CN109912923A - 一种耐磨聚甲醛材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨聚甲醛材料及其制备方法，其所含各成份及其质量份数分别为：聚甲醛100份、主减摩剂5～20份、辅减摩剂5～10份、耐磨剂10～20份、相容剂1～3份、抗氧剂0.2～0.4份、润滑剂0.5～1份和吸醛剂0.5～1份。制备时，将经干燥预处理的聚甲醛、辅减摩剂和耐磨剂依次加入高速混合机中混合，再分两次加入经干燥预处理的主减摩剂均匀混合，最后依次加入相容剂、润滑剂、抗氧剂和吸醛剂共混后，通过双螺杆挤出机下料口进行挤出造粒。本发明聚甲醛材料在使用过程中具有优异的自润滑性和耐磨性，特别适用于制作更高耐磨要求和苛刻使用工况的零部件，如齿轮、轴承、保持架、垫片、轴承座等。
Description
技术领域
本发明涉及到一种塑料材料及其制备方法，具体地说是一种耐磨聚甲醛材料及其制备方法。
背景技术
聚甲醛（POM，polyoxymethylene）是一种分子链具有线型结构的工程塑料，在国内外有“赛刚”、“夺刚”之称。聚甲醛所具有的高刚性、高强度和一定的自润滑性使其在汽车、工业机械、电子电器等领域具有较为广泛的应用。但是，未改性的纯聚甲醛摩擦系数较大、耐磨性能偏低，在高精度要求的应用领域及苛刻的应用工况下，产品磨损现象严重，使用寿命短。
目前，针对聚甲醛摩擦性能改性的主要技术手段为添加耐磨改性剂，如聚四氟乙烯（PTFE）、石墨、硅油等，公开号为CN107629213A、CN107011622A、CN102161812B、CN105219016A的发明专利（发明专利申请）分别公开了采用单一的耐磨改性剂对聚甲醛进行摩擦性能改性的技术方法，但这些方法仍然存在耐磨性能不足、产品使用寿命短，以及PTFE等耐磨改性剂在聚甲醛基体树脂中分散性差，导致摩擦性能不稳定、产品质量波动大等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提出一种耐磨聚甲醛材料及其制备方法，它使用复配式摩擦体系，制得的聚甲醛材料在使用过程中具有突出的自润滑性和耐磨性能。
为解决上述技术问题，本发明一种耐磨聚甲醛材料中所含各成份及其质量份数分别为：聚甲醛100份、主减摩剂5～20份、辅减摩剂5～10份、耐磨剂10～20份、相容剂1～3份、抗氧剂0.2～0.4份、润滑剂0.5～1份和吸醛剂0.5～1份。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述聚甲醛为共聚甲醛或均聚甲醛，熔体流动速率为8～12 g/10min。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述主减摩剂为聚四氟乙烯，粒径为10-20μm，重均分子量范围为50～100万。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述辅减摩剂为聚烯烃类聚合物，具体为HDPE或LDPE，熔体流动速率为8～10g/10min。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述耐磨剂为纤维，具体为芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维、UHMWPE纤维中的一种或两种以上（含两种）的混合物。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述相容剂为聚烯烃接枝马来酸酐，具体为HDPE-g-MAH或LDPE-g-MAH。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述抗氧剂为主抗氧剂和辅抗氧剂的组合物，组合质量比例为1:1，所述主抗氧剂为抗氧剂245（二缩三乙二醇双[β-（3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基）丙酸酯]），所述辅抗氧剂为抗氧剂626（双（2,4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯）。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、乙撑双硬脂酰胺、聚氧化乙烯中的一种或两种以上（含两种）的混合物。
上述一种耐磨聚甲醛材料，所述吸醛剂为三聚氰胺或双氰胺。
一种耐磨聚甲醛材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）预处理：将聚甲醛、主减摩剂、辅减摩剂、耐磨剂分别于60～80℃鼓风干燥箱中干燥3～4小时；
（2）混合：将经预处理的所述聚甲醛、经预处理的所述辅减摩剂和经预处理的所述耐磨剂依次加入高速混合机中，常温下混合3min；再分两次加入经预处理的所述主减摩剂，常温下均匀混合2min；最后依次加入相容剂和加工助剂（包括润滑剂、抗氧剂、吸醛剂），共混3～5min，转速300～1200rpm；
（3）挤出造粒：将上述步骤（2）中混合好的物料加入双螺杆挤出机下料口进行挤出造粒，其中双螺杆挤出机各区温度范围为140～200℃，挤出速度为500～800rpm。
一种耐磨聚甲醛材料的应用，将上述聚甲醛材料用于制作更高耐磨要求和苛刻使用工况的零部件，如齿轮、轴承、保持架、垫片、轴承座等。
本发明由于采用了上述技术方案，聚甲醛材料使用了包含主减摩剂、辅减摩剂和耐磨剂的复配式摩擦体系，具有以下优点：（1）主减摩剂为PTFE，适量PTFE的添加使材料具有更低的摩擦系数，摩擦运动过程中接触面形成PTFE滑动膜，对摩擦面起到突出的减摩、润滑效果。（2）辅减摩剂为聚烯烃类聚合物（HDPE或LDPE），在改善PTFE在基材中的流动性与分散性的同时，也具备较低的摩擦系数，有利于材料减摩。（3）耐磨剂为玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、UHMWPE纤维等，纤维的添加有利于运动过程中聚甲醛材料表面形成的PTFE滑动膜在摩擦表面的长期附着，使基材具有更好的润滑性，保护PTFE滑动膜不易被消耗，使用寿命延长；同时纤维的强度对材料结构起到支撑作用，使聚甲醛材料具备相应使用强度。本发明的聚甲醛材料在使用过程中具有优异的自润滑性和耐磨性。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。本发明各实施方式中所涉及的主要测试标准及方法为GB/T 3960-2016 《塑料 滑动摩擦磨损试验方法》。
实施例1
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
制备步骤如下：1、预处理：将聚甲醛（共聚POM，型号CM90, 熔体流动速率9g/10min，云南云天化生产）、PTFE（型号F5A EX，粒径12μm，Solvay生产）、LDPE（型号4010，熔体流动速率10g/10min，美国陶氏生产）、芳纶纤维（型号Twaron短切，帝人生产）分别于80℃鼓风干燥箱中干燥3小时；2、混合：将经预处理的上述聚甲醛、LDPE、芳纶纤维置于高速混合机中，常温下混合3min，再分两次加入经预处理的上述PTFE，常温下混合2min，转速400rpm，最后依次放入相容剂HDPE-g-MAH（市售）和加工助剂（润滑剂硬脂酸、抗氧剂245和抗氧剂626、吸醛剂三聚氰胺，均为市售），常温下混合3min，转速800rpm；3、挤出造粒：将上述混合好的物料加入双螺杆挤出机下料口进行挤出造粒，其中双螺杆挤出机各区温度范围为150～195℃，挤出速度为600rpm。所得的粒料置于80℃的烘箱中干燥3小时，使用注塑成型机制备摩擦磨损性能测试样条。测试值见表1。
实施例2
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（ECS11-4.5-500） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例2的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，耐磨剂为玻璃纤维（型号ECS11-4.5-500，巨石集团生产）。
实施例3
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（HDPE8262B） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例3的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，辅减摩剂为HDPE（型号8262B，熔体流动速率8g/10min，美国陶氏生产）。
实施例4
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（HDPE8262B） 5份
耐磨剂（ECS11-4.5-500） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例4的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。
实施例5
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 5份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例5的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。
实施例6
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 10份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例6的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。
实施例7
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 10份
耐磨剂（Twaron 短切） 20份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例7的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。
实施例8
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（900P） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例8的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，聚甲醛采用美国陶氏生产的产品，共聚POM，型号900P，熔体流动速率20g/10min。
实施例9
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（4010） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例9的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，聚甲醛采用日本旭化成生产的产品，均聚POM，型号4010，熔体流动速率10g/10min。
实施例10
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4206） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例10的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，辅减摩剂为LDPE（型号4206，熔体流动速率2.5g/10min，美国陶氏生产）。
实施例11
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例11的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，主减摩剂为PTFE（型号F5A，粒径4μm，Solvay生产）。
实施例12
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（LDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例12的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，相容剂为LDPE-g-MAH，市售。
实施例13
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（双氰胺） 1份
实施例13的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，吸醛剂为双氰胺，市售。
实施例14
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸锌） 0.5份
润滑剂（聚氧化乙烯） 0.5份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例14的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。其中，润滑剂为硬脂酸锌和聚氧化乙烯的混合物，均为市售。
实施例15
一种耐磨聚甲醛材料，所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主减摩剂（F5A EX） 20份
辅减摩剂（LDPE4010） 5份
耐磨剂（Twaron 短切） 5份
耐磨剂（ECS11-4.5-500） 5份
相容剂（HDPE-g-MAH） 1份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
实施例15的耐磨聚甲醛材料的制备方式与实施例1相同。
为进一步说明本发明部分技术特征的有益效果，进行了三个对比例，具体为对比例1、对比例2和对比例3。
对比例1
所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
对比例2
所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
减摩剂（F5A EX） 20份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
对比例3
所含各成份及其质量份数如下：
聚甲醛（CM90） 100份
减摩剂（F5A EX） 20份
耐磨剂（Twaron 短切） 10份
主抗氧剂（抗氧剂245） 0.2份
辅抗氧剂（抗氧剂626） 0.2份
润滑剂（硬脂酸） 1份
吸醛剂（三聚氰胺） 1份
对比例1、对比例2、对比例3中材料的制备方式与实施例1相同。
通过对比例、实施例的测试数据发现，本发明中的复配式摩擦体系（主减摩剂、辅减摩剂、耐磨剂）对聚甲醛的摩擦磨损性能有显著的提升，聚甲醛材料达到自润滑、耐磨损要求，特别适用于制作需要更高摩擦要求及苛刻使用环境的零部件，如齿轮、轴承、保持架、垫片、轴承座等。
表1
Claims (10)
1.一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所含各成份及其质量份数分别为：聚甲醛100份、主减摩剂5～20份、辅减摩剂5～10份、耐磨剂10～20份、相容剂1～3份、抗氧剂0.2～0.4份、润滑剂0.5～1份和吸醛剂0.5～1份。
2.如权利要求1所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述聚甲醛为共聚甲醛或均聚甲醛，熔体流动速率为8～12 g/10min。
3.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述主减摩剂为聚四氟乙烯，粒径为10-20μm，重均分子量范围为50～100万。
4.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述辅减摩剂为聚烯烃类聚合物HDPE或LDPE，熔体流动速率为8～10g/10min。
5.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述耐磨剂为芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维、UHMWPE纤维中的一种或两种以上的混合物。
6.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述相容剂为聚烯烃接枝马来酸酐HDPE-g-MAH或LDPE-g-MAH。
7.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述抗氧剂为主抗氧剂和辅抗氧剂的组合物，组合质量比例为1:1，所述主抗氧剂为抗氧剂245，所述辅抗氧剂为抗氧剂626。
8.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、乙撑双硬脂酰胺、聚氧化乙烯中的一种或两种以上的混合物。
9.如权利要求1或2所述的一种耐磨聚甲醛材料，其特征在于，所述吸醛剂为三聚氰胺或双氰胺。
10.一种耐磨聚甲醛材料的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：
（1）预处理：将聚甲醛、主减摩剂、辅减摩剂、耐磨剂分别于60～80℃鼓风干燥箱中干燥3～4小时；
（2）混合：将经预处理的所述聚甲醛、经预处理的所述辅减摩剂和经预处理的所述耐磨剂依次加入高速混合机中，常温下混合3min；再分两次加入经预处理的所述主减摩剂，常温下均匀混合2min；最后依次加入相容剂、润滑剂、抗氧剂和吸醛剂，共混3～5min，转速300～1200rpm；
（3）挤出造粒：将上述步骤（2）中混合好的物料加入双螺杆挤出机下料口进行挤出造粒，其中双螺杆挤出机各区温度范围为140～200℃，挤出速度为500～800rpm。
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