CN111808419A - 高摩擦系数的耐磨塑料及其制备方法 - Google Patents

高摩擦系数的耐磨塑料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高摩擦系数的耐磨塑料及其制备方法，该耐磨塑料按重量份数计算包括如下组分：100重量份的塑料基体和0.5‑20重量份的改性芳纶纤维；其中改性芳纶纤维的表面被‑OH、‑NH2、‑F、或‑Cl中的一种或多种接枝改性。采用本发明的耐磨塑料同时具有较高的耐磨性能和耐摩擦系数。

Description

高摩擦系数的耐磨塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高摩擦系数的耐磨材料及其制备方法。
背景技术
塑胶原料定义为是一种以合成的或天然的高分子聚合物，可任意捏成各种形状最后能保持形状不变的材料或可塑材料产品。塑料可区分为热固性与热塑性二类，前者无法重新塑造使用，后者可以再重复生产。热可塑性其物理延伸率较大，一般在50％～500％。在不同延伸率下力不完全成线性变化。塑料不同性能决定了其在生活在工业中的用途，随着技术的进步，对塑料改性一直没有停止过研究。
在很多应用领域需要提高塑料的耐磨性，耐磨性的提高通常采用添加耐磨添加剂的方式，包括液体类硅酮、PTFE、二硫化钼等，这类材料无论是粉体还是液体都会向材料表面迁移，降低材料的表面摩擦系数，从而让材料的耐磨性得到提高。但通过上述方法可以提高塑料的耐磨性，却同时降低了塑料表面的摩擦系数。在一些应用中，例如传送带、清扫器、牙刷刷毛等，不希望因为摩擦系数的降低导致承载能力或者清洁能力的下降，由此对塑料的的耐磨性能和摩擦性能具有要求。
由此，研发一种具有较高的摩擦系数的耐磨塑料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的一个目的为提供一种高摩擦系数的耐磨塑料，该耐磨塑料不仅具有较高的耐磨性能，而且具有较高的摩擦系数。
本发明的另一个目的为提供一种耐磨塑料的制备方法，通过该方法可以稳定的生产耐磨塑料。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种高摩擦系数的耐磨塑料，按重量份数计算，所述耐磨塑料包括如下组分：
塑料基体 100；
改性芳纶纤维 0.5-20；
其中，所述改性芳纶纤维的表面被-OH、-NH2、-F、或-Cl中的一种或多种接枝改性。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，所述耐磨塑料包括如下组分：
塑料基体 100；
改性芳纶纤维 0.5-5。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，所述耐磨塑料由如下组分组成：
塑料基体 100；
改性芳纶纤维 0.5-3。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，所述塑料基体选自PS、ABS、PA、PE、PP、CPE、PC、POM、TPU中的一种或多种。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，所述塑料基体选自PA或PE中的一种或多种。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，所述改性芳纶纤维的直径为1μm～2mm，长度为1mm～15mm。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，包括如下步骤：按重量份数将塑料基体颗粒和改性芳纶纤维混合均匀后加入至混炼机中进行混炼，然后再通过挤出机挤出获得耐磨塑料。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，所述改性芳纶纤维通过如下步骤制备：
步骤(a)，将芳纶纤维加入真空反应器中，并经过热处理和第一次抽真空处理得到待反应的真空反应器；其中，待反应的真空反应器的温度不高于400℃，待反应的真空反应器内的压力为-0.05～0Mpa；
步骤(b)，向待反应的真空反应器中充入反应气体；其中，反应气体为第一种气体和第二种气体的混合气体，第一种气体选自四氯化碳、一氯甲烷、四氟化碳、六氟化硫或三氟化氮中的一种或多种，第二种气体为含羟基气体或氨气；
步骤(c)，充入反应气体后，用射频放电电极对待反应真空反应器进行放电，获得改性芳纶纤维。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，步骤(b)中，第二种气体占混合气体的体积分数为0～10vol％。
根据本发明所述的高摩擦系数的耐磨塑料，优选地，步骤(c)中，放电电压为20-200千伏，放电功率为0.3-0.5瓦每立方米，放电持续时间为10min-5hr。
本发明的有益效果是：
采用本发明的耐磨塑料同时具有较高的耐磨性能和耐摩擦系数。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的压力均指相对压力。
本发明的改性芳纶纤维的制备方法包括：(1)待反应的真空反应器的准备步骤；(2)充气步骤；(3)射频放电反应步骤。
<待反应的真空反应器的制备步骤>
本发明的待反应的真空反应器制备步骤包括：将芳纶纤维加入真空反应器中，并经过第一次抽真空处理和加热处理得到待反应的真空反应器。
在本发明中，芳纶纤维的直径为1μm～2mm，长度为1mm～15mm。优选地，采芳纶纤维的直径为1μm～1mm，长度为20μm～10mm。更优选地，芳纶纤维的直径为5μm～0.1mm，长度为0.5mm～3mm。采用上述芳纶纤维，可以更好的对其进行改性，尤其提高其极性，从而使改性芳纶纤维更好地分散在塑料基体中并提高与塑料基体的粘结性。
在本发明中，经过加热处理的待反应的真空反应器的温度为0℃～400℃；优选的，温度为20℃～300℃；更优选的，温度为80℃～250℃。经过第一次抽真空处理的待反应的真空反应器内的压力为-0.05～0Mpa；优选地，压力为-0.05～-0.01Mpa；更优选地，压力为-0.05～-0.02Mpa。采用第一次抽真空处理可以更好地去除真空反应器内部的气体杂质，包括氧气、存在的水分等。
较高的反应温度有利于提高反应活性，使得离子体的接枝效率提高，但过高的反应温度又会影响材料性能，采用上述温度范围在对材料性能产生影响的尽可能小的前提下，使用尽量高的反应温度。
在本发明的一个具体实施方式中，真空反应器为不锈钢材质的静态真空反应器，芳纶纤维置于透气性托盘上，所述托盘的材质选自金属。不锈钢材料具有较高惰性，同时耐高温，可减少杂质的混入。
根据本发明的一个具体实施方式，第一次抽真空处理包括充入惰性气体至相对压力为0Mpa，再抽真空至-0.05Mpa，重复上述步骤2次。这里的惰性气体优选为氮气和氩气中的一种或两种混合物。
<充气步骤>
本发明的充气步骤包括：向待反应的真空反应器中充入反应气体。在本发明中，反应气体为第一种气体和第二种气体的混合气体。第一种气体选自四氯化碳、一氯甲烷、四氟化碳、六氟化硫或三氟化氮中的一种或多种；优选地，第一种气体选自四氯化碳、四氟化碳、六氟化硫或三氟化氮中的一种或多种；更优选地，第一种气体选自四氯化碳、四氟化碳或三氟化氮中的一种或多种。第二种气体为含羟基气体或氨气；优选地，第二种气体为氨气。采用上述第一种气体和第二种气体，获得的改性芳纶纤维性能更佳。
在本发明中，第二种气体占混合气体的体积分数为0～10vol％，优选为0～8vol％，更优选为2～5vol％。采用上述混合气体，获得的改性芳纶纤维性能更佳，尤其作为添加剂加入塑料中，能够同时改进耐磨性，提高摩擦系数。在本发明中，充入混合气体至压力为0.01-0.5Mpa，优先为0.05-0.3Mpa，更优选为0.1-0.2Mpa。控制-OH或-NH2等等离子体的浓度，使改性芳纶纤维的性能更佳。
根据本发明的一个具体方案，待反应的真空反应器为静态反应器，反应器中加入的芳纶纤维的厚度不超过3mm；经过加热处理的待反应的真空反应器的温度不高于充入的混合气体的沸点。
<射频放电反应步骤>
本发明射频放电反应步骤为：充入反应气体后，用射频放电电极对待反应真空反应器进行放电，获得改性芳纶纤维。在本发明中，放电电压为20-200千伏，放电功率为0.3-0.5瓦每立方米，放电持续时间为10min-5hr；优选地，放电电压为50-150千伏，放电功率为0.3-0.4瓦每立方米，放电持续时间为30min-4hr；更优选地，放电电压为80-120千伏，放电功率为0.4-0.5瓦每立方米，放电持续时间为2hr-3hr。通过上述方法获得的改性芳纶纤维的表面含有C-F、C-Cl、C-OH、C-NH2中的一种或多种活性基团。
<高摩擦系数的耐磨塑料>
本发明的高摩擦系数的耐磨塑料包括塑料基体和改性芳纶纤维。其中，改性芳纶纤维为表面被等离子改性的芳纶纤维，即表面被-OH、-NH2、-F或-Cl接枝的改性芳纶纤维。
在本发明中，按重量份计算，耐磨塑料包括100重量份的塑料基体和0.5-20重量份的改性芳纶纤维。优选地，耐磨塑料包括100重量份的塑料基体和0.5-5重量份的改性芳纶纤维。更优选地，耐磨塑料由100重量份的塑料基体和0.5-3重量份的改性芳纶纤维组成。根据本发明的一个实施方案，耐磨塑料由100重量份的塑料基体和0.5-3重量份的改性芳纶纤维组成。采用上述重量比的塑料基体和改性芳纶纤维，可以协同改善耐磨塑料的耐磨性能，提高摩擦系数。
在本发明中，所述塑料基体选自PS、ABS、PA、PE、PP、CPE、PC、POM或TPU中的一种或多种；优选地，所述塑料基体选自PS、PA、PE、PP、CPE、PC或TPU中的一种或多种；更优选地，所述塑料基体选自PA、PE或TPU中的一种或多种。其中，PS为聚苯乙烯，ABS为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，PA为聚酰胺，PE为聚乙烯，PP为聚丙烯，CPE为氯化聚乙烯，PC为聚碳酸酯，POM为聚甲醛，TPU为热塑性聚氨酯弹性体。采用上述塑料基体，改善效果更佳。
在本发明中，改性芳纶纤维的直径为1μm～2mm，长度为1mm～15mm。优选地，改性芳纶纤维的直径为1μm～1mm，长度为1mm～10mm。更优选地，改性芳纶纤维的直径为1μm～0.5mm，长度为1mm～5mm。采用上述规格的改性芳纶纤维，更有利于改善耐磨塑料的耐磨性能和摩擦性能。
<高摩擦系数的耐磨塑料的制备方法>
本发明的高摩擦系数的耐磨塑料的制备方法包括：按重量份数将塑料基体颗粒和改性芳纶纤维混合均匀后加入至混炼机中进行混炼，然后再通过挤出机挤出获得耐磨塑料。其中，塑料基体颗粒和改性芳纶纤维的种类及各自的重量份数如上所述，此处不再赘述。
在本发明中，塑料基体颗粒和改性芳纶纤维还分别进行了干燥处理，干燥处理温度均不高于各自的熔点。干燥处理控制塑料基体和改性芳纶纤维内的水分含量。
本发明的耐磨塑料不仅具有较高的耐磨性能，而且还能提高耐磨塑料的摩擦系数。
试验方法介绍
1、磨耗测试：采用GB/T 9867的测试方法(简称滚筒磨耗或DIN磨耗)进行体积磨耗测试；采用GB/T 3960-2016塑料滑动摩擦磨损实验方法检测塑料的耐磨性。
2、摩擦系数测试：采用布鲁克TriboLab摩擦测试仪检测摩擦系数；其中对磨端选用直径为10mm的304不锈钢头，fz压力设置为20N；摩擦测试仪实时采集摩擦阻力fx，摩擦系数COF为fx/fz。
制备例：芳纶纤维的改性:
线径：30μm
长度：3mm
1)将100g原材料放置于托盘中平铺置于静态真空反应器中，真空反应器容积为20L；然后对真空反应器进行抽真空至-0.05MPa；再将真空反应器加热至200℃，获得待反应的真空反应器。
2)将四氟化碳(CF4,纯度>99.99％)和氨气(NH3,纯度>99.99％)的混合气体充入至待反应的真空反应器中至压力为0.1Mpa，充入的氨气为混合气体的5vol％。
3)射频电源电极在充入混合气体后的待反应的真空反应器中放电，放电电压为100千伏，放电功率0.4瓦每立方米，持续时间3hr，获得改性芳纶纤维。
实施例1耐磨PA材料的制备
1、将1kgPA66颗粒在干燥温度100℃下干燥8hr；将20g改性芳纶纤维在干燥温度100℃下干燥1hr。
2、将干燥好的PA66颗粒及改性芳纶纤维置于V型混料机中进行充分混合直至混合均匀，得到混合料。
3、将双螺杆挤出机的螺杆温度设置为240℃，将混合料置于双螺杆挤出机的料桶中；混合料通过双螺杆挤出，形成的线材通过冷却水及牵引机置于末端的切粒机中，切粒机对线材进行剪切造粒，获得耐磨PA材料。
实施例2-4
在实施例2-4中PA66颗粒与改性芳纶纤维的重量比分别为100:0.5、100:3和100:5，其余均与实施例1相同。
实施例5
1、将1kgTPU颗粒在干燥温度100℃下干燥2hr；将30g改性芳纶纤维在干燥温度100℃下干燥1hr。
2、将干燥好的TPU颗粒及改性芳纶纤维置于V型混料机中进行充分混合均匀，得到混合料。
3、将双螺杆挤出机的螺杆温度设置为210℃，将混合料置于双螺杆挤出机的料桶中；混合料通过双螺杆挤出，形成的线材通过冷却水及牵引机置于末端的切粒机中，切粒机对线材进行剪切造粒，获得耐磨TPU材料。
实施例6-8
在实施例6-8中TPU颗粒与改性芳纶纤维的重量比分别为100:0.5、100:2和100:5，其余均与实施例5相同。
实施例9
1、准备1kgHDPE颗粒；将5g改性芳纶纤维在干燥温度100℃下干燥1hr。
2、将HDPE颗粒及改性芳纶纤维置于V型混料机中进行充分混合均匀，得到混合料。
3、将双螺杆挤出机的螺杆温度设置为165℃，将混合料料置于双螺杆挤出机的料桶中；混合料通过双螺杆挤出，形成的线材通过冷却水及牵引机置于末端的切粒机中，切粒机对线材进行剪切造粒，获得耐磨HDPE材料。
实施例10-12
在实施例10-12中HDPE颗粒与改性芳纶纤维的重量比分别为100:2、100:3和100:5，其余均与实施例9相同。
对比例1
在对比例1，将1kgPA66颗粒在干燥温度100℃下干燥8hr，然后置于V型混料机中进行充分混合均匀，得到混合料；将双螺杆挤出机的螺杆温度设置为240℃，将混合料料置于双螺杆挤出机的料桶中；混合料通过双螺杆挤出，形成的线材通过冷却水及牵引机置于末端的切粒机中，切粒机对线材进行剪切造粒，获得零添加PA66材料。
对比例2
在对比例2，将1kgTPU颗粒在干燥温度100℃下干燥2hr，然后置于V型混料机中进行充分混合均匀，得到混合料；将双螺杆挤出机的螺杆温度设置为210℃，将混合料料置于双螺杆挤出机的料桶中；混合料通过双螺杆挤出，形成的线材通过冷却水及牵引机置于末端的切粒机中，切粒机对线材进行剪切造粒，获得零添加TPU材料。
对比例3
在对比例2，将1kgHDPE置于V型混料机中进行充分混合均匀，得到混合料；将双螺杆挤出机的螺杆温度设置为165℃，将混合料料置于双螺杆挤出机的料桶中；混合料通过双螺杆挤出，形成的线材通过冷却水及牵引机置于末端的切粒机中，切粒机对线材进行剪切造粒，获得零添加HDPE材料。
将实施例1-12中获得耐磨材料和对比例1-3获得零添加材料分别进行磨耗测试和摩擦系数测试。
表1摩擦系数
Figure BDA0002579216790000121
表2磨耗测试GB/T 3960-2016
Figure BDA0002579216790000122
表3 DIN磨耗mm3
Figure BDA0002579216790000123
Figure BDA0002579216790000131
将实施例5-8的耐磨材料和对比例2的零添加材料在硬度为85A的条件下采用GB/T9867的测试方法(简称滚筒磨耗或DIN磨耗)进行体积磨耗测试，结果见表3。
将实施例1-4和实施例9-12的耐磨材料和对比例1和3的零添加材料采用GB/T3960-2016塑料滑动摩擦磨损实验方法检测塑料的耐磨性，结果见表2。
将实施例1-12的耐磨材料和对比例1-3的零添加材料采用布鲁克摩擦仪进行摩擦系数测试，结果见表1。
通过表1-3分析可知，相对于比较例1-3的零添加材料，添加有改性芳纶纤维的实施例1-12的材料的耐磨性和摩擦系数均得到提高。当将改性芳纶纤维的添加量增加至5:100时，摩擦系数将会呈现降低趋势。

Claims (10)

1.一种高摩擦系数的耐磨塑料，其特征在于，按重量份数计算，所述耐磨塑料包括如下组分：
塑料基体 100；
改性芳纶纤维 0.5-20；
其中，所述改性芳纶纤维的表面被-OH、-NH2、-F、或-Cl中的一种或多种接枝改性。
2.根据权利要求1所述的高摩擦系数的耐磨塑料，其特征在于，所述耐磨塑料包括如下组分：
塑料基体 100；
改性芳纶纤维 0.5-5。
3.根据权利要求1所述的高摩擦系数的耐磨塑料，其特征在于，所述耐磨塑料由如下组分组成：
塑料基体 100；
改性芳纶纤维 0.5-3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高摩擦系数的耐磨塑料，其特征在于，所述塑料基体选自PS、ABS、PA、PE、PP、CPE、PC、POM、TPU中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的高摩擦系数的耐磨塑料，其特征在于，所述塑料基体选自PA或PE中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高摩擦系数的耐磨塑料，其特征在于，所述改性芳纶纤维的直径为1μm～2mm，长度为1mm～15mm。
7.制备权利要求1所述的高摩擦系数的耐磨塑料的方法，其特征在于，包括如下步骤：按重量份数将塑料基体颗粒和改性芳纶纤维混合均匀后加入至混炼机中进行混炼，然后再通过挤出机挤出获得耐磨塑料。
8.根据权利要求7所述的高摩擦系数的耐磨塑料的方法，其特征在于，所述改性芳纶纤维通过如下步骤制备：
步骤(a)，将芳纶纤维加入真空反应器中，并经过热处理和第一次抽真空处理得到待反应的真空反应器；其中，待反应的真空反应器的温度不高于400℃，待反应的真空反应器内的压力为-0.05～0Mpa；
步骤(b)，向待反应的真空反应器中充入反应气体；其中，反应气体为第一种气体和第二种气体的混合气体，第一种气体选自四氯化碳、一氯甲烷、四氟化碳、六氟化硫或三氟化氮中的一种，第二种气体为含羟基气体或氨气；
步骤(c)，充入反应气体后，用射频放电电极对待反应真空反应器进行放电，获得改性芳纶纤维。
9.根据权利要求8所述的高摩擦系数的耐磨塑料的方法，其特征在于，步骤(b)中，第二种气体占混合气体的体积分数为0～10vol％。
10.根据权利要求8所述的高摩擦系数的耐磨塑料的方法，其特征在于，步骤(c)中，放电电压为20-200千伏，放电功率为0.3-0.5瓦每立方米，放电持续时间为10min-5hr。
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