米，所述聚甲醛微粉的平均粒径为30微米~150微米，所述聚四氟乙烯的分子量为1万~3万，所述聚甲醛的分子量为5万~7万。
3.如权利要求1所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯微粉与聚甲醛微粉进行高速混合形成聚四氟乙烯-聚甲醛复合颗粒的高速混合时间为8min~12min。
4.如权利要求1所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂喷入时粒径为0.1mm~0.2mm，所述硅烷偶联剂喷入时的流量为0.05L/min~0.06L/min，所述硅烷偶联剂可以为γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷及γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
5.如权利要求1所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其特征在于：所述高速混合为在2500r/min~3200r/min的转速下混合，且保持高速混合时温度小于或等于50℃。
6.如权利要求1所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯呈片层结构且层数为1-10。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法制备的聚甲醛高分子复合材料。
8.一种成型材料的制备方法，其包括以下步骤：
提供如权利要求1-6任意一项所述的聚甲醛高分子复合材料的制备方法制备的聚甲醛高分子复合材料；以及
将上述聚甲醛高分子复合材进行成型制得成型材料。
9.如权利要求8所述的成型材料的制备方法，其特征在于：所述成型材料的摩擦系数为0.077-0.112。
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