CN110079083B - 用于连杆套筒的尼龙66复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，由PA66基础材料、碳纤维、界面相容剂、分散剂、扩链剂、炭黑、耐磨剂和添加剂等原料组分制成；获得的尼龙66复合材料比重轻，具有很强的设计性，不仅易于成型，而且成型后材质均匀，在润滑性、耐磨、耐冲击、耐高温、耐腐蚀、抗老化等各项性能方面均得到显著提高。此外，本发明提供的尼龙66复合材料的制备方法，明确原料混配顺序，尤其将碳纤维与特定的界面相容剂、相匹配的分散剂干混后，经单螺杆挤出机熔融挤出后再通过侧喂料料口进料，解决了因加入碳纤维易引起的表面出现毛刺、易撕裂分层等加工损伤，充分发挥碳纤维的性能优势，打破制备限制，从而保证尼龙66复合材料的高强度与高性能。

Description

用于连杆套筒的尼龙66复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，以及该尼龙66复合材料的制备方法。
背景技术
随着高分子技术的不断发展，高分子材料在耐磨性、耐冲击性、及可塑性等方面日益表现出极其显著的性能优势，而且在不同领域都逐渐发挥出金属材料不可实现的功效。连杆套筒是一种机械设备运行的常用部件，常见的连杆套筒主要材料为金属材料，如高强度黄铜、优质碳素钢等，然而随着汽车、航空、航天等工业的不断发展，金属材料制成的连杆套筒因耐磨性较差导致在使用过程中必须配合润滑系统来保证其正常运行。为弥补现有套筒材质的缺陷，人们尝试用高分子材料制备连杆套筒，但在材质性能、产品品质方面尚存在不足之处。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，该复合材料不仅具有很强的润滑性、耐磨、耐冲击、耐高温、耐腐蚀及抗老化等性能优势，而且材质均匀、具有良好的分散性，从而获得高质量、高性能的连杆套筒。
为实现上述目的，本发明提供的用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000011
Figure BDA0002074985370000021
所述界面相容剂采用由高流动性聚乙烯或聚丙烯作为载体树脂，以过氧化异并苯为引发剂，以丙烯酸单体或丙烯酸衍生物为接枝物，通过熔融接枝技术得到的相容剂；
所述分散剂采用硬脂酸盐或乙烯双硬脂酰胺；
所述扩链剂采用乙烯-马来酸酐交替共聚物或乙烯-马来酸酐接枝物；
各原料组分中所述PA66基础材料需与扩链剂、炭黑、耐磨剂、添加剂干混后加入到双螺杆挤出机的主喂料料仓，所述碳纤维需与界面相容剂、分散剂干混后经单螺杆挤出加入至双螺杆挤出机的侧喂料料口。
本发明的尼龙66复合材料，对原料组分进行复配优化，利用碳纤维增强材料的高强度、耐腐蚀和耐冲击性等性能优势的同时，在原料组分中使用特定扩链剂，有效促进尼龙基体树脂与碳纤维表面的直接链接，提高界面特性，再结合由特定载体树脂与接枝物经熔融接枝技术制成的界面相容剂和与之相匹配的分散剂，充分发挥相容剂可增大原料组分间粘接力的作用，以赋予PA66基础材料更高的粘度和分子量，从而有效地提高复合材料的机械性能，改善尼龙材料的高吸水性；进一步地，再通过限定原料混配顺序，不仅解决了碳纤维易出现的表面毛刺、易撕裂分层等加工损伤，还显著提高了尼龙66复合材料的强度和耐磨性能。在原料的混配过程中，将原料分两步混配，即将PA66基础材料通过主喂料料仓进料，并与扩链剂、炭黑、耐磨剂、添加剂等原料组分先干混后再进料，将碳纤维与界面相容剂、分散剂干混、熔融挤出后再加入至侧喂料料口，使组分间能够充分进行交联反应，形成更稳定的结构，从而使获得的尼龙66复合材料不仅具有很强的润滑性、耐磨、耐冲击、耐高温、耐腐蚀、抗老化等性能优势，还赋予了复合材料更高的使用性能，并且质轻、可塑性强，易于加工成型，从而使连杆套筒的质量和性能更优。
作为对上述技术方案的限定，按质量配比计，引发剂：接枝物：载体树脂的用量比为(0.1～2)：(1～5)：(93～98.9)；
作为对上述技术方案的限定，所述载体树脂的MI值不低于30g/10min。
作为对上述技术方案的限定，所述耐磨剂包括聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、芳纶中的至少一种；所述添加剂包括抗氧化剂、润滑剂中的至少一种。
作为对上述技术方案的限定，所述抗氧化剂包括抗氧剂1098、抗氧剂168中的至少一种；所述润滑剂包括润滑剂硬脂酸盐、聚乙烯蜡中的至少一种。
进一步限定制备相容剂组分配比，载体树脂的特性，添加剂的种类以及用量，从而使获得的尼龙66复合材料性能更佳。
同时，本发明还提供了一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、获取界面相容剂：由引发剂、载体树脂、接枝物通过熔融接枝技术制备相容剂；
b、将原料组分中的PA66基础材料、扩链剂、炭黑、耐磨剂和添加剂进行干料混合，制成预混料，将预混料加入到双螺杆挤出机主喂料料仓内；
c、将原料组分中的碳纤维、界面相容剂、分散剂进行干料混合，加入到单螺杆挤出机料斗内，将单螺杆挤出机的出料口连接至双螺杆挤出机的侧喂料料口；
d、经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到尼龙66复合材料。
本发明提供的用于连杆套筒的尼龙66复合材料，在制备过程中，原料的配合及混配顺序对于材料性能的优化具有极其重要的作用，通过采用特定的扩链剂、特定载体树脂和接枝物制备的界面相容剂与分散剂，同时限定混料方式，来保证原料组分间界面反应的顺利进行，进而得到高性能、高质量要求的尼龙66复合材料。
作为对上述技术方案的限定，步骤a所述相容剂的制备包括以下步骤：
将引发剂、载体树脂、接枝物进行干料混合后，加入到双螺杆挤出机，在反应温度为180～230℃、螺杆转速为100～1500rpm条件下反应1～5min后，熔融挤出得到界面相容剂。
作为对上述技术方案的限定，所述干料混合的混合速度为200～2000r/min，混合时间为1～10min。
作为对上述技术方案的限定，步骤c中单螺杆挤出机的反应温度为150～230℃，螺杆转速为50～500rpm，反应时间为1～10min。
作为对上述技术方案的限定，步骤d中双螺杆挤出机的反应温度为200～280℃，螺杆转速为50～1500rpm，反应时间为1～10min。
进一步限定，界面相容剂的制备条件、干料混合条件，以及单螺杆挤出机反应条件、双螺杆挤出机反应条件，以完善制备方法的同时，更有利于尼龙66复合材料的性能，从而更好地用于制备连杆套筒。
综上所述，采用本发明的技术方案，获得的尼龙66复合材料，通过在原料组分中加入碳纤维，及与之适配的特定扩链剂、界面相容剂和分散剂，采用分两步共混再熔融的工艺，并限定原料混配组合方式，不仅避免了碳纤维易出现表面毛刺、易撕裂分层等加工损伤，还显著提高了复合材料的比强度、耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗老化等性能优势，并赋予了复合材料高性能的质量。本发明提供的尼龙66复合材料的制备方法，通过将原料分开混配再利用熔融技术，并进一步限定干混与熔融的反应条件，来保证反应顺利进行，从而获得强度和性能优异的尼龙66复合材料；此外，该制备方法工艺简单，操作便捷，能够实现低成本、该质量产品的大批量工业化生产，具有显著的经济效益。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明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。
实施例一
本实施例涉及一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料及其制备方法。
实施例1.1
一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000051
其中界面相容剂是将0.5g的过氧化异并苯、1.0g的丙烯酸单体和98.5g的聚乙烯通过熔融接枝技术制备而成，且聚乙烯的MI值为35g/10min。
用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备按以下步骤进行：
a、获取界面相容剂：将过氧化异并苯、聚乙烯和丙烯酸单体进行干料混合(混合速度为300r/min，混合时间为3min)后，加入到双螺杆挤出机，在反应温度为180～230℃、螺杆转速为500rpm条件下反应2.5min后，熔融挤出得到界面相容剂；
b、将原料组分中的PA66基础材料、扩链剂、炭黑、聚四氟乙烯、抗氧化剂和润滑剂进行干料混合(混合速度为600r/min，混合时间为3min)，制成预混料，将预混料加入到双螺杆挤出机主喂料料仓内；
c、将原料组分中的碳纤维、界面相容剂、分散剂进行干料混合后，加入到单螺杆挤出机料斗内熔融挤出，同时将单螺杆挤出机的出料口连接至双螺杆挤出机的侧喂料料口；其中单螺杆挤出机的反应温度为150～230℃、螺杆转速为300rpm，反应时间为2min；
d、经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到PA66复合材料；
其中双螺杆挤出机的反应温度为200～280℃，螺杆转速为800rpm，反应时间为4min。
实施例1.2
一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000061
其中界面相容剂是将0.5g的过氧化异并苯、2.0g的丙烯酸衍生物和97.5g的聚丙烯通过熔融接枝技术制备而成，且聚丙烯的MI值为45g/10min。
用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备按以下步骤进行：
a、获取界面相容剂：将过氧化异并苯、聚丙烯和丙烯酸衍生物进行干料混合(混合速度为800r/min，混合时间为4min)后，加入到双螺杆挤出机，在反应温度为180～230℃、螺杆转速为700rpm条件下反应2min后，熔融挤出得到界面相容剂；
b、将原料组分中的PA66基础材料、扩链剂、炭黑、二硫化钼、抗氧化剂和润滑剂进行干料混合(混合速度为600r/min，混合时间为3min)，制成预混料，将预混料加入到双螺杆挤出机主喂料料仓内；
c、将原料组分中的碳纤维、界面相容剂、分散剂进行干料混合后，加入到单螺杆挤出机料斗内熔融挤出，同时将单螺杆挤出机的出料口连接至双螺杆挤出机的侧喂料料口；其中单螺杆挤出机的反应温度为150～230℃、螺杆转速为650rpm，反应时间为5min；
d、经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到PA66复合材料；
其中双螺杆挤出机的反应温度为230～280℃，螺杆转速为900rpm，反应时间为3.5min。
实施例1.3
一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000071
其中界面相容剂是将0.8g的过氧化异并苯、1.2g的丙烯酸单体和98g的聚丙烯通过熔融接枝技术制备而成，且聚丙烯的MI值为40g/10min。
用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备按以下步骤进行：
a、获取界面相容剂：将过氧化异并苯、聚丙烯和丙烯酸单体进行干料混合(混合速度为800r/min，混合时间为3min)后，加入到双螺杆挤出机，在反应温度为180～230℃、螺杆转速为600rpm条件下反应2.2min，熔融挤出得到界面相容剂；
b、将原料组分中的PA66基础材料、扩链剂、炭黑、石墨、抗氧化剂和润滑剂进行干料混合(混合速度为500r/min，混合时间为3.5min)，制成预混料，将预混料加入到双螺杆挤出机主喂料料仓内；
c、将原料组分中的碳纤维、界面相容剂、分散剂进行干料混合后，加入到单螺杆挤出机料斗内熔融挤出，同时将单螺杆挤出机的出料口连接至双螺杆挤出机的侧喂料料口；其中单螺杆挤出机的反应温度为150～230℃、螺杆转速为600rpm，反应时间为3min；
d、经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到PA66复合材料；
其中双螺杆挤出机的反应温度为210～280℃，螺杆转速为700rpm，反应时间为4.5min。
实施例二
将实施例1.1～1.3制备的尼龙66复合材料进行性能测试，测试结果如下表所示：
Figure BDA0002074985370000081
Figure BDA0002074985370000091
由上表可见，本发明的尼龙66复合材料具有很大的设计自由度，易于成型，并成型后材质均匀，不易出现加工损伤，从而赋予本发明的尼龙66复合材料具有比强度、耐冲击性、耐疲劳性、耐腐蚀性等性能优势，极大地提高了尼龙66复合材料的使用质量。
对比例一
本对比例涉及相容剂对尼龙66复合材料的影响。
对比例1.1
一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000092
Figure BDA0002074985370000101
上述原料组分采用与实施例1.1相同的制备方法制备尼龙66复合材料。
对比例1.2
用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000102
其中相容剂是将0.5g的过氧化异并苯、1.0g的马来酸酐单体和98.5g的POE通过熔融接枝技术制备而成；将上述原料组分采用与实施例1.1相同的制备方法制备尼龙66复合材料。
对比例1.3
一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，包括以下质量份原料组分：
Figure BDA0002074985370000103
Figure BDA0002074985370000111
将上述原料组分采用与实施例1.1相同的制备方法制备尼龙66复合材料，不同之处在于不加入相容剂。
对比例二
本对比例涉及原料组分不同混料顺序对尼龙66复合材料的影响。
对比例2.1
用于连杆套筒的尼龙66复合材料，采用与实施例1.1相同的原料组分，其制备方法是将除碳纤维外的其他组分进行混合，将混合后的物料加入到双螺杆挤出机主喂料料仓内，再将碳纤维加入到双螺杆挤出机的侧喂料料口内，最后经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到尼龙PA66复合材料。
对比例2.2
用于连杆套筒的尼龙66复合材料，采用与实施例1.1相同的原料组分，其制备方法将原料组分PA66基础材料、碳纤维、界面相容剂、分散剂、扩链剂、炭黑、聚四氟乙烯、抗氧化剂和润滑剂进行干料混合后，加入到双螺杆挤出机，经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到PA66复合材料。
将对比例一、对比例二获得的尼龙66复合材料进行性能测试，测试结果如下表所示：
Figure BDA0002074985370000112
Figure BDA0002074985370000121
对比实施例与对比例一、二的结果，可见本发明的尼龙66复合材料，通过在原料组分中加入碳纤维，及与之适配的特定扩链剂、界面相容剂和分散剂，并采用分步原料混配方式再结合熔融的工艺，使获得的尼龙66复合材料具有极其优异的强度和耐磨性能优势，同时该尼龙66复合材料质轻，易于成型，并且成型后表面光滑、无流纹，便于用来制备连杆套筒。

Claims (10)

1.一种用于连杆套筒的尼龙66复合材料，其特征在于，包括以下质量份原料组分：
粘度在2.2~2.6的注射级PA66基础材料 40~70份；
短切碳纤维 30~60份；
界面相容剂 1~15份；
分散剂 0.1~10份；
扩链剂 0.1~5份；
炭黑 0.1~0.5份；
耐磨剂 5~15份；
添加剂 1.0~10份；
所述界面相容剂采用由高流动性聚乙烯或聚丙烯作为载体树脂，以过氧化异并苯为引发剂，以丙烯酸单体或丙烯酸衍生物为接枝物，通过熔融接枝技术得到的界面相容剂；
所述分散剂采用硬脂酸盐或乙烯双硬脂酰胺；
所述扩链剂采用乙烯-马来酸酐交替共聚物或乙烯-马来酸酐接枝物；
各原料组分中所述PA66基础材料需与扩链剂、炭黑、耐磨剂、添加剂干混后加入到双螺杆挤出机的主喂料料仓，所述碳纤维需与界面相容剂、分散剂干混后经单螺杆挤出加入至双螺杆挤出机的侧喂料料口。
2.根据权利要求1所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料，其特征在于：按质量配比计，引发剂：接枝物：载体树脂的用量比为（0.1~2）：(1~5)：(93~98.9)。
3.根据权利要求1所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料，其特征在于：所述载体树脂的MI值不低于30g/10min。
4.根据权利要求1所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料，其特征在于：所述耐磨剂包括聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、芳纶中的至少一种，所述添加剂包括抗氧化剂、润滑剂中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料，其特征在于：所述抗氧化剂包括抗氧剂1098、抗氧剂168中的至少一种；所述润滑剂包括润滑剂硬脂酸盐、聚乙烯蜡中的至少一种。
6.一种如权利要求1~5中任一项所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
a、获取界面相容剂：由引发剂、载体树脂、接枝物通过熔融接枝技术制备界面相容剂；
b、将原料组分中的PA66基础材料、扩链剂、炭黑、耐磨剂和添加剂进行干料混合，制成预混料，将预混料加入到双螺杆挤出机主喂料料仓内；
c、将原料组分中的碳纤维、界面相容剂、分散剂进行干料混合，加入到单螺杆挤出机料斗内，将单螺杆挤出机的出料口连接至双螺杆挤出机的侧喂料料口；
d、经过双螺杆挤出机的挤出、拉条、冷却、切粒，得到尼龙66复合材料。
7.根据权利要求6所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a所述界面相容剂的制备包括以下步骤：
将引发剂、载体树脂、接枝物进行干料混合后，加入到双螺杆挤出机，在反应温度为180~230℃、螺杆转速为100~1500rpm条件下反应1~5min后，熔融挤出得到界面相容剂。
8.根据权利要求6或7所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：所述干料混合的混合速度为200~2000r/min，混合时间为1~10min。
9.根据权利要求6所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：步骤c中单螺杆挤出机的反应温度为150~230℃，螺杆转速为50~500rpm，反应时间为1~10min。
10.根据权利要求6所述的用于连杆套筒的尼龙66复合材料的制备方法，其特征在于：步骤d中双螺杆挤出机的反应温度为200~280℃，螺杆转速为50~1500rpm，反应时间为1~10min。
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