CN109762295A - 一种高性能聚合物纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能聚合物纳米复合材料，按重量百分比计，所述复合材料包括聚甲醛70‑95％、纳米填料0.8‑15％、硅烷偶联剂2‑5％和助剂2‑20％，以及该纳米复合材料的制备方法将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，搅拌一段时间后，对纳米填料进行真空干燥处理；将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、二异氰酸酯、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体；对纳米复合材料前驱体进行干燥处理，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型，得到具有优异耐磨损性能的高性能聚合物纳米复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，更具体的说是涉及一种高性能聚合物纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
聚合物基耐磨复合材料是以热塑性或热固性树脂为基体，通过添加有机或无机的减磨组分以及抗磨增强组分而呈现良好的耐磨性能，世界上最早的聚合物基耐磨复合材料是填充石墨的酚醛树脂和可浸渍含油的多孔酚醛树脂，其后，随着高分子化工技术的不断进步，新型合成树脂尼龙、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰亚胺以及含氧树脂基的减摩复合材料也相继被开发，采用聚合物为基体的耐磨复合材料具有减摩自润滑、耐磨、耐腐蚀、减震吸振、减低噪音、相对密度小、比强度和加工简便等系列优良特性，因此作为其他材料的替代产品获得了越来越多的应用。
目前，通常的高性能耐热性聚合物主要有聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺和耐高温环氧树脂等，并且用于耐摩擦磨损聚合物基复合材料的填料主要有橡胶弹性体和无机耐磨填料，然而橡胶填料具有成本高，制备工艺复杂等缺点，而无机耐磨填料普遍存在密度大、与树脂相容性差、易离析、分散性差等缺点。
近年来，纳米材料以其轻质、比表面积大、与树脂相容性好、综合力强、物理性能优异等显著特点越来越引起人们的广泛关注，以纳米材料作为填料来提高聚合物耐磨损性能是研究的热点。
因此，如何提供一种耐摩擦性能优异的高性能聚合物纳米复合材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能够充分改善耐磨损性能的聚合物纳米复合材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高性能聚合物纳米复合材料，按重量百分比计，所述复合材料包括聚甲醛70-95％、纳米填料0.8-15％、硅烷偶联剂2-5％和助剂2-20％。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料中，所述纳米填料为含有石墨的多晶硅和纳米氧化铝，并且纳米填料的粒径≤35μm，使其与聚甲醛能够很好的结合。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料中，所述助剂为润滑剂、稀土稳定剂和二异氰酸酯，并且润滑剂、稀土稳定剂和二异氰酸酯的质量百分比为1∶1.2-1.8∶0.8-1.1。其中二异氰酸酯的存在有助于物质混炼过程中增强纳米填料与聚甲醛大分子的粘结作用，提高结合强度，润滑剂与稀土稳定剂结合使用，能够使复合材料表现出较低的摩擦力和摩擦系数，提高复合材料的耐摩擦性能，并且提高了复合材料整体的稳定性。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料中，润滑剂为聚硅氧烷、氟代低聚物、含氟聚合物或者脂肪酸酰胺中的一种或者几种。
本发明还公开了一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，搅拌一段时间后，对纳米填料进行真空干燥处理；
(2)将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、二异氰酸酯、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体；
(3)对纳米复合材料前驱体进行干燥处理，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法中，步骤(1) 中，在转速为3000-5000rpm的混合机中搅拌5-10min，反应更加充分。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法中，步骤(1) 中，在100-135℃下对纳米填料干燥处理30-80min，使得纳米填料的孔径充分打开，比表面积增大，提高复合材料整体的耐摩擦性能。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法中，步骤(2) 中，混炼条件为在100-150℃、转速80-120rpm条件下混炼12-15分钟。
优选的，在上述一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法中，步骤(3) 中，对纳米复合材料前驱体进行干燥处理至水分含量小于0.1％，有助于改善产品的耐摩擦性能。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种高性能聚合物纳米复合材料，纳米填料在聚甲醛基质中占据主导地位，利用纳米填料对聚甲醛进行结构改性，有助于大分子结晶的成核过程，进而改善摩擦学特性；
另外，本发明采用转矩流变仪对复合材料进行混炼，使得材料复合材料具有极高的比表面积和高度的柔软性，可确保聚甲醛基体与其它物质之间构成更多的界面结合，使复合材料在破坏过程中消耗更多的能量，从而提高复合材料的韧性及抗裂纹扩展能力，且在干摩擦滑动与刚性摩擦副啮合的过程中发生塑性变形，提高复合材料的耐摩擦能力。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种能够充分改善聚合物复合材料耐磨损性能的聚合物纳米复合材料及其制备方法。
本发明提供了一种高性能聚合物纳米复合材料，按重量百分比计，所述复合材料包括聚甲醛70-95％、纳米填料0.8-15％、硅烷偶联剂2-5％和助剂 2-20％。
为了进一步优化上述技术方案，所述纳米填料为含有石墨的多晶硅和纳米氧化铝，并且纳米填料的粒径≤35μm。
为了进一步优化上述技术方案，所述助剂为润滑剂、稀土稳定剂和二异氰酸酯，并且润滑剂、稀土稳定剂和二异氰酸酯的质量百分比为1∶1.2-1.8∶ 0.8-1.1。
为了进一步优化上述技术方案，润滑剂为聚硅氧烷、氟代低聚物、含氟聚合物或者脂肪酸酰胺中的一种或者几种。
本发明还公开了一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，搅拌一段时间后，对纳米填料进行真空干燥处理；
(2)将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体；
(3)对纳米复合材料前驱体进行干燥处理，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(1)中，在转速为3000-5000rpm 的混合机中搅拌5-10min。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(1)中，在100-135℃下对纳米填料干燥处理30-80min。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(2)中，混炼条件为在100-150℃、转速80-120rpm条件下混炼12-15分钟。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(3)中，对纳米复合材料前驱体进行干燥处理至水分含量小于0.1％。
下面，将通过具体实施例对本发明所能达到的效果进行说明。
实施例1
称取95g聚甲醛、1g纳米填料、2g硅烷偶联剂和2g助剂，其中助剂包括1g聚硅氧烷、1.2g稀土稳定性和0.8g二异氰酸酯；将将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，其中乙醇为含量95％的工业乙醇，在转速为 3000-5000rpm的混合机中搅拌5-10min后，在100℃的烘干箱中对纳米填料进行真空干燥处理30-80min；
将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体，其中混炼条件为在 100-150℃、转速80-120rpm条件下混炼12-15分钟；对纳米复合材料前驱体进行干燥处理至水分含量小于0.1％，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
对取得的产品在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，结果测得该复合
材料的磨损率为0.7086×10-5mm3(N·m)-1，摩擦系数为0.48。
实施例2
称取80g聚甲醛、8g纳米填料、3g硅烷偶联剂和10g助剂，其中助剂包括3g聚硅氧烷、4.5g稀土稳定性和2.5g二异氰酸酯；将将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，其中乙醇为含量95％的工业乙醇，在转速为 3000-5000rpm的混合机中搅拌5-10min后，在100℃的烘干箱中对纳米填料进行真空干燥处理30-80min；
将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体，其中混炼条件为在 100-150℃、转速80-120rpm条件下混炼12-15分钟；对纳米复合材料前驱体进行干燥处理至水分含量小于0.1％，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
对取得的产品在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，结果测得该复合
材料的磨损率为0.6976×10-5mm3(N·m)-1，摩擦系数为0.50。
实施例3
称取70g聚甲醛、5g纳米填料、5g硅烷偶联剂和20g助剂，其中助剂包括5g聚硅氧烷、9g稀土稳定性和6g二异氰酸酯；将将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，其中乙醇为含量95％的工业乙醇，在转速为 3000-5000rpm的混合机中搅拌5-10min后，在100℃的烘干箱中对纳米填料进行真空干燥处理30-80min；
将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体，其中混炼条件为在 100-150℃、转速80-120rpm条件下混炼12-15分钟；对纳米复合材料前驱体进行干燥处理至水分含量小于0.1％，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
对取得的产品在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，结果测得该复合材料的磨损率为0.7263×10-5mm3(N·m)-1，摩擦系数为0.45。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种高性能聚合物纳米复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述复合材料包括聚甲醛70-95％、纳米填料0.8-15％、硅烷偶联剂2-5％和助剂2-20％。
2.根据权利要求1所述的一种高性能聚合物纳米复合材料，其特征在于，所述纳米填料为含有石墨的多晶硅和纳米氧化铝，并且纳米填料的粒径≤35μm。
3.根据权利要求1所述的一种高性能聚合物纳米复合材料，其特征在于，所述助剂为润滑剂、稀土稳定剂和二异氰酸酯，并且润滑剂、稀土稳定剂和二异氰酸酯的质量百分比为1∶1.2-1.8∶0.8-1.1。
4.根据权利要求3所述的一种高性能聚合物纳米复合材料，其特征在于，润滑剂为聚硅氧烷、氟代低聚物、含氟聚合物或者脂肪酸酰胺中的一种或者几种。
5.一种权利要求1-4任一项所述的高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米填料分散在硅烷偶联剂的乙醇溶液中，搅拌一段时间后，对纳米填料进行真空干燥处理；
(2)将表面涂有硅烷偶联剂的纳米填料、二异氰酸酯、润滑剂和稀土稳定剂加入到转矩流变仪中与聚甲醛混炼，得到纳米复合材料前驱体；
(3)对纳米复合材料前驱体进行干燥处理，然后转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
6.根据权利要求5所述的一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在转速为3000-5000rpm的混合机中搅拌5-10min。
7.根据权利要求5所述的一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在100-135℃下对纳米填料干燥处理30-80min。
8.根据权利要求5所述的一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，混炼条件为在100-150℃、转速80-120rpm条件下混炼12-15分钟。
9.根据权利要求5所述的一种高性能聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，对纳米复合材料前驱体进行干燥处理至水分含量小于0.1％。
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