CN114685095B - 一种有机-无机复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种有机-无机复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种有机‑无机复合材料，该复合材料包括如下质量百分比的组分：55‑90%的铝酸盐、10‑30%的塑胶和0‑15%的氧化铝，其中，所述铝酸盐选自片状铝酸盐或棒状铝酸盐。上述有机‑无机复合材料具有硬度高，强度高，抗冲击性能好等优点。

Description

一种有机-无机复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本申请属于复合材料技术领域，具体涉及一种有机-无机复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
塑胶是常用的工程材料，它具有比重轻、易加工、制造成本低的特点，但其表面硬度低、易划伤、耐溶剂、耐紫外光老化性能差；而陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高熔点、耐氧化等特点。陶瓷-塑胶复合材料能够有望兼顾陶瓷与塑胶的优点，具有广阔的应用前景。但陶瓷和塑料难以密切结合，普通陶瓷的烧结至少需要1200℃以上的高温，这是一般塑料所无法承受的，且陶瓷和塑料的线性热膨胀系数相差比较大，当陶瓷-塑胶复合材料在遭遇外界温度的急剧变化时容易发生两相的分离，难以满足市场需求。
发明内容
针对现有上述现有技术的不足，本申请提供了一种有机-无机复合材料及其制备方法和应用，该有机-无机复合材料的硬度高，强度高且抗冲击性能好。
第一方面，本申请提供了一种有机-无机复合材料，该复合材料包括如下质量百分比的组分：55-90%的铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝，其中，所述铝酸盐选自片状铝酸盐或棒状铝酸盐。
第二方面，本申请提供了如上所述的复合材料的制备方法，包括：将塑胶和氧化铝进行第一混合，得到第一混合物；向第一混合物中加入铝酸盐进行第二混合，得到复合材料。
第三方面，本申请提供了如上所述的复合材料在电子产品上的应用。
本申请的发明人通过大量实验研究发现，55-90%的片状或棒状铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝共同形成的有机-无机复合材料，具有硬度高，强度高，抗冲击性能好等优点。
具体实施方式
为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供一种有机-无机复合材料，该复合材料包括如下质量百分比的组分：55-90%的铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝，其中，所述铝酸盐选自片状铝酸盐或棒状铝酸盐。
本申请所述复合材料组分中含有55-90%的片状铝酸盐或棒状铝酸盐，能够有效提升复合材料强度，使得复合材料具有较高的硬度。
本申请所述复合材料组分中含有10-30%塑胶，能够为复合材料的成型性提供良好基础，使得复合材料易于加工，具有良好的加工成型性；且上述含量的塑胶能够有效提升复合材料的韧性，使得复合材料具有良好的抗冲击性能。
氧化铝为本申请所述复合材料的可选组分，含有上述含量的氧化铝，能够增加复合材料的流动性，使得复合材料便于注塑成型。
根据本申请的实施方式，所述复合材料中的片状铝酸盐或棒状铝酸盐为含铝酸根的盐类，通过在复合材料中加入与铝酸盐基体性质相近的氧化铝，能够提高复合材料各组分的相容性，且有助于提升复合材料的流动性。
发明人通过大量实验研究发现，55-90%的片状或棒状铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝共同形成的有机-无机复合材料，具有硬度高，强度高，抗冲击性能好优点。
根据本申请的实施方式，所述铝酸盐的含量可以为55%、60%、65%、70%、75%、80%或90%，所述塑胶的含量可以为10%、15%、20%、25%或30%，所述氧化铝的含量为1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%或15%。
根据本申请的实施方式，所述复合材料包括如下质量百分比的组分：60-70%的铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝。由此，所述复合材料的综合性能能够得到进一步提升。
根据本申请的实施方式，所述片状铝酸盐的径厚比为5-50。由此，可进一步保证所述复合材料的强度和抗冲击性能。优选地，所述片状铝酸盐的径厚比为10-40。需要说明的是，本申请所述径厚比的测试方法为：在所述复合材料的SEM图片中选择面积5*5μm2区域，测量该区域内片状晶须（即片状铝酸盐）直径与厚度的比值，取平均值。
根据本申请的实施方式，所述棒状铝酸盐的长径比为5-50。由此，可进一步保证所述复合材料的强度和抗冲击性能。优选地，所述棒状铝酸盐的长径比为10-40。需要说明的是，本申请所述长径比的测试方法为：在所述复合材料的SEM图片中选择面积5*5μm2区域，测量该区域内棒状晶须（即棒状铝酸盐）直径与厚度的比值，取平均值。
根据本申请的实施方式，所述铝酸盐选自Na2Al12O19、K2Al12O19、LaAl11O18、BaAl12O19、CaAl12O19和SrAl12O19中的至少一种，选用上述铝酸盐有利于复合材料强度的提升。
根据本申请的实施方式，所述塑胶为具有一定刚性，且高温下流动性好的塑胶。优选地，所述塑胶的四点弯曲强度在60-80MPa范围内。采用具有一定刚性，且高温流动性好的塑胶，可以进一步保证所述复合材料强度和加工成型性。
根据本申请的实施方式，所述塑胶包括PPS、PBT、PC、PA、PEEK、PU、环氧树脂、硅树脂和丙烯酸树脂中的至少一种。
根据本申请的实施方式，所述氧化铝为经过改性处理的氧化铝。所述改性处理可以为偶联剂改性处理。可选地，所述偶联剂可以为钛酸酯、硬脂酸、硅烷偶联剂、锆酸酯、铝酸酯中的一种或几种，优选地，偶联剂改性处理氧化铝中，偶联剂的质量占氧化铝总量的0.5-1.5%。所述复合材料含有经过偶联剂改性处理的氧化铝，能够有效改善复合材料的流动性，提高铝酸盐与塑胶的结合力。
根据本申请的实施方式，所述复合材料的四点弯曲强度为150-280MPa。
根据本申请的实施方式，厚度为0.8mm的复合材料，32g钢球跌落高度大于等于10cm。
本申请提供了如上所述的复合材料的制备方法，包括：将塑胶和氧化铝进行第一混合，得到第一混合物；向第一混合物中加入铝酸盐进行第二混合，得到复合材料。
所述第一混合与所述第二混合可以在高速混合机、挤出机或密炼机中进行，从而保证复合材料各组分混合的均匀性。优选地，第二混合是在挤出机或密炼机中进行。
需要说明的是：当氧化铝、氧化铝的含量均为0%时，可以省去第一混合步骤，将塑胶与铝酸盐进行第二混合，或者，第一混合也可以是塑胶自身的混合，第一混合物即为塑胶，然后再将塑胶与铝酸盐进行第二混合。本申请上述复合材料的制备方法，在含有氧化铝的情况下，先将塑胶与氧化铝混合，然后再加入铝酸盐，能够避免片状铝酸盐或棒状铝酸盐的物理结构被破坏，从而提升复合材料的强度。
根据本申请的实施方式，所述第一混合的温度：200-400℃，时间为：0.5-8h；第二混合的温度为200-400℃，时间为5-30min。本申请第一混合与第二混合的温度、时间控制在上述条件下，能够使得复合材料的各组分混合物均匀，且不会破坏片状铝酸盐或棒状铝酸盐的物理结构，进一步提升复合材料的强度。
本申请提供了如上所述的复合材料在电子产品上的应用。可选地，所述电子产品可以为手机、智能穿戴产品等。
实施例1
以质量百分计，有机-无机复合材料的组分为：15%的氧化铝、60%长径比为30的棒状LaAl11O18和25%的PPS塑胶；
有机-无机复合材料注塑件的制作工艺为：
将1.5Kg氧化铝和2.5KgPPS塑胶在密炼机中混合1h，混合温度为300℃，得到第一混合物；
将螺杆挤出机升温至300℃，将第一混合物和6.0Kg长径比为30的棒状LaAl11O18在挤出机中挤出、造粒得到喂料，挤出时间为20min；
将喂料装入注塑机料斗，安装注塑模具，设定注塑机料桶温度为300℃，注塑压力为140MPa，保压时间20s，模具温度150℃，得到注塑件。
实施例2
以质量百分计，有机-无机复合材料的组分为：15%的氧化铝、60%长径比为30的棒状LaAl11O18和25%的PA塑胶；
有机-无机复合材料注塑件的制作工艺为：
将1.5Kg氧化铝和2.5KgPA塑胶在密炼机中混合1h，混合温度为280℃，得到第一混合物；
将螺杆挤出机升温至280℃，将第一混合物和6.0Kg长径比为30的棒状LaAl11O18在挤出机中挤出、造粒得到喂料，挤出时间为20min；
将喂料装入注塑机料斗，安装注塑模具，设定注塑机料桶温度为280℃，注塑压力为140MPa，保压时间20s，模具温度150℃，得到注塑件。
实施例3
以质量百分计，有机-无机复合材料的组分为：15%的氧化铝、60%长径比为30的棒状LaAl11O18和25%的PU塑胶；
有机-无机复合材料注塑件的制作工艺为：
将1.5Kg氧化铝和2.5KgPU塑胶在密炼机中混合1h，混合温度为270℃，得到第一混合物；
将螺杆挤出机升温至270℃，将第一混合物和6.0Kg长径比为30的棒状LaAl11O18在挤出机中挤出、造粒得到喂料，挤出时间为20min；
将喂料装入注塑机料斗，安装注塑模具，设定注塑机料桶温度为270℃，注塑压力为140MPa，保压时间20s，模具温度150℃，得到注塑件。
实施例4
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：10%的氧化铝、70%长径比为30的棒状LaAl11O18和20%的PPS。
实施例5
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：0%的氧化铝、70%长径比为30的棒状LaAl11O18和30%的PPS。
实施例6
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：15%的氧化铝、60%径厚比为30的片状CaAl12O19和25%的PPS。
实施例7
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：15%的氧化铝、60%长径比为30的棒状K2Al12O19和25%的PPS。
实施例8
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：5%的氧化铝、75%长径比为30的棒状LaAl11O18和20%的PPS。
实施例9
与实施例1大致相同，不同之处在于，棒状LaAl11O18的长径比为2。
实施例10
与实施例1大致相同，不同之处在于，棒状LaAl11O18的长径比为60。
实施例11
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：15%的硬脂酸改性氧化铝、60%长径比为60的棒状LaAl11O18和25%的PPS。
实施例12
与实施例1大致相同，不同之处在于，棒状LaAl11O18的长径比为10。
实施例13
与实施例1大致相同，不同之处在于，棒状LaAl11O18的长径比为20。
实施例14
与实施例1大致相同，不同之处在于，棒状LaAl11O18的长径比为40。
对比例1
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：75%的氧化铝和25%的PPS。
对比例2
与实施例1大致相同，不同之处在于，LaAl11O18为粉末状，其平均粒径为0.2微米。
对比例3
与实施例1大致相同，不同之处在于，有机-无机复合材料的组分为：15%的氧化铝、40%长径比为30的棒状LaAl11O18和45%的PPS。
性能测试：
1、熔融指数：根据标准ASTM D1238-04测试复合材料的熔融指数，其中：塑胶为PPS的复合材料的测试条件是：290℃/5Kg，塑胶为PA的复合材料的测试条件为：280℃/5Kg；塑胶为PU的复合材料的测试条件为：250℃/5Kg；
2、四点弯曲强度（4PB）测试：根据标准ASTM D790测试复合材料的四点弯曲性能；
3、铅笔硬度：根据标准GB T 6739-2006测试复合材料的铅笔硬度；
4、落球测试：根据标准ASTM E208测试复合材料的抗摔性能，具体的测试方法/条件为：用32g重的落锤砸样品中心位置（样品厚度0.8mm），从5cm高度开始，如果不裂就按照每次5cm的高度增加，直到样品出现肉眼可见裂纹停止，记录高度值。
测试得到的数据如表1所示：
表1
铅笔硬度 熔融指数(g/10min) 4PB/MPa 32g钢球跌落
实施例1 5H 20 200 25cm OK
实施例2 3H 26 220 25cm OK
实施例3 3H 26 200 25cm OK
实施例4 4H 12 280 30cm OK
实施例5 3H 8 285 40cm OK
实施例6 3H 16 220 25cm OK
实施例7 3H 18 230 30cm OK
实施例8 4H 10 180 20cm OK
实施例9 5H 25 150 10cm OK
实施例10 4H 8 150 15cm OK
实施例11 4H 30 240 30cm OK
实施例12 5H 25 170 20cm OK
实施例13 5H 22 190 25cm OK
实施例14 5H 17 200 25cm OK
对比例1 3H 8 70 5cm NG
对比例2 2H 10 72 5cm NG
对比例3 3H 30 120 5cm NG
由表1 的测试结果可知，本申请方案实施例1-实施例14制备得到的复合材料的综合性能明显优于对比例1-3的复合材料的综合性能。其中，对比例3的各组分含量不在本申请范围内，虽然其流动性好，但其四点弯曲强度及抗冲击性均较差。
综上所述，本申请的复合材料在片状/棒状铝酸盐、塑胶、氧化铝的协同作用下，提高了复合材料的弯曲强度和抗冲击性能力。本申请提供的复合材料具有较高的硬度，弯曲强度和抗冲击性能。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种有机-无机复合材料，其特征在于，所述复合材料包括如下质量百分比的组分：55-90%的铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝，且氧化铝不为0，其中，所述铝酸盐选自片状铝酸盐或棒状铝酸盐；所述片状铝酸盐的径厚比为5-50，所述棒状铝酸盐的长径比为5-50；
所述复合材料的制备方法包括：
将塑胶和氧化铝进行第一混合，得到第一混合物；
向第一混合物中加入铝酸盐进行第二混合，得到复合材料；
所述第一混合的温度为：200-400℃，时间为：0.5-8h；所述第二混合的温度为200-400℃，时间为5-30min。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括如下质量百分比的组分：60-70%的铝酸盐、10-30%的塑胶和0-15%的氧化铝。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述铝酸盐选自Na2Al12O19、K2Al12O19、LaAl11O18、BaAl12O19、CaAl12O19和SrAl12O19中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述塑胶包括PPS、PBT、PC、PA、PEEK、PU、环氧树脂、硅树脂和丙烯酸树脂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述氧化铝为经过改性处理的氧化铝。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的四点弯曲强度为150-280MPa。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的复合材料在电子产品上的应用。
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