CN112920542A - 高强度abs复合材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强度ABS复合材料及其制备工艺，所述ABS复合材料由ABS母粒、碳纤维、石墨烯、金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌，硬脂酸和偶联剂组成。该复合材料的制备工艺如下：1）各基材制备；2）ABS母粒处理；3）硬脂酸处理的石墨烯；4）混炼制作基材颗粒；5）基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混注塑成型。本发明工艺流程简单，连续性强，生产效率高，通过本发明制备的高强度ABS复合材料具有较高的冲击强度和表面硬度，并且还有高韧性、高强、轻质、高撕裂耐腐蚀等优点。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及高强度ABS复合材料及其制备工艺。
背景技术
ABS塑料是丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S三种单体的三元共聚物，三种单体相对含量可任意变化，制成各种树脂。ABS塑料兼有三种组元的共同性能，A使其耐化学腐蚀、耐热，并有一定的表面硬度，B使其具有高弹性和韧性，S使其具有热塑性塑料的加工成型特性并改善电性能。因此ABS塑料是一种原料易得、综合性能良好、价格便宜、用途广泛的“坚韧、质硬、刚性”材料。ABS塑料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中获得了广泛的应用。
同时ABS有优良的力学性能，其冲击强度较好，可以在极低的温度下使用，即使ABS制品被破坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏，ABS的耐磨性能优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。但是ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的，而且ABS的力学性能受温度的影响较大。因此为了解决以上问题，开发一种强度ABS复合材料是很有必要的。
发明内容
基于以上现有技术，本发明的目的在于提供一种强度ABS复合材料及其制备工艺，工艺流程简单，连续性强，生产效率高，通过本发明制备的高强度ABS复合材料具有较高的冲击强度和表面硬度，并且还有高韧性、高强、轻质、高撕裂耐腐蚀等优点。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
高强度ABS复合材料，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒40～55份、碳纤维2～6份、石墨烯2～8份、金属增强剂1～3份、相容剂2～5份、抗氧化剂0.5～1.5份、硬脂酸锌1～3份、硬脂酸1～3份、偶联剂1～5份。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒45份、碳纤维3份、石墨烯4份、金属增强剂2份、相容剂3份、抗氧化剂1.0份、硬脂酸锌2份、硬脂酸2份、偶联剂3份。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述金属增强剂为纳米氧化锌或者硼酸氧化铝；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯或者丙烯酸接枝聚丙烯；偶联剂为钛酸酯类偶联剂或者硅烷偶联剂。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述抗氧化剂为2，6二叔丁基-4-甲酚、β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸、正十八碳酸醇酯、亚磷酸三苯酯、亚硫酸三丁酯、双水杨叉二胺、草酰胺中的一种或几种。
本发明还提供高强度ABS复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理；
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯；
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型。
为了更好的实现本发明，进一步的，步骤二中ABS母粒处理方式为：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为70～85℃，干燥时间为2～6h；然后在70～80℃的热风循环干燥箱内放置2～4h，再冷却至室温备用。
为了更好的实现本发明，进一步的，步骤三中石墨烯处理的具体步骤为，将石墨烯、硬脂酸和去离子水按2～8:1～3:80～100质量比混合后加热至100～160℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持4～8h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
为了更好的实现本发明，进一步的，步骤四中混炼温度为120～160℃，混炼时间为3～6h。
为了更好的实现本发明，进一步的，步骤五中熔融挤出或注塑温度为170～200℃，系统压力为6～10Mpa。
有益效果
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的ABS复合材料中主料是丙烯腈A-丁二烯B-苯乙烯S的三元共聚物。它综合了三种组分的性能，其中丙烯腈具有高的硬度和强度、耐热性和耐腐蚀性；丁二烯具有抗冲击性和韧性；苯乙烯具有表面高光泽性、易着色性和易加工性。上述三组分的特性使ABS塑料成为一种“质坚、性韧、刚性大”的综合性能良好的热塑性塑料。调整ABS三组分的比例，其性能也随之发生变化，可以适应各种应用的要求。
(2)本发明的复合材料中含有有碳纤维和石墨烯，其中碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好；石墨烯其作为新型材料，少量填充即可大幅度提高材料的机械性能，提高硬度和强度，能够承受较大压力不变形开裂，同时产品摩擦力高，还具有良好的电热特性，绝缘性好，不导电，抗静电。
(3)本发明的复合材料有金属增强剂，纳米氧化锌或者硼酸氧化铝，金属增强剂有助于增加材料的韧性和强度，其重量比金属要轻很多，同时加有抗氧化剂，抗氧化剂可以进一步阻止紫外线的吸收和氧化作用，从而提高了其应有范围，高韧性、高强度、抗腐蚀，不易老化等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供的高强度ABS复合材料，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒40份、碳纤维2份、石墨烯2份、金属增强剂1份、相容剂2份、抗氧化剂0.5份、硬脂酸锌1份、硬脂酸1份、偶联剂1份。
其中金属增强剂为纳米氧化锌；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；偶联剂为钛酸酯类偶联剂。
抗氧化剂为2，6二叔丁基-4-甲酚。
本实施例还提供高强度ABS复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为70℃，干燥时间为6h；然后在70℃的热风循环干燥箱内放置4h，再冷却至室温备用。
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯：将石墨烯、硬脂酸和去离子水按2:1:80质量比混合后加热至110℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持8h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼温度为120℃，混炼时间为6h，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型，熔融挤出或注塑温度为170℃，系统压力为10Mpa。
实施例2
本实施例提供的高强度ABS复合材料，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒45份、碳纤维3份、石墨烯3份、金属增强剂2份、相容剂3份、抗氧化剂0.8份、硬脂酸锌1份、硬脂酸1份、偶联剂2份。
其中金属增强剂为硼酸氧化铝；相容剂为丙烯酸接枝聚丙烯；偶联剂为硅烷偶联剂。
抗氧化剂为亚磷酸三苯酯。
本实施例还提供高强度ABS复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为75℃，干燥时间为5h；然后在72℃的热风循环干燥箱内放置4h，再冷却至室温备用。
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯：将石墨烯、硬脂酸和去离子水按3:1:85质量比混合后加热至120℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持7h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼温度为130℃，混炼时间为5h，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型，熔融挤出或注塑温度为180℃，系统压力为8Mpa。
实施例3
本实施例提供的高强度ABS复合材料，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒45份、碳纤维3份、石墨烯4份、金属增强剂2份、相容剂3份、抗氧化剂1.0份、硬脂酸锌2份、硬脂酸2份、偶联剂3份。
其中金属增强剂为纳米氧化锌；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；偶联剂为钛酸酯类偶联剂。
抗氧化剂为2，6二叔丁基-4-甲酚，亚硫酸三丁酯，草酰胺按质量比1:1:1的混合物。
本实施例还提供高强度ABS复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为78℃，干燥时间为4h；然后在75℃的热风循环干燥箱内放置3h，再冷却至室温备用。
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯：将石墨烯、硬脂酸和去离子水按4:2:90质量比混合后加热至140℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持6h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼温度为140℃，混炼时间为4h，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型，熔融挤出或注塑温度为190℃，系统压力为8Mpa。
实施例4
本实施例提供的高强度ABS复合材料，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒50份、碳纤维5份、石墨烯6份、金属增强剂2份、相容剂4份、抗氧化剂1.2份、硬脂酸锌3份、硬脂酸3份、偶联剂4份。
其中金属增强剂为纳米氧化锌；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；偶联剂为钛酸酯类偶联剂。
抗氧化剂为β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸、亚硫酸三丁酯按质量比1:1的混合物。
本实施例还提供高强度ABS复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为3h；然后在78℃的热风循环干燥箱内放置3h，再冷却至室温备用。
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯：将石墨烯、硬脂酸和去离子水按6:3:95质量比混合后加热至150℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持5h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼温度为150℃，混炼时间为4h，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型，熔融挤出或注塑温度为190℃，系统压力为7Mpa。
实施例5
本实施例提供的高强度ABS复合材料，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒55份、碳纤维6份、石墨烯8份、金属增强剂3份、相容剂5份、抗氧化剂1.5份、硬脂酸锌3份、硬脂酸3份、偶联剂5份。
其中金属增强剂为硼酸氧化铝；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；偶联剂为硅烷偶联剂。
抗氧化剂为2，6二叔丁基-4-甲酚、草酰胺按质量比1:1的混合物。
本实施例还提供高强度ABS复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为85℃，干燥时间为2h；然后在80℃的热风循环干燥箱内放置2h，再冷却至室温备用。
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯：将石墨烯、硬脂酸和去离子水按8:3:100质量比混合后加热至160℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持4h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼温度为160℃，混炼时间为3h，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型，熔融挤出或注塑温度为200℃，系统压力为6Mpa。
对上述实施例1至5制得的高强度ABS复合材料进行性能测试，测试方法按照GB/T12670-2008标准的方法进行，测试结果如下：
测试结果如下：
表1测试结果
| 测试结果 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 拉伸屈服应力Mpa | 140 | 146 | 155 | 151 | 148 |
| 弯曲模量Mpa | 1946 | 1950 | 1962 | 1955 | 1949 |
| 断裂强度N/mm | 88 | 91 | 95 | 93 | 92 |
| 撕裂强度N | 516 | 550 | 557 | 552 | 548 |
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.高强度ABS复合材料，其特征在于，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒40~55份、碳纤维2~6份、石墨烯2~8份、金属增强剂1~3份、相容剂2~5份、抗氧化剂0.5~1.5份、硬脂酸锌1~3份、硬脂酸1~3份、偶联剂1~5份。
2.根据权利要求1所述的高强度ABS复合材料，其特征在于，所述ABS复合材料包括下述质量份原料：ABS母粒45份、碳纤维3份、石墨烯4份、金属增强剂2份、相容剂3份、抗氧化剂1.0份、硬脂酸锌2份、硬脂酸2份、偶联剂3份。
3.根据权利要求1所述的高强度ABS复合材料，其特征在于，所述金属增强剂为纳米氧化锌或者硼酸氧化铝；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯或者丙烯酸接枝聚丙烯；偶联剂为钛酸酯类偶联剂或者硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的高强度ABS复合材料，其特征在于，所述抗氧化剂为2，6二叔丁基-4-甲酚、β-（4-羟基-3,5-二叔丁基苯基）丙酸、正十八碳酸醇酯、亚磷酸三苯酯、亚硫酸三丁酯、双水杨叉二胺、草酰胺中的一种或几种。
5.高强度ABS复合材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、各基材制备：按工艺配方进行各原料称量，并分别粉碎成颗粒备用；
步骤二、ABS母粒处理；
步骤三、硬脂酸处理的石墨烯；
步骤四、混炼制作基材颗粒：将用硬脂酸处理的石墨烯加热后，依次加入处理后的ABS母粒、碳纤维在混炼机中进行混炼，混炼后降温、冷却、粉碎后制作成基材颗粒；
步骤五、基材颗粒和金属增强剂、相容剂、抗氧化剂、硬脂酸锌和偶联剂熔融共混挤出或注塑成型。
6.根据权利要求5所述的高强度ABS复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤二中ABS母粒处理方式为：将ABS母粒进行干燥处理，干燥温度为70~85℃，干燥时间为2~6h；然后在 70~80℃的热风循环干燥箱内放置2~4h，再冷却至室温备用。
7.根据权利要求5所述的高强度ABS复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤三中石墨烯处理的具体步骤为，将石墨烯、硬脂酸和去离子水按2~8:1~3:80~100质量比混合后加热至100~160℃，加热至过程持续进行机械搅拌，加热至温度后维持4~8h进行乳液聚合，得到硬脂酸处理的石墨烯。
8.根据权利要求5所述的高强度ABS复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤四中混炼温度为120~160℃，混炼时间为3~6h。
9.根据权利要求5所述的高强度ABS复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤五中熔融挤出或注塑温度为170~200℃，系统压力为6~10Mpa。
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