CN111909511B - 一种高耐磨导热尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨导热尼龙复合材料，包括以下重量份的原料：尼龙树脂100‑110份、羟基封端聚二甲基硅氧烷10‑15份、中空多孔碳微球15‑25份、纳米β‑氮化硅10‑15份、纳米氧化镁粉10‑15份、硅铝类多孔微球10‑15份、纳米碳化硅5‑10份、纳米二氧化硅5‑10份、润滑剂0.05‑0.1份、抗氧剂0.05‑0.1份；中空多孔碳微球的平均外径为400‑450nm，平均内径为320‑350nm，介孔直径为45‑50nm。本发明的尼龙复合材料中添加中空多孔碳微球，纳米β‑氮化硅、纳米氧化镁粉、羟基封端聚二甲基硅氧烷，形成均匀分布的诸多导热通道，有助于导热填料的均匀分布，提高尼龙复合材料的导热性能。添加硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅提高尼龙复合材料的耐磨性。

Description

一种高耐磨导热尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种尼龙复合材料，尤其涉及一种高耐磨导热尼龙复合材料。
背景技术
导热材料广泛应用于换热工程、电子信息工程等领域。长期以来，大部分导热材料为金属材料，但是由于金属材料的抗腐蚀性能差以及加工性能不佳、产品设计自由度低等诸多因素，限制了其应用范围。尼龙作为一种工程塑料，具有良好的机械性能、较好的柔韧性、耐磨性、耐油性、自润滑性等优良的综合性能，尼龙产品的种类繁多，有PA6、PA66、PA46、PA612等，被广泛应用于汽车行业、电子电器工业、机械设备、建筑业等领域。
由于尼龙材料是绝缘体，且热导率极低，在很大程度上限制了尼龙在导热领域的应用。为了提高尼龙的导热性能，在制备尼龙复合材料过程中，需要添加大量的导热填料，但是，大量的导热材料会影响高分子材料的力学性能和加工性能等。因此有必要研究在填料含量不变的条件下尽可能的提高尼龙复合材料的导热系数。
为了提高导热材料的表面抗腐蚀性，通常采用冶金、防腐涂层等手段，但是此方法在很大的程度上降低了材料的导热性能并且材料的其他性能没有得到根本性的改善。近年来，随着导热材料应用范围越来越广泛，对材料的综合性能要求也越来越高。比如不仅要求材料具有优良的导热性能，还要求材料具有良好的机械性能、耐高温使用性能、耐环境腐蚀性能等，因此，研发一种高耐磨导热尼龙复合材料更好的满足导热材料领域的要求很有必要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高耐磨导热尼龙复合填料，具有耐磨性好，导热效率高的特点。
本发明的目的之二在于提供一种高耐磨导热尼龙复合填料的制备方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种高耐磨导热尼龙复合材料，包括以下重量份的原料：尼龙树脂100-110份、羟基封端聚二甲基硅氧烷10-15份、中空多孔碳微球15-25份、纳米β-氮化硅10-15份、纳米氧化镁粉10-15份、硅铝类多孔微球10-15份、纳米碳化硅5-10份、纳米二氧化硅5-10份、润滑剂0.05-0.1份、抗氧剂0.05-0.1份；
所述中空多孔碳微球的平均外径为400-450nm，平均内径为320-350nm，介孔直径为45-50nm。
进一步地，所述中空多孔碳微球通过以下方法制备得到：以甲基酚醛树脂为碳源，用98％浓硫酸在40℃对聚苯乙烯微球进行磺化改性3h，使甲基酚醛树脂包覆在聚苯乙烯微球上。将甲基酚醛树脂/聚苯乙烯复合物微球加热至750℃，保温3h得到碳化前驱体，再与与活化剂NaOH按质量比6:1混合，在450℃预活化30min，升温至850℃得到中空多孔碳微球。
进一步地，所述纳米β-氮化硅的平均粒径为20-50nm，所述纳米氧化镁粉的平均粒径为30-50nm。
进一步地，所述纳米碳化硅的平均粒径为80-200nm。
进一步地，所述纳米二氧化硅的平均粒径为80-100nm。
进一步地，所述尼龙树脂为尼龙6树脂、尼龙66树脂中的一种。
进一步地，所述润滑剂为硬脂酸甘油酯、硬脂酸丁酯、硬脂酸甲酯、硬脂酸钙中的至少一种。
进一步地，所述抗氧剂为2，6二叔丁基对甲酚、双十二碳醇酯、亚磷酸酯中的一种。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
上述高耐磨导热尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将中空多孔碳微球、纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉超声搅拌混合，得到混合物料A组分；
(2)将硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅、润滑剂超声搅拌混合，得到混合物料B组分；
(3)将上述A组分、B组分和尼龙树脂、羟基封端聚二甲基硅氧烷、抗氧剂加入双螺杆挤出机进行熔融挤出、造粒，即得成品。
进一步地，上述步骤(3)中沿混合物料的挤出方向，双螺杆挤出机进行熔融挤出时温度设置为：一区：220-230℃；二区：230-240℃；三区：240-250℃；四区：250℃-270℃；五区：260-280℃；六区：270-280℃；七区：270-280℃；八区：260-270℃；机头温度为270-280℃。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明的高耐磨导热尼龙复合材料中添加中空多孔碳微球，纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉，其中纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉可通过介孔进入中空多孔碳微球，形成均匀分布的诸多导热通道，有助于导热填料的均匀分布，同时添加羟基封端聚二甲基硅氧烷具有较好的延展性，有助于中空多孔碳微球的均匀分布，上述成分协同作用提高尼龙复合材料的导热性能。
2、本发明的高耐磨导热尼龙复合材料中添加硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅提高尼龙复合材料的耐磨性，纳米氮化硅和纳米二氧化硅在尼龙树脂的基体中易团聚，分散性差，本发明通过加入硅铝类多孔微球作为载体，三种成分协同作用，进一步提高尼龙复合材料的耐磨性。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种高耐磨导热尼龙复合材料，由以下重量份的原料组成：尼龙6树脂100份、羟基封端聚二甲基硅氧烷10份、平均外径为400nm，平均内径为320nm，介孔直径为45nm中空多孔碳微球15份、平均粒径为20nm纳米β-氮化硅10份、平均粒径为30nm纳米氧化镁粉10份、硅铝类多孔微球10份、平均粒径为80nm纳米碳化硅5份、平均粒径为80nm的纳米二氧化硅5份、硬脂酸甘油酯0.05份、2，6二叔丁基对甲酚0.05份。
上述高耐磨导热尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将中空多孔碳微球、纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉超声搅拌混合，得到混合物料A组分；
(2)将硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅、硬脂酸甘油酯超声搅拌混合，得到混合物料B组分；
(3)将上述A组分、B组分和尼龙6树脂、羟基封端聚二甲基硅氧烷、2，6二叔丁基对甲酚加入双螺杆挤出机进行熔融挤出、造粒，沿混合物料的挤出方向，双螺杆挤出机进行熔融挤出时温度设置为：一区：220℃；二区：230℃；三区：240℃；四区：250℃℃；五区：260℃；六区：270℃；七区：270℃；八区：260℃；机头温度为270℃，即得成品。
实施例2
一种高耐磨导热尼龙复合材料，由以下重量份的原料组成：尼龙66树脂105份、羟基封端聚二甲基硅氧烷12份、平均外径为430nm，平均内径为340nm，介孔直径为48nm中空多孔碳微球20份、平均粒径为30nm纳米β-氮化硅12份、平均粒径为40nm纳米氧化镁粉12份、硅铝类多孔微球12份、平均粒径为150nm纳米碳化硅8份、平均粒径为90nm的纳米二氧化硅8份、硬脂酸丁酯0.04份、硬脂酸甲酯0.04份、双十二碳醇酯0.08份。
上述高耐磨导热尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将中空多孔碳微球、纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉超声搅拌混合，得到混合物料A组分；
(2)将硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅、硬脂酸丁酯、硬脂酸甲酯超声搅拌混合，得到混合物料B组分；
(3)将上述A组分、B组分和尼龙66树脂、羟基封端聚二甲基硅氧烷、双十二碳醇酯加入双螺杆挤出机进行熔融挤出、造粒，沿混合物料的挤出方向，双螺杆挤出机进行熔融挤出时温度设置为：一区：225℃；二区：235℃；三区：245℃；四区：260℃；五区：270℃；六区：275℃；七区：275℃；八区：265℃；机头温度为275℃，即得成品。
实施例3
一种高耐磨导热尼龙复合材料，由以下重量份的原料组成：尼龙6树脂110份、羟基封端聚二甲基硅氧烷15份、平均外径为450nm，平均内径为350nm，介孔直径为50nm中空多孔碳微球25份、平均粒径为50nm纳米β-氮化硅15份、平均粒径为50nm纳米氧化镁粉15份、硅铝类多孔微球15份、平均粒径为200nm纳米碳化硅10份、平均粒径为100nm的纳米二氧化硅10份、硬脂酸钙0.1份、亚磷酸酯0.1份。
上述高耐磨导热尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将中空多孔碳微球、纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉超声搅拌混合，得到混合物料A组分；
(2)将硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅、硬脂酸钙超声搅拌混合，得到混合物料B组分；
(3)将上述A组分、B组分和尼龙6树脂、羟基封端聚二甲基硅氧烷、亚磷酸酯加入双螺杆挤出机进行熔融挤出、造粒，沿混合物料的挤出方向，双螺杆挤出机进行熔融挤出时温度设置为：一区：230℃；二区：240；三区：250℃；四区：270℃；五区：280℃；六区：280℃；七区：280℃；八区：270℃；机头温度为280℃，即得成品。
对比例1
对比例1提供一种尼龙复合材料，和实施例1的区别为：省去中空多孔碳微球，其余均和实施例1相同。
对比例2
对比例2提供一种尼龙复合材料，和实施例1的区别为：省去羟基封端聚二甲基硅氧烷，其余均和实施例1相同。
对比例3
对比例3提供一种尼龙复合材料，和实施例1的区别为：将中空多孔碳微球替换为厚径比为1000的石墨烯，其余均和实施例1相同。
对比例4
对比例4提供一种尼龙复合材料，和实施例1的区别为：将中空多孔碳微球替换为平均直径为100nm的碳纳米管，其余均和实施例1相同。
对比例5
对比例5提供一种尼龙复合材料，和实施例1的区别为：省去硅铝类多孔微球，其余均和实施例1相同。
性能测试：将实施例1，对比例1至5的尼龙复合材料分别放入恒温干燥箱中95℃，干燥7h，然后用注塑机注塑为标准测试块，分别测试测试块的导热系数、磨损率、阻燃性，结果如表1所示，其中体积磨损率的测试方法如下：取干燥后的测试块摩擦时间2.5h，滑动速度为0.45m/s，载荷300N，用精确度为0.01mg的精密电子天平测定磨损质量损失，并根据复合材料的相对密度及实验参数将磨损质量换为体积磨损率。
表1
Figure BDA0002633740900000071
由表1可以看出实施例1的尼龙复合材料的导热系数较高，耐磨性更好。对比例1至4的尼龙复合材料导热性能不及实施例1。对比例1、对比例3和对比例4中省去中空多孔碳微球、或将中空多孔碳微球替换为石墨烯、碳纳米管后，导热填料纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉的分布均匀性不及添加中空多隆碳微球的，这是因为纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉可通过介孔进入中空多孔碳微球，中空多孔碳微球上的高密度的短程扩散路径形成均匀分布的诸多导热通道，有助于导热填料的均匀分布，提高材料的导热性能。对比例2中省去了羟基封端聚二甲基硅氧烷，复合材料的导热性能也有一定程度的下降，这是因为添加的羟基封端聚二甲基硅氧烷具有较好的延展性，有助于中空多孔碳微球的均匀分布，进一步提高尼龙复合材料的导热性能。
对比例5中省去了硅铝类多孔碳微球，复合材料的耐磨性降低，说明本发明添加硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅提高尼龙复合材料的耐磨性，纳米氮化硅和纳米二氧化硅在尼龙树脂的基体中易团聚，分散性差，本发明通过加入硅铝类多孔微球作为载体，三种成分协同作用，提高尼龙复合材料的耐磨性。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种高耐磨导热尼龙复合材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：尼龙树脂100-110份、羟基封端聚二甲基硅氧烷10-15份、中空多孔碳微球15-25份、纳米β-氮化硅10-15份、纳米氧化镁粉10-15份、硅铝类多孔微球10-15份、纳米碳化硅5-10份、纳米二氧化硅5-10份、润滑剂0.05-0.1份、抗氧剂0.05-0.1份；
所述中空多孔碳微球的平均外径为400-450nm，平均内径为320-350nm，介孔直径为45-50nm；所述纳米β-氮化硅的平均粒径为20-50nm，所述纳米氧化镁粉的平均粒径为30-50nm。
2.根据权利要求1所述高耐磨导热尼龙复合材料，其特征在于，所述纳米碳化硅的平均粒径为80-200nm。
3.根据权利要求1所述高耐磨导热尼龙复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的平均粒径为80-100nm。
4.根据权利要求1所述高耐磨导热尼龙复合材料，其特征在于，所述尼龙树脂为尼龙6树脂、尼龙66树脂中的一种。
5.根据权利要求1所述高耐磨导热尼龙复合材料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸甘油酯、硬脂酸丁酯、硬脂酸甲酯、硬脂酸钙中的至少一种。
6.根据权利要求1所述高耐磨导热尼龙复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为2,6-二叔丁基对甲酚、双十二碳醇酯、亚磷酸酯中的一种。
7.如权利要求1至6任一项所述高耐磨导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将中空多孔碳微球、纳米β-氮化硅、纳米氧化镁粉超声搅拌混合，得到混合物料A组分；
(2)将硅铝类多孔微球、纳米碳化硅、纳米二氧化硅、润滑剂超声搅拌混合，得到混合物料B组分；
(3)将上述A组分、B组分和尼龙树脂、羟基封端聚二甲基硅氧烷、抗氧剂加入双螺杆挤出机进行熔融挤出、造粒，即得成品。
8.根据权利要求7所述高耐磨导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(3)中沿混合物料的挤出方向，双螺杆挤出机进行熔融挤出时温度设置为：一区：220-230℃；二区：230-240℃；三区：240-250℃；四区：250℃-270℃；五区：260-280℃；六区：270-280℃；七区：270-280℃；八区：260-270℃；机头温度为270-280℃。
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