CN111087802B - 一种耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了尼龙高耐磨复合材料及其制备方法。其由尼龙6或尼龙66 21‑88.9份,纤维0‑40份,改性固体耐磨剂10‑30份,多功能反应添加剂1‑5份,抗氧剂0.1‑2份和其它助剂0‑2份组成。固体耐磨剂在O2、CO2和NH3至少两种混合气体的气氛下,经低温等离子体处理。改性后固体耐磨剂与尼龙具有优良的相容性和分散性,能有效降低复合材料的表面摩擦系数,提高耐磨损性能。多功能反应添加剂能够增加尼龙分子量的同时,能与改性固体耐磨剂表面的极性基团反应,使改性固体耐磨剂与基体树脂通过共价键相连接。通过纤维提升复合材料力学性能和耐磨损性能。上述三者的协同效应能够使复合材料在高负载下具有优异的自润滑、耐磨损性能,能够快速成型,满足各行业中运动部件使用要求。
Description
技术领域
本发明属于尼龙改性技术领域,特别设计一种尼龙高耐磨复合材料及其制备方法。
背景技术
摩擦与磨损普遍存在于相对运动的表面间,造成了国民经济损失和能源的浪费。总体上,接触面的摩擦浪费了世界能源总消耗量的约23%。尼龙又名聚酰胺,是一种力学性能优良、耐热、耐磨、耐化学腐蚀、用量最大的工程塑料。相比于注塑级尼龙,浇铸尼龙分子量大,具有自润滑性能,耐磨损性能好,被广泛用于摩擦磨损部件。但是浇铸尼龙制备工艺繁琐、周期长、有环保隐患并且改性困难。因此有必要发展注塑级尼龙复合材料,应用于摩擦磨损环境。
对于注塑级尼龙材料的耐磨损的改善,通常是物理添加固体润滑剂以降低表面摩擦系数,以达到耐磨损的目的。固体润滑剂通常为聚四氟乙烯粉末、超高分子量聚乙烯粉末、二硫化钼等。中国专利CN101760021A采用超高分子量聚乙烯改性尼龙,以改善摩擦性能。中国专利CN101792603A中采用物理添加二硫化钼,改善尼龙66的摩擦性能。中国专利CN104559161A则以聚四氟乙烯粉末降低复合材料的表面摩擦系数。为增强复合材料的机械性能,进一步提高负载工况下的耐磨损性,固体润滑剂通常结合纤维改性尼龙。中国专利CN104710785A通过玻璃纤维、二硫化钼或聚四氟乙烯改性尼龙,制备了尺寸稳定的耐磨复合材料。
通过固体润滑剂、纤维与注塑级尼龙进行简单的物理共混,虽然能够提高尼龙材料的耐磨损性能,但是与浇铸尼龙相比仍有差距。主要原因是:1.纤维表面、特别是固体润滑剂表面惰性。因此分散不好,与尼龙存在界面结合力问题;2.同时基体尼龙树脂分子量低,耐磨损性能有限。中国专利CN101182388A通过向尼龙66中添加聚苯硫醚,以增强与纤维间的界面的结合力,制备强度高、表面摩擦系数低的复合材料。对于注塑级高耐磨尼龙复合材料,依然需要提高基体树脂分子量,解决固体润滑剂、纤维材料的分散性问题,增加基体树脂与固体润滑剂、纤维材料间的结合力。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种尼龙高耐磨复合材料及其制备方法,该复合材料不仅具有自润滑性、低表面摩擦系数,而且综合力学性能优异,性价比高,并且制备方法简便实用,适合工业化生产。
本发明的第一个方面,提供了:
一种尼龙高耐磨复合材料,包括有按照重量份计的:基体树脂21-88.9份,改性固体耐磨剂10-30份,多功能反应添加剂1-5份,纤维 0-40份,抗氧剂 0.1-2份,其它助剂0-2份;所述的基体树脂是尼龙6或者尼龙66。
在一个实施方式中,所述的纤维至少含有0.1份,所述的助剂至少含有0.1份。
在一个实施方式中,改性固体耐磨剂是聚四氟乙烯、二硫化钼、超高分子量聚乙烯、硅酮粉、含氟或全氟烷基化合物中至少一种。
在一个实施方式中,所述的改性固体耐磨剂是经过了低温等离子体处理得到,并且处理过程中采用的气氛包括了O2、CO2或者NH3中的至少两种。
在一个实施方式中,采用的气氛是O2、CO2、NH3按照体积比2:1:1混合。
在一个实施方式中,多功能反应添加剂是双环氧化合物、双噁啉化合物、双恶唑酮化合物、双酰基双己内酰胺化合物、双异氰酸酯类化合物中至少一种。
在一个实施方式中,双环氧化合物选自新戊二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、1,2-环己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油基醚等。
在一个实施方式中,双恶唑啉化合物选自2,2-双-(2-噁唑啉),N,N-6-次甲基-双(胺基甲酰-2-恶唑啉),N,N-环己烷-双(2-氨基甲酰基-2-噁唑啉),1,4亚苯基-双(2-噁唑啉),1,4-双(4,5-二氢-2-恶唑)苯等。
在一个实施方式中,所述的纤维是有机纤维或者无机纤维。
在一个实施方式中,所述的纤维是玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维。
在一个实施方式中,所述的玻璃纤维是经过了羧基改性的聚硅氧烷处理。
在一个实施方式中,所述的玻璃纤维的改性方法是:按照重量份计,取8-15份八甲基环四硅氧烷、0.5-3份硅烷偶联剂、0.1-0.5份催化剂,在氮气气氛下进行第一次反应,得到聚硅氧烷;再加入酸酐继续进行第二次反应,得到羧基改性的聚硅氧烷;再将玻璃纤维浸渍于含有羧基改性的聚硅氧烷的溶液中,干燥后,得到改性玻璃纤维。
在一个实施方式中,所述的硅烷偶联剂是KH551,所述的催化剂是四甲基氢氧化铵,所述的酸酐是丁二酸酐;第一次反应的条件是90-110℃下2-6h,第二次反应的条件是65-80℃下2-4h。
在一个实施方式中,含有羧基改性的聚硅氧烷的溶液是指将羧基改性的聚硅氧烷溶解于石脑油中的溶液。
在一个实施方式中,助剂选自耐热稳定剂、耐候稳定剂、紫外线吸收剂、增塑剂、抗静电剂、防着色剂、抗氧化剂或者耐冲击性改良材料等添加剂。
本发明的第二个方面,提供了:
上述的耐磨复合材料的制备方法,包括如下步骤:将基体树脂、改性固体耐磨剂、多功能反应添加剂、纤维、其它助剂加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒,制得耐磨尼龙复合材料。
在一个实施方式中,挤出工艺各区段温度分别为:输送段250℃-260℃、熔融段270℃-290℃、剪切段270℃-290℃、排气段260℃-280℃、挤出段260℃-280℃。
本发明的第三个方面,提供了:
经低温等离子体处理后改性固体耐磨剂、多功能反应添加剂或者增强纤维在用于制备耐磨尼龙复合材料中的应用。
在一个实施方式中,所述的应用是指提高耐磨尼龙复合材料的耐磨性能。
在一个实施方式中,所述的经低温等离子体处理后改性固体耐磨剂是指经过O2、CO2和NH3至少两种混合气体气氛中低温等离子体处理的聚四氟乙烯、二硫化钼、超高分子量聚乙烯、硅酮粉、含氟或全氟烷基化合物。
在一个实施方式中,所述的多功能反应添加剂是指双环氧化合物、双噁啉化合物、双恶唑酮化合物、双酰基双己内酰胺化合物、双异氰酸酯类化合物中至少一种。
在一个实施方式中,增强纤维是指玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维中至少一种。
有益效果
改性固体耐磨剂由固体耐磨剂在O2、CO2和NH3至少两种混合气体的气氛下,经低温等离子体处理制得,与尼龙有着优良的相容性和分散性。含氟或全氟烷基化合物可有向表面迁移趋势,有效改善摩擦性质。
多功能反应添加剂为双官能度化合物,可以与胺基,羧基,羟基反应。起到如下作用:1.增加尼龙6或尼龙66分子量。2.原位反应使固体耐磨剂、纤维与基体树脂分子链通过共价键连接,更好地发挥协同效应,大幅度提高复合材料的耐磨损性能。
附图说明
图1是实施例4中的耐磨尼龙复合材料在进行了摩擦实验照片。
图2是实施例9中制备得到的改性玻璃纤维的SEM照片。
图3是经过造粒之后得到的耐磨材料的照片。
具体实施方式
本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体意欲 涵盖非排它性的包括。例如,包括列出要素的工艺、方法、物品或设 备不必受限于那些要素,而是可以包括其他没有明确列出或属于这种 工艺、方法、物品或设备固有的要素。除非上下文明确规定,否则单数形式“一个/种”和“所述(该)”包括 复数个讨论对象。以范围形式表达的值应当以灵活的方式理解为不仅包括明确列举出的作为范围限值的数值,而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子区间,犹如每个数值和子区间被明确列举出。例如,“大约0.1%至约5%”的浓度范围应当理解为不仅包括明确列举出的约0.1%至约5%的浓度,还包括有所指范围内的单个浓度(如,1%、2%、3%和4%)和子区间(例如,0.1%至0.5%、1%至2.2%、3.3%至4.4%)。
在本说明书中所述及到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施方式”等,指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说,结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时,所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本申请所要保护的范围内。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明提供了一种尼龙高耐磨复合材料及其制备方法,基体树脂为尼龙6或者尼龙66。包括有按照重量份计的如下组分:尼龙6或尼龙66 21-88.9份,改性固体耐磨剂10-30份,多功能反应添加剂1-5份,纤维 0-40份,抗氧剂 0.1-2份,其它助剂0-2份。
上述的原料中,纤维材料的作用是用于提高材料的相应的物理机械性能,这里所用的纤维可以选自无机纤维或者高分子纤维等材料。这里的纤维可以是玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维中至少一种。为了增加纤维在基体尼龙树脂中的分散性,纤维表面应含有极性基团,如羟基、羧基或者胺基等,能够与多功能反应添加剂反应。在本发明的一个实施方式中,为改善无机纤维与尼龙聚合物之间的相容性以及复合材料的耐磨性,对玻璃纤维或者碳纤维的表面采用了经过羧基改性的聚硅氧烷处理,一方面通过引入聚硅氧烷提高了无机纤维与尼龙之间的相容性,另一方面通过聚硅氧烷向其中引入大量的羧基,使得羧基与尼龙的端氨基进行缩合反应,提高了复合材料的耐磨等物理性能。
改性固体耐磨剂的作用,可以显著提高本发明中的尼龙材料的耐磨特性,在本发明的一个改进实施方式中,改性固体耐磨剂由固体耐磨剂在O2、CO2和NH3至少两种混合气体的气氛下,经低温等离子体处理得到;采用至少两种气体的目的可以提高改性剂表面的活性基团的种类,促进其在提高复合尼龙材料耐磨性上的作用。O2、CO2和NH3的体积比优选为2:1:1,混合气体的湿度可做适当调节。改性固体耐磨剂表面含有极性基团,如羟基,羧基、胺基、酰胺基,与尼龙有优异的相容性和分散性。水接触角小于45°,优选在10°-30°之间。这里的固体耐磨剂可以为聚四氟乙烯,二硫化钼,超高分子量聚乙烯,硅酮粉,含氟或全氟烷基化合物中至少一种。这里的含氟或全氟烷基化合物具有向表面迁移的能力,如全氟十二烷醇等。
多功能反应添加剂在本发明中的作用是同时与胺基、羧基、羟基反应,能够有效地促进各个原料之间的相互聚合,提高耐磨特性。本发明中的多功能反应添加剂为双官能度化合物,可以采用如双环氧化合物、双噁啉化合物、双恶唑酮化合物、双酰基双己内酰胺化合物、双异氰酸酯类化合物中至少一种。多功能反应添加剂可以原位增加基体树脂分子量,通过共价键连接改性固体润滑剂、纤维与基体树脂分子链,更好地发挥协同效应。
这里以双环氧化合物为例,可以为新戊二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、1,2-环己二醇二缩水甘油醚、甘油二缩水甘油基醚等。
这里以双环氧化合物为例,可以为以环氧封端的高分子化合物。
这里以双恶唑啉化合物为例,可以为2,2-双-(2-噁唑啉),N,N-6-次甲基-双(胺基甲酰-2-恶唑啉),N,N-环己烷-双(2-氨基甲酰基-2-噁唑啉),1,4亚苯基-双(2-噁唑啉),1,4-双(4,5-二氢-2-恶唑)苯等。
这里的多功能反应添加剂起到如下作用:1.增加尼龙6或尼龙66分子量。2.原位反应后,通过共价键连接固体耐磨剂、纤维与基体树脂分子链,更好地发挥协同效应。
另外,本发明的高耐磨复合材料根据所需要的用途、性能,可添加耐热稳定剂、耐候稳定剂、紫外线吸收剂、增塑剂、抗静电剂、防着色剂、抗氧化剂、耐冲击性改良材料等添加剂。这些添加剂在不损害本发明的效果的范围内,可根据需要来添加。
作为抗氧化剂,可例示出铜系抗氧化剂、受阻酚系抗氧化剂、受阻胺系抗氧化剂、磷系抗氧化剂、硫系抗氧化剂等,其中优选受阻酚系抗氧化剂、磷系抗氧化剂。作为受阻酚系抗氧化剂的具体例子,可列举出1,6-己二醇-双[3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯]、三乙二醇-双[3-(3-叔丁基-5-甲基-4-羟苯基)丙酸酯]、4,4’-亚丁基双(3-甲基-6-叔丁基苯酚)、2,4-双-(正辛硫基)-6-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯胺基)-1,3,5-三嗪、季戊四醇-四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯]、2,2-硫代-二乙撑双[3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯]、十八烷基-3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯、2,2-硫代双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、N,N’-六亚甲基双(3,5-二叔丁基-4-羟基-羟基肉桂酰胺)、3,5-二叔丁基-4-羟基-苄基膦酸二乙酯、1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二丁基-4-羟基苄基)苯、双(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)磺酸乙酯钙、三-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-异氰脲酸酯、2,6-二叔丁基-对甲酚、丁基化羟基苯甲醚、2,6-二叔丁基-4-乙基苯酚、硬脂基-β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯、2,2’-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、2,2’-亚甲基-双-(4-乙基-6-叔丁基苯酚)、4,4’-硫代双-(3-甲基-6-叔丁基苯酚)、辛基化二苯基胺、2,4-二[(辛硫基)甲基]-邻甲酚、异辛基-3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯、4,4’-亚丁基双(3-甲基-6-叔丁基苯酚)、3,9-双[1,1-二甲基-2-[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酰基氧基]乙基]2,4,8,10-四氧杂螺[5,5]十一烷、1,1,3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷、1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)苯、双[3,3’-双-(4’-羟基-3’-叔丁基苯基)丁酸]乙二醇酯等。它们可以单独使用或以它们的混合物来使用。作为磷系抗氧化剂的具体例子,可列举出亚磷酸三苯酯、亚磷酸三(十八烷基)酯、亚磷酸三癸酯、亚磷酸三(壬基苯基)酯、亚磷酸二苯基异癸基酯、双(2,6-二叔丁基-4-甲基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、2,2-亚甲基双(4,6-二叔丁基苯基)辛基亚磷酸酯、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯、二硬脂基季戊四醇二亚磷酸酯、四(十三烷基-4,4’-异亚丙基二苯基)二亚磷酸酯、双(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯等有机磷化合物。它们可以单独使用,或者以这些物质的混合物使用。
为了改善耐冲击性,在本发明的阻燃尼龙材料中可添加耐冲击性改良材料。作为耐冲击性改良材料,可添加乙烯-丙烯酸乙酯共聚树脂、乙烯-丙烯酸乙酯共聚树脂的马来酸酐改性物、乙烯-甲基丙烯酸共聚树脂、乙烯-丙烯共聚弹性体、聚酰胺弹性体、聚酯弹性体、聚烯烃、苯乙烯-丁二烯共聚树脂的氢化处理物、离聚物等。
另外,本发明中的尼龙材料也可以适当地加入颜料,颜料包括体质颜料(诸如硫酸钡,碳酸钙,二氧化硅和氧化铝的透明白色颜料),黑色颜料(炭黑,磁石等),白色颜料(二氧化钛,氧化锌,二氧化锡,氧化锆等),黑色和彩色颜料(钴蓝,钛黄等)。
另外,本发明中的尼龙材料也可以适当地加入填料,填充剂包括基于氧化物的填充剂(ZnO,ITO,ATO,氮化物,碳化物,硼化物),磁性填充剂(铁酸盐,Sm/Co,Nd/Fe/B等),压电填充剂,导热填充剂(Ag,h-BN,AlN,Al2O3),导电填充剂{基于金属的(银,铜,镍,不锈钢纤维等),模塑可加工填充剂,耐冲击性填充剂,耐热填充剂(粘土矿物,滑石粉,碳酸钙,沉降硫酸钡等),阻燃剂填充剂(硼酸锌,红磷,磷酸铵,氢氧化镁等),隔音/防振动填充剂(铁粉,硫酸钡,云母,铁酸盐等),热辐射填充剂(水滑石,氧化铝,木炭,氧化镁等)等。所述填充剂的形状也可以是颗粒状,球形(易于加工性和断裂韧性提高),板形(薄板形)(坚硬,减振,表面润滑),针形(机械/热加固,导电性,减振),可根据目的使用这些形状。
上述的尼龙高耐磨复合材料可以常采用规的共混挤出的方式加工得到,在一个典型的实施方式中,将尼龙6或尼龙66、改性固体耐磨剂、多功能反应添加剂、抗氧剂等加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段250℃-260℃、熔融段270℃-290℃、剪切段270℃-290℃、排气段260℃-280℃、挤出段260℃-280℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。
实施例1
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取86份的尼龙66、10份的改性固体耐磨剂(改性超高分子量聚乙烯)、2份的多功能反应添加剂(1,6-己二醇二缩水甘油醚)、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。
本实施例中,所采用的改性超高分子量聚乙烯是分别采用了以下三种情况的低温等离子体处理得到的。这里所采用的超高分子量聚乙烯Mw约3500000,等离子体处理仪功率400W,工作频率40MHz,分别在不同的气体气氛下进行处理,处理时间为360s。
三种处理气氛是:
使用了不同的改性超高分子量聚乙烯条件下的耐磨材料性能如下表所示:
从表中可以看出,本发明中当采用了含有CO2或者NH3气氛的低温等离子体处理超高密度聚乙烯材料时,可以在增强材料的表面生成更多的含有-COOH、-NH2等功能基团,这些基团在后续的制备耐磨材料时,可以与尼龙、改性剂等表面的-OH、NH2、-COOH等基团发生反应,促进了超高分子量聚乙烯在提高材料耐磨性能等方面的物理性质上的作用。
实施例2
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取86份的尼龙66、10份的改性固体耐磨剂(改性超高分子量聚乙烯)、2份的多功能反应添加剂(2,2-双-(2-噁唑啉))、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性超高分子量聚乙烯是Mw约3500000的UHMWPE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例3
与实施例2的区别是:在耐磨材料中还加入了短切无碱玻璃纤维。
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取66份的尼龙66、20份的短切无碱玻璃纤维、10份的改性固体耐磨剂(改性超高分子量聚乙烯)、2份的多功能反应添加剂(2,2-双-(2-噁唑啉))、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性超高分子量聚乙烯是Mw约3500000的UHMWPE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例4
与实施例3的区别在于:改性固体耐磨剂中还增加了少量全氟十二烷醇。
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取63份的尼龙66、20份的短切无碱玻璃纤维、13份的改性固体耐磨剂(10份的改性超高分子量聚乙烯和3份的全氟十二烷醇)、2份的多功能反应添加剂(2,2-双-(2-噁唑啉))、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性超高分子量聚乙烯是Mw约3500000的UHMWPE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例5
与实施例2的区别在于:未加入多功能反应添加剂。
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取88份的尼龙66、10份的改性固体耐磨剂(改性超高分子量聚乙烯)、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性超高分子量聚乙烯是Mw约3500000的UHMWPE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例6
与实施例2的区别在于:未加入多功能反应添加剂。
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取88份的尼龙66、10份的改性固体耐磨剂(改性PTFE)、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性PTFE是Mw约500000的PTFE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例7
与实施例2的区别在于:未加入多功能反应添加剂。
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取88份的尼龙66、10份的改性固体耐磨剂(改性二硫化钼)、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性二硫化钼是在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例8
与实施例2的区别在于:未加入多功能反应添加剂。
尼龙高耐磨复合材料的制备,以基体树脂为尼龙66为例:按重量份,称取88份的尼龙66、10份的改性固体耐磨剂(改性全氟十二烷醇)、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性全氟十二烷醇是在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例9
与实施例4的区别是:采用了表面改性处理的玻璃纤维。
改性玻璃纤维的制备,首先,按重量份取15份的十甲基环五硅氧烷、0.5份的封端剂(1,3-二(3-羟丙基)-1,3-二甲基-1,3-二乙基二硅氧烷)、3份的硅烷偶联剂(KH551)、0.15份的催化剂(四甲基氢氧化铵)混合后,在氮气气氛下进行反应,反应温度是95-105℃,反应时间是5h,反应结束后,蒸除低沸物,得到聚硅氧烷;再加入0.6份的酸酐改性剂(丁二酸酐),升温至75℃反应2h,得到羧基改性的聚硅氧烷;将羧基改性的聚硅氧烷配制成浓度为2wt%左右的石脑油溶液,再将玻璃纤维浸渍于石脑油溶液中约30s,取出后自然干燥,得到表面处理后的改性玻璃纤维。其断面照片如图2所示,从图中可以看出在玻璃纤维的表面覆有一层较薄的改性聚合物层。
尼龙高耐磨复合材料的制备,按重量份,称取63份的尼龙66、20份的改性玻璃纤维、13份的改性固体耐磨剂(10份的改性超高分子量聚乙烯和3份的全氟十二烷醇)、2份的多功能反应添加剂(2,2-双-(2-噁唑啉))、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性超高分子量聚乙烯是Mw约3500000的UHMWPE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
实施例10
与实施例4的区别是:采用了表面改性处理的玻璃纤维。
改性玻璃纤维的制备,首先,按重量份取12份的八甲基环四硅氧烷、0.7份的封端剂(1,3-二(3-羟丙基)-1,3-二甲基-1,3-二乙基二硅氧烷)、2份的硅烷偶联剂(KH551)、0.2份的催化剂(四甲基氢氧化铵)混合后,在氮气气氛下进行反应,反应温度是95-105℃,反应时间是4h,反应结束后,蒸除低沸物,得到聚硅氧烷;再加入0.8份的酸酐改性剂(丁二酸酐),升温至70℃反应3h,得到羧基改性的聚硅氧烷;将羧基改性的聚硅氧烷配制成浓度为3wt%左右的石脑油溶液,再将玻璃纤维浸渍于石脑油溶液中约15s,取出后自然干燥,得到表面处理后的改性玻璃纤维。
尼龙高耐磨复合材料的制备,按重量份,称取63份的尼龙66、20份的改性玻璃纤维、13份的改性固体耐磨剂(10份的改性超高分子量聚乙烯和3份的全氟十二烷醇)、2份的多功能反应添加剂(2,2-双-(2-噁唑啉))、2份的抗氧剂,加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒。挤出工艺各区段温度分别为:输送段255℃、熔融段280℃、剪切段280℃、排气段270℃、挤出段265℃,制得燃尼龙高耐磨复合材料。其中,改性超高分子量聚乙烯是Mw约3500000的UHMWPE在O2、CO2、NH3(体积比2:1:1)气氛下经过400W、40MHz等离子体处理360s后得到。
对照例1
与实施例2的区别在于:未加入改性固体耐磨剂。
通过实施例3和实施例2的对比可以看出,玻纤改性明显提高了复合材料的机械性能和耐磨损性能,但是材料的表面摩擦系数明显增大。
通过实施例4和实施例3的对比可以看出,由于在实施例3中得到的材料表面摩擦系数增大,因此,在此基础上,通过加入少量的全氟十二烷醇来降低表面摩擦系数,进一步提高了耐磨损性能。
通过实施例5-8和实施例2的对比可以看出,在实施例2中加入了具有双官能度化合物,能够在材料的制备过程中与各个原料中的胺基、羧基、羟基反应缩合,可以明显提高复合材料的机械性能、耐磨损性能。
另外,对于实施例5、6、7的性能数据可以看出,改性超高分子量聚乙烯粉末性能更优。经特殊处理后,超高分子量聚乙烯分散性能更好。摩擦磨损时,随着尼龙的不断侵蚀,超高分子量聚乙烯更能均匀分布在摩擦界面,起到抵御磨损的作用。从实施例8可以看出,全氟十二烷醇可以明显降低表面摩擦系数,但耐磨损性能不好。
通过实施例9、10与实施例4的对比可以看出,本发明中直接采用玻璃纤维时,由于其表面能较高,会导致与尼龙材料的相容性不好,因此,本发明通过制备含有羧基的聚硅氧烷改性剂对玻璃纤维的表面进行改性处理,一方面通过聚合物包覆,使其能够提高与尼龙材料的相容性,另一方面,由于改性剂的含有较多的羧基,可以使在复合材料共混挤出的过程中使活性基团之间相互反应,提高了材料的物理机械性能。
通过实施例2和对照例1的对比可以看出,本发明的复合材料中使用固体耐磨剂可以有效地提高材料的耐磨性能。
Claims (5)
1.一种尼龙耐磨复合材料,其特征在于,包括按照重量份计的:基体树脂21-88.9份,改性固体耐磨剂10-30份,多功能反应添加剂1-5份,纤维 0.1-40份,抗氧剂 0.1-2份,助剂0.1-2份;所述的基体树脂是尼龙6或者尼龙66;所述的助剂中不包括抗氧剂;
所述的纤维是经过了羧基改性的聚硅氧烷处理的玻璃纤维;所述的玻璃纤维的改性方法是:按照重量份计,取8-15份八甲基环四硅氧烷、0.5-3份硅烷偶联剂、0.1-0.5份催化剂,在氮气气氛下进行第一次反应,得到聚硅氧烷;再加入酸酐继续进行第二次反应,得到羧基改性的聚硅氧烷;再将玻璃纤维浸渍于含有羧基改性的聚硅氧烷的溶液中,干燥后,得到改性玻璃纤维;
所述的硅烷偶联剂是KH551,所述的催化剂是四甲基氢氧化铵,所述的酸酐是丁二酸酐;第一次反应的条件是90-110℃下2-6h,第二次反应的条件是65-80℃下2-4h;含有羧基改性的聚硅氧烷的溶液是指将羧基改性的聚硅氧烷溶解于石脑油中得到的溶液;
改性固体耐磨剂是聚四氟乙烯、二硫化钼、超高分子量聚乙烯或者硅酮粉中的至少一种;
多功能反应添加剂是双环氧化合物、双噁啉化合物、双噁唑酮化合物、双酰基双己内酰胺化合物、双异氰酸酯类化合物中至少一种;
所述的改性固体耐磨剂是经过了低温等离子体处理得到,并且处理过程中采用的气氛包括O2、CO2或者NH3中的至少两种。
2.根据权利要求1所述的尼龙耐磨复合材料,其特征在于,采用的气氛是O2、CO2、NH3按照体积比2:1:1混合而得到。
3.根据权利要求1所述的尼龙耐磨复合材料,其特征在于,双环氧化合物选自新戊二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、1,2-环己二醇二缩水甘油醚或者甘油二缩水甘油基醚;双噁唑啉化合物选自2,2-双-(2-噁唑啉)或者1,4-双(4,5-二氢-2-噁唑)苯。
4.权利要求1所述的尼龙耐磨复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将基体树脂、改性固体耐磨剂、多功能反应添加剂、抗氧剂、助剂加入混合机搅拌均匀,得到预混料;将预混料加入双螺杆挤出机喂料机料斗,纤维从侧喂料口加入,熔融混合挤出造粒,制得耐磨尼龙复合材料。
5.根据权利要求4所述的尼龙耐磨复合材料的制备方法,其特征在于,双螺杆挤出机挤出工艺各区段温度分别为:输送段250℃-260℃、熔融段270℃-290℃、剪切段270℃-290℃、排气段260℃-280℃、挤出段260℃-280℃。
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