CN110283455A - 一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 30％～40％、聚邻苯二甲酰胺树脂15％～25％、长玻璃纤维10％～20％、聚碳酸酯5％～10％、无机填料5％～15％、改性海泡石3％～7％、相容剂1％～5％、润滑剂0.5％～1.5％、抗冲改性剂0.5％～2.5％和阻燃剂0.5％～3.5％。本发明还公开了一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法。该玻纤增强尼龙复合材料具有较优良的机械力学性能、耐冲击性和阻燃性，在高温高湿环境下仍能保持较高的机械强度，确保了尺寸稳定性，同时其可加工性好，不易出现表面粗糙及翘曲现象，满足较高的使用需求，可以广泛应用于工程塑料领域。

Description

一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于工程塑料技术领域，特别涉及一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料。
背景技术
随着能耗和制造成本的要求越来越高，传统机械零部件所采用的金属材料越来越难以适应要求。工程塑料作为构造和机械零部件用的高性能塑料，具有质量轻、制造成本低、容易润滑、噪声低、耐腐蚀、化学性质稳定、减震、制造工艺简单、可设计性强等优点，因此被广泛关注，并成功应用于医疗器械、半导体设备、电子设备、汽车工业等领域。
聚酰胺(PA)俗称尼龙，含有极性的酰胺基团，能够形成氢键。尼龙树脂具有优异的机械性能、耐热性、电绝缘性等，在工业中应用广泛。但同时尼龙也具有尺寸稳定性差、高吸水性等缺点，其耐高温，但不耐湿，在高温高湿环境下力学性能损失较为明显，在某些对机械性能要求很高的应用领域，其无法满足其性能要求。
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石七种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料。但是玻璃纤维在加工过程中，常会出现浮纤问题，不仅影响制品的外观品质，使用过程中的磨损也会在一定程度上影响产品的性能。
现有的玻纤增强尼龙复合材料在加工过程中的浮纤问题仍旧没有得到很好的改善，使得制品的表面出现不良和翘曲。另外，现有的玻纤增强尼龙复合材料在高温高湿环境下的机械性能也不能达到使用要求，从而限制了复合材料的应用领域。除以上问题之外，玻纤增强尼龙复合材料应用于工程塑料，还需改善其阻燃性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料及其制备方法，该玻纤增强尼龙复合材料具有较优良的机械力学性能、耐冲击性和阻燃性，在高温高湿环境下仍能保持较高的机械强度，确保了尺寸稳定性，同时其可加工性好，不易出现表面粗糙及翘曲现象，满足较高的使用需求，可以广泛应用于工程塑料领域。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 30％～40％、聚邻苯二甲酰胺树脂15％～25％、长玻璃纤维10％～20％、聚碳酸酯5％～10％、无机填料5％～15％、改性海泡石3％～ 7％、相容剂1％～5％、润滑剂0.5％～1.5％、抗冲改性剂0.5％～2.5％和阻燃剂0.5％～3.5％。
优选的，所述玻璃纤维为经过硅烷偶联剂处理的无碱玻璃纤维。
优选的，所述无机填料无机填料选自滑石粉、碳酸钙、无水氯化钙、氧化镁、硅灰石、云母粉或硅藻土中的一种或一种以上。
优选的，所述改性海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石。
优选的，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶、丙烯酸缩水甘油酯中的一种。
优选的，所述润滑剂为硅树脂润滑剂。
优选的，所述抗冲改性剂为丙烯酸酯类改性剂，该丙烯酸酯类改性剂是以丙烯酸酯类共聚物为核，以接枝的甲基丙烯酸酯类共聚物为壳的核壳结构改性剂。
优选的，所述阻燃剂为磷酸酯类阻燃剂。
本发明还提供了一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，该制备方法所使用的加工设备包括高速混合机、双螺杆挤出机，该制备方法具体包括以下步骤：
(1)按照质量配比称取尼龙66、聚邻苯二甲酰胺树脂、聚碳酸酯、无机填料、改性海泡石、相容剂、润滑剂、抗冲改性剂和阻燃剂，加入到高速混合机中，充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入双螺杆挤出机的主喂料口，将按质量配比称取的经表面处理过的长玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，进行熔融混练，混练结束后，通过双螺杆挤出机挤出混合熔体，再经冷却、风干、切粒、干燥后即得玻纤增强尼龙复合材料。
优选的，所述双螺杆挤出机分为七区，一区温度为200-210℃，二区温度为210-220℃，三区温度为220-230℃，四区温度为230-245℃，五区温度为220-235℃，六区温度为210-225℃，七区温度为200-215℃。
本发明的有益效果是：
(1)经表面处理的玻璃纤维在表面处理剂的作用下可以与尼龙树脂之间形成较为牢固的界面粘结，从而对尼龙树脂起到较好的增强效果，显著提高了尼龙塑料的力学性能和抗冲击性；而且，本发明采用的玻璃纤维为长玻璃纤维，长玻纤相比于短玻纤具有更佳的增强效果，这是由于长玻纤在复合材料中是相互交织在一起的无序排列，且因为玻纤长度的增加，使得玻纤与尼龙的界面面积增大，玻纤从基体中抽出的阻力增大，从而提高了承受拉伸载荷的能力，提高了复合材料的机械力学性能；
(2)本发明中的无机填料可以进一步提高复合材料的强度和尺寸稳定性；
(3)本发明中的相容剂可以改善长玻纤与尼龙之间的相容性，使两者可以更好的结合在一起；本发明中的润滑剂可以提高长玻璃纤维在尼龙树脂基体中的分散均匀性，增加界面粘结强度，减少长玻纤与尼龙树脂之间的分离，改善玻纤外露的现象；
(4)本发明中的聚碳酸酯与相容剂以及抗冲改性剂配合，起到协同作用，可以对尼龙树脂有成核剂的作用，使结晶温度升高，大大减缓尼龙树脂的结晶动力学过程和降低结晶度，从而降低尼龙树脂基体的收缩率，进而极大的改善了长玻璃纤维的浮纤现象，提高了材料的表面质量；
(5)本发明采用聚邻苯二甲酰胺(PPA)代替部分PA66的用量，则在高温高湿环境下复合材料的力学性能损失明显减少，使得复合材料在高温高湿环境下仍能保持较高的机械强度，确保了尺寸稳定性；
(6)本发明中的改性海泡石可以作为耐热稳定剂，本发明借助海泡石的吸附能力及结构稳定性，在湿热环境下，使其发挥作用，减弱活跃的水分子对PA66分子链以及玻璃纤维界面的影响，进一步提高复合材料耐湿热老化的能力，降低湿热环境下的强度损失。
(7)本发明中添加的阻燃剂为磷酸酯阻燃剂，可以很好的提高复合材料的阻燃性能，拓宽复合材料的应用范围。
(8)本发明通过双螺杆挤出机的熔融挤出方法制备该玻纤增强尼龙复合材料，其制备工艺简单，生产成本低，生产效率高，适于产业化生产。
附图说明
图1为实施例1-3以及对比例的复合材料拉伸强度随湿热老化时间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 30％、聚邻苯二甲酰胺树脂25％、长玻璃纤维15％、聚碳酸酯10％、无机填料5％、改性海泡石5％、相容剂2.5％、润滑剂1.5％、抗冲改性剂2.5％和阻燃剂3.5％。
其中，玻璃纤维为经过硅烷偶联剂处理的无碱玻璃纤维；无机填料为滑石粉；改性海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石；相容剂为马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物；润滑剂为硅树脂润滑剂；抗冲改性剂为丙烯酸酯类改性剂，该丙烯酸酯类改性剂是以丙烯酸酯类共聚物为核，以接枝的甲基丙烯酸酯类共聚物为壳的核壳结构改性剂；阻燃剂为磷酸酯类阻燃剂。
上述耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量配比称取尼龙66、聚邻苯二甲酰胺树脂、聚碳酸酯、无机填料、改性海泡石、相容剂、润滑剂、抗冲改性剂和阻燃剂，加入到高速混合机中，充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入双螺杆挤出机的主喂料口，将按质量配比称取的经表面处理过的长玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，进行熔融混练，混练结束后，通过双螺杆挤出机挤出混合熔体，再经冷却、风干、切粒、干燥后即得玻纤增强尼龙复合材料。
其中，双螺杆挤出机分为七区，一区温度为210℃，二区温度为220℃，三区温度为230℃，四区温度为245℃，五区温度为235℃，六区温度为225℃，七区温度为215℃。
实施例2
一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 35％、聚邻苯二甲酰胺树脂20％、长玻璃纤维20％、聚碳酸酯5％、无机填料10％、改性海泡石7％、相容剂1％、润滑剂1％、抗冲改性剂0.5％和阻燃剂0.5％。
其中，玻璃纤维为经过硅烷偶联剂处理的无碱玻璃纤维；无机填料为云母粉；改性海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石；相容剂为马来酸酐接枝三元乙丙橡胶；润滑剂为硅树脂润滑剂；抗冲改性剂为丙烯酸酯类改性剂，该丙烯酸酯类改性剂是以丙烯酸酯类共聚物为核，以接枝的甲基丙烯酸酯类共聚物为壳的核壳结构改性剂；阻燃剂为磷酸酯类阻燃剂。
上述耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量配比称取尼龙66、聚邻苯二甲酰胺树脂、聚碳酸酯、无机填料、改性海泡石、相容剂、润滑剂、抗冲改性剂和阻燃剂，加入到高速混合机中，充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入双螺杆挤出机的主喂料口，将按质量配比称取的经表面处理过的长玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，进行熔融混练，混练结束后，通过双螺杆挤出机挤出混合熔体，再经冷却、风干、切粒、干燥后即得玻纤增强尼龙复合材料。
其中，双螺杆挤出机分为七区，一区温度为200℃，二区温度为210℃，三区温度为220℃，四区温度为230℃，五区温度为220℃，六区温度为 210℃，七区温度为200℃。
实施例3
一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 40％、聚邻苯二甲酰胺树脂15％、长玻璃纤维10％、聚碳酸酯8％、无机填料15％、改性海泡石3％、相容剂5％、润滑剂0.5％、抗冲改性剂1.5％和阻燃剂2％。
其中，玻璃纤维为经过硅烷偶联剂处理的无碱玻璃纤维；无机填料为硅藻土；改性海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石；相容剂为丙烯酸缩水甘油酯；润滑剂为硅树脂润滑剂；抗冲改性剂为丙烯酸酯类改性剂，该丙烯酸酯类改性剂是以丙烯酸酯类共聚物为核，以接枝的甲基丙烯酸酯类共聚物为壳的核壳结构改性剂；阻燃剂为磷酸酯类阻燃剂。
上述耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量配比称取尼龙66、聚邻苯二甲酰胺树脂、聚碳酸酯、无机填料、改性海泡石、相容剂、润滑剂、抗冲改性剂和阻燃剂，加入到高速混合机中，充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入双螺杆挤出机的主喂料口，将按质量配比称取的经表面处理过的长玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，进行熔融混练，混练结束后，通过双螺杆挤出机挤出混合熔体，再经冷却、风干、切粒、干燥后即得玻纤增强尼龙复合材料。
其中，双螺杆挤出机分为七区，一区温度为210℃，二区温度为220℃，三区温度为230℃，四区温度为245℃，五区温度为235℃，六区温度为225℃，七区温度为215℃。
对比例
一种玻纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙6650％、短玻璃纤维30％、无机填料15％、相容剂2.5％、润滑剂2％和阻燃剂0.5％。
该玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量配比称取尼龙66、无机填料、相容剂和润滑剂，加入到高速混合机中，充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入双螺杆挤出机的主喂料口，将按质量配比称取的经表面处理过的短玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，进行熔融混练，混练结束后，通过双螺杆挤出机挤出混合熔体，再经冷却、风干、切粒、干燥后即得玻纤增强尼龙复合材料。
其中，双螺杆挤出机分为七区，一区温度为210℃，二区温度为220℃，三区温度为230℃，四区温度为245℃，五区温度为235℃，六区温度为225℃，七区温度为215℃。
性能测试
将实施例1～3和对比例所制备的玻纤增强尼龙复合材料进行注塑成型，并分别按照标准对其性能进行测试，性能测试结果见表1。
表1玻纤增强尼龙复合材料的性能测试结果
由表1可知，本发明的玻纤增强尼龙复合材料相比于对比例的复合材料具有较优良的力学性能、耐冲击性能、热稳定性和阻燃性，可以满足较高的使用需求，可以广泛应用于工程塑料领域。
另外，将实施例1-3和对比例的复合材料在温度为80℃，相对湿度为85％的条件下进行湿热老化，并检测其过程中的拉伸强度，得到复合材料拉伸强度随湿热老化时间的变化曲线，如图1所示。从图1可知，经过长时间湿热老化后，实施例1-3的复合材料的拉伸强度保留率明显高于对比例的复合材料的拉伸强度保留率，即经过长时间老化后，实施例1-3的拉伸强度损失率明显低于对比例的拉伸强度损失率，表明本发明实施例1-3的复合材料具有较好的耐湿热特性，在湿热环境下可以保持较高的机械强度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 30％～40％、聚邻苯二甲酰胺树脂15％～25％、长玻璃纤维10％～20％、聚碳酸酯5％～10％、无机填料5％～15％、改性海泡石3％～7％、相容剂1％～5％、润滑剂0.5％～1.5％、抗冲改性剂0.5％～2.5％和阻燃剂0.5％～3.5％。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维为经过硅烷偶联剂处理的无碱玻璃纤维。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述无机填料选自滑石粉、碳酸钙、无水氯化钙、氧化镁、硅灰石、云母粉或硅藻土中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述改性海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶、丙烯酸缩水甘油酯中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述润滑剂为硅树脂润滑剂。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述抗冲改性剂为丙烯酸酯类改性剂，该丙烯酸酯类改性剂是以丙烯酸酯类共聚物为核，以接枝的甲基丙烯酸酯类共聚物为壳的核壳结构改性剂。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述阻燃剂为磷酸酯类阻燃剂。
9.如权利要求1至8任一项所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于,该制备方法所使用的加工设备包括高速混合机、双螺杆挤出机，该制备方法具体包括以下步骤：
(1)按照质量配比称取尼龙66、聚邻苯二甲酰胺树脂、聚碳酸酯、无机填料、改性海泡石、相容剂、润滑剂、抗冲改性剂和阻燃剂，加入到高速混合机中，充分混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入双螺杆挤出机的主喂料口，将按质量配比称取的经表面处理过的长玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，进行熔融混练，混练结束后，通过双螺杆挤出机挤出混合熔体，再经冷却、风干、切粒、干燥后即得玻纤增强尼龙复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种耐高温耐湿玻纤增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机分为七区，一区温度在200-210℃，二区温度为210-220℃，三区温度为220-230℃，四区温度为230-245℃，五区温度为220-235℃，六区温度为210-225℃，七区温度为200-215℃。
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