CN110982257B - 一种高强度尼龙6复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度尼龙6复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度尼龙6复合材料及其制备方法。所述高强度尼龙6复合材料包括按照重量份计算的如下组分：尼龙PA6 75‑81份、碳纳米管母粒1‑3份、碳纤维母粒8‑15份及扩链剂0.3份。本发明先把碳管和碳纤维造粒，然后再和尼龙混合均匀，可以保证塑料母粒中碳管和碳纤维的分布均匀，碳纳米管和碳纤维的协同作用提高了复合材料抗拉强度；本发明的制备方法中主要溶剂是水，避免了有机溶剂的环境污染，同时本发明制备的碳纳米管母粒和炭纤维母粒含量均匀，生产工艺可控。

Description

一种高强度尼龙6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，具体涉及一种高强度尼龙6复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纳米管(CNTs)具有的独特结构赋予其优异的热学、力学、电学性能，使其在提高高分子材料力学及抗静电性能具有广泛的应用前景。但是CNTs具有大的比表面积、长径比和较强的范德华力使其易团聚或缠绕，所以制取易分散均匀的CNTs导电浆料是其应用的基础。
碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高；化学稳定性好，除硝酸等少数强酸处，几乎对所有药品均稳定，以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。
聚酰胺6(PA6)具有力学性能优良、耐磨、自润滑、耐油及耐弱酸弱碱等优良的综合性能，但也存在吸水性大、尺寸稳定性差、抗蠕变性差，不宜在高于80℃、潮湿及高负荷下长期使用等缺点，对其增强增韧改性是研究的热点。熔融共混法由于具有工业化生产的优势，广泛被人们用来制备聚合物复合材料。现有技术主要存在以下缺点：(1)现有技术添加剂较多，生产过程过于繁琐；(2)传统方法直接加入碳管、碳纤维等粉尘状碳材料，无法在熔融生产过程中准确控制每一份母粒中碳材料的均匀含量(3)传统方法制作的母粒中碳纤维添加量过多。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高强度尼龙6复合材料及其制备方，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种高强度尼龙6复合材料，其包括按照重量份计算的如下组分：尼龙PA6 75-81份、碳纳米管母粒1-3份、碳纤维母粒8-15份及扩链剂0.1-0.5份。
本发明实施例还提供了前述高强度尼龙6复合材料的制备方法，其包括：按照前述高强度尼龙6复合材料的组成将尼龙PA6、碳纳米管母粒、碳纤维母粒及扩链剂混合均匀形成混合物料，之后将所述混合物料经双螺杆造粒获得高强度尼龙6复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)降低了粉尘污染，生产中基本上不会产生固体颗粒污染物，生产过程中主要溶剂是水，避免了有机溶剂的环境污染；
2)本发明制备的碳纳米管母粒和碳纤维母粒含量均匀，生产工艺可控；
3)本发明制备的复合材料中碳纳米管和碳纤维在复合材料中分散均匀，通过碳纳米管和碳纤维协同作用，降低了碳纤维的使用量，大大改善例如复合材料的力学等综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例2制得的高强度尼龙6复合材料的SEM图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将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。
本发明实施例的一个方面提供了一种高强度尼龙6复合材料，其包括按照重量份计算的如下组分：尼龙PA6 75-81份、碳纳米管母粒1-3份、碳纤维母粒8-15份及扩链剂0.1-0.3份。
在一些较为具体的实施方案中，所述碳纳米管母粒包括按照重量份计算的如下组分：5-8份碳纳米管和3-5份功能高分子。
进一步的，所述功能高分子包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的任意一种或两种的组合，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述碳纤维母粒包括按照重量份计算的如下组分：47-54份碳纤维和1-3份功能高分子。
进一步的，所述碳纤维包括短切碳纤维，且不限于此。
进一步的，所述功能高分子包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的任意一种或两种的组合，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述扩链剂包括双恶唑啉扩链剂、环氧类扩链剂中的任意一种，且不限于此。
进一步的，所述扩链剂包括环氧类扩链剂4370S、双恶唑啉B1511、双恶唑啉RNC453中的任意一种，且不限于此。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述高强度尼龙6复合材料的制备方法，其包括：
按照前述高强度尼龙6复合材料的组成将尼龙PA6、碳纳米管母粒、碳纤维母粒及扩链剂混合均匀形成混合物料，之后将所述混合物料经双螺杆造粒获得高强度尼龙6复合材料。
在一些较为具体的实施方案中，所述碳纳米管母粒的制备方法包括：将碳纳米管、功能高分子和水混合均匀形成浆料，之后对所述浆料进行球磨、烘烤处理形成膏状物，最后对所述膏状物进行单螺杆切割造粒、干燥处理，获得所述碳纳米管母粒。
进一步的，所述碳纳米管、功能高分子与水的质量比为(5-8):(3-5):(87-92)。
进一步的，所述球磨处理的时间为120-180min。
进一步的，干燥处理前可以用酒精对物料进行润湿，干燥处理的温度为110-120℃，时间为2-4h。
在一些较为具体的实施方案中，所述碳纤维母粒的制备方法包括：将碳纤维、功能高分子和水混合均匀形成浆料，然后对所述浆料进行烘干或浓缩处理形成膏状物，最后对所述膏状物进行单螺杆造粒、干燥处理，获得所述碳纤维母粒。
进一步的，所述碳纤维、功能高分子与水的质量比为(47-54):(1-3):(45-50)。
进一步的，所述浆料烘干处理的温度为80-100℃，时间为2-4h。
进一步的，所述干燥处理的温度为110-120℃，时间为2-4h。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：采用高速分散机将所述高强度尼龙6复合材料中的各组分充分分散
进一步的，所述高速分散机的转速为400-600rpm。
进一步的，所述方法还包括：对所述双螺杆造粒获得的高强度尼龙6复合材料进行干燥处理。
下面结合若干优选实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的碳纳米管母粒和碳纤维均由下述方法制得：
碳纳米管母粒制备：将7份碳纳米管、4份聚乙烯吡咯烷酮和90份水混合均匀形成浆料，之后对所述浆料进行球磨处理150min，然后烘烤处理形成膏状物，最后对所述膏状物进行单螺杆切割造粒并于115℃干燥3h，获得所述碳纳米管母粒；
碳纤维母粒制备：将50份短切碳纤维、2份聚乙烯吡咯烷酮和48份水混合均匀形成浆料，然后对所述浆料于90℃，烘烤3h形成膏状物，最后对所述膏状物进行单螺杆造粒并于115℃干燥3h，获得所述碳纤维母粒。
实施例1
将87份尼龙PA6、3份碳纳米管母粒、10份碳纤维母粒、0.9份双恶唑啉RNC453混合均匀，之后将混合均匀的物料经熔双螺杆融挤出获得高强度尼龙6复合材料。
实施例2
制备方法同实施例1，不同之处在于碳纤维母粒为15份。图1为本实施例制得的高强度尼龙6复合材料的SEM图，如图1所示，短切碳纤维充满PA6相互包容，同时碳纳米管充满PA6与碳纤维之间的区域，达到整体增强PA6的效果。
对比例1
制备方法同实施例1，不同之处在于复合材料中只有纯的PA6。
对比例2
制备方法同实施例1，不同之处在于组分为90份尼龙PA6、10份碳纤维母粒。
对比例3
制备方法同实施例1，不同之处在于组分为90份尼龙PA6、10份碳纤维母粒、0.9份双恶唑啉RNC453。
对比例4
制备方法同实施例1，不同之处在于组分为85份尼龙PA6、15份碳纤维母粒、0.9份双恶唑啉RNC453。
对比例5
制备方法同实施例1，不同之处在于组分为82份尼龙PA6、15份碳纤维母粒、3份碳纳米管母粒。
对比例6
制备方法同实施例1，不同之处在于组分为80份尼龙PA6、20份碳纤维母粒。
对比例7
制备方法同实施例1，不同之处在于组分为70份尼龙PA6、30份碳纤维母粒。
上述实施例中制得的复合材料的机械性能如表1所示：
实施例1-2以及对比例1-7中制得的复合材料的机械性能如表1所示
名称 组分 抗拉强度(MPa)
实施例1 PA+10％碳纤维母粒+3％碳纳米管母粒+0.9％双恶唑啉RNC453 87.517
实施例2 PA+15％碳纤维母粒+3％碳纳米管母粒+0.9％双恶唑啉RNC453 93.715
对比例1 PA(杜邦FN727 NC010A) 30
对比例2 PA+10％碳纤维母粒 77.387
对比例3 PA+10％碳纤维母粒+0.9％双恶唑啉RNC453 81.943
对比例4 PA+15％碳纤维母粒+0.9％双恶唑啉RNC453 83.447
对比例5 PA+15％碳纤维母粒+3％碳纳米管母粒 86.713
对比例6 PA+20％碳纤维母粒 85.821
对比例7 PA+30％碳纤维母粒 88.453
从表1可以：我们通过测试数据发现对比例1-7中碳纳米管、扩链剂与碳纤维分别可以增强PA6的强度，但对PA6强度的增加有限，而实施例2中的配方可以达到更好的抗拉强度。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (5)

1.一种高强度尼龙6复合材料，其特征在于包括按照重量份计算的如下组分：尼龙PA675-81份、碳纳米管母粒 1-3份、碳纤维母粒 8-15份及扩链剂 0.1-0.5份；
其中，所述碳纳米管母粒的制备方法包括：将7份碳纳米管、4份聚乙烯吡咯烷酮、90份水混合均匀形成浆料，之后对所述浆料进行球磨处理150min，再经烘烤处理形成膏状物，最后对所述膏状物进行单螺杆切割造粒，并于115℃干燥3h，获得所述碳纳米管母粒；
所述碳纤维母粒的制备方法包括：将50份短切碳纤维、2份聚乙烯吡咯烷酮、48份水混合均匀形成浆料，然后对所述浆料于90℃烘烤3h形成膏状物，最后对所述膏状物进行单螺杆造粒，并于115℃干燥3h，获得所述碳纤维母粒；所述短切碳纤维的尺寸为50目-100目；
所述扩链剂选自双恶唑啉RNC453。
2.一种高强度尼龙6复合材料的制备方法，其特征在于包括：
按照权利要求1所述高强度尼龙6复合材料的组成将尼龙PA6、碳纳米管母粒、碳纤维母粒及扩链剂混合均匀形成混合物料，之后将所述混合物料经双螺杆造粒获得高强度尼龙6复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于包括：采用高速分散机将所述高强度尼龙6复合材料中的各组分充分分散；所述高速分散机的转速为400-600rpm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于还包括：对所述双螺杆造粒获得的高强度尼龙6复合材料进行干燥处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述干燥处理的温度为120-150℃，时间为4-6h。
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