CN114685974A - 一种尼龙复合材料及其制备方法、注塑制件、家用电器 - Google Patents

一种尼龙复合材料及其制备方法、注塑制件、家用电器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及尼龙材料技术领域，具体涉及一种尼龙复合材料及其制备方法、注塑制件、家用电器。本发明所述的尼龙复合材料包括主料及助剂，所述主料包括尼龙和玻璃纤维；所述助剂包括防翘曲剂，所述防翘曲剂为乙烯‑甲基丙烯酸钾盐共聚物和/或乙烯‑甲基丙烯酸镁盐共聚物。本发明通过向尼龙复合材料中添加特定共聚物可显著减少尼龙成型后结晶，避免大尺寸收缩现象，确保注塑制件在存放或后续使用过程中保持良好的尺寸稳定性，不发生翘曲变形。所得尼龙复合材料不仅具有高强度、高刚度及耐温性，而且尺寸稳定性好；同时还具有良好的加工性，所得注塑制品表面光滑匀称，外观美观，非常适合应用于家庭电器产品中，如咖啡壶底座、电磁炉底座等产品。

Description

一种尼龙复合材料及其制备方法、注塑制件、家用电器
技术领域
本发明属于尼龙材料技术领域，具体涉及一种尼龙复合材料及其制备方法、注塑制件、家用电器。
背景技术
尼龙6是一种具有熔点较低、加工温度范围宽的工程塑料，其价格低廉，用途广泛。玻璃纤维增强尼龙6与其它工程塑料相比，具有优异的机械性能(如高强度、高模量、高硬度)和较好的热性能(如高热变形温度)，加入玻璃纤维增强后，0.45MPa下的热变形温度可达220℃。鉴于其优异的力学性能和耐热性能，良好的耐油和溶剂性能，非常适合应用于家庭电器产品中，如咖啡壶底座、电磁炉底座等产品。
尼龙6为一种半结晶性材料，在加入玻璃纤维后，较大的收缩以及收缩的异向性叠加使成型加工时材料的各向异性明显，易导致注塑制件严重翘曲变形，影响注塑制件的良品率和后续使用。而且，由于尼龙6为半结晶性材料，结晶过程较长，成型后会继续结晶，进而出现收缩现象，导致注塑制件在存放或后续使用过程中出现变形。
CN111253735A公开了一种低收缩尼龙复合材料，通过氯化锂和热塑性聚氨酯的引入，借助两者和尼龙分子链的反应作用，限制了尼龙分子链的运动，从而阻碍了尼龙的结晶性；由于尼龙结晶性的下降，该复合材料的注塑产品的收缩率降低，且无翘曲变形现象的产生。
上述方法虽然降低了复合材料的收缩率，但同时也使复合材料的机械性能大大降低；并且氯盐作为一种干燥剂，其吸水性大，加入后会大大增加尼龙复合材料的吸水率，影响产品尺寸的稳定性，甚至更易翘曲。
发明内容
本发明的第一方面目的是提供一种尼龙复合材料，其不仅具有高强度、高刚度及耐温性，而且尺寸稳定性好，不易翘曲变形。
本发明所述的尼龙复合材料包括主料及助剂，所述主料包括尼龙和玻璃纤维；所述助剂包括防翘曲剂，所述防翘曲剂为乙烯-甲基丙烯酸钾盐共聚物和/或乙烯-甲基丙烯酸镁盐共聚物。
本发明意外发现向尼龙复合材料中添加上述特定共聚物可显著减少尼龙成型后结晶，避免大尺寸收缩现象，确保注塑制件在存放或后续使用过程中保持良好的尺寸稳定性，不发生翘曲变形。
优选地，所述防翘曲剂的添加量不超过所述主料总质量的10％；优选地，所述防翘曲剂的添加量为所述主料质量的0.2-7％；进一步优选为0.2-1％。虽然防翘曲剂能有效改善复合材料的收缩问题，但添加量过多会影响复合材料的力学性能。通过优化调整防翘曲剂与主料的比例，可兼具保持尺寸稳定性及力学性能、生产成本。
所述防翘曲剂是通过原料乙烯和甲基丙烯酸盐共聚而得，所述甲基丙烯酸盐为甲基丙烯酸钾盐或甲基丙烯酸镁盐。优选地，所述防翘曲剂中乙烯-甲基丙烯酸盐的含量为8-20％。通过合理控制防翘曲剂中乙烯-甲基丙烯酸盐的含量，能够有效改善材料收缩问题并保持较低的吸水率。
优选地，所述尼龙的特征粘度为2.5～3.0。研究表明，通过控制尼龙的特征粘度范围，能够保证复合材料具有良好的机械性能，例如尼龙6。
优选地，所述玻璃纤维为短纤，优选直径为13～14μm的短纤。研究表明，短纤更有助于提高复合材料的力学性能。
本发明所述主料中，所述尼龙与所述玻璃纤维的质量比为1：(0.3-0.7)。通过调整两者比例，可获得不同力学性能及耐热性的尼龙复合材料，从而满足不同注塑制品的使用要求。
所述尼龙复合材料中，所述助剂还包括无机矿物，所述无机矿物具有对称性结构的颗粒状。研究发现，添加上述防翘曲剂能有效改善复合材料的收缩问题，但添加量较高(例如超过5％)容易降低复合材料的力学性能；并且由于防翘曲剂价格高，添加量较高也增加了成本。发明人意外地发现，在添加上述防翘曲剂的基础上添加适量的无机矿物，利用两者协同作用既提高复合材料的尺寸稳定性，又保持良好的力学性能。
优选地，所述无机矿物的粒径为800-3000目。所述无机矿物的添加量为所述主料总质量的5-13％。研究发现，粒径过大或添加量过高容易降低复合材料的力学性能，而添加量较低又无法起到协同作用；为此控制粒径及添加量在合理范围内有助于兼顾两方面作用。
所述无机矿物为超细玻璃微珠或粉煤灰中的一种或几种组合。其球形结构有助于防止翘曲。
本发明所述尼龙复合材料中，所述助剂还包括增韧剂、热稳定剂或抗浮纤剂中的一种或几种。通过添加合适的助剂确保复合材料具有良好的综合性能和表面外观。
作为本发明的具体实施方式之一，所述尼龙复合材料包括如下重量份的组分：尼龙50-80重量份；玻璃纤维20-35重量份；增韧剂3-10重量份；热稳定剂0.5-2.0重量份；抗浮纤剂0.3-3重量份；无机矿物2.0-10重量份；防翘曲剂0.2-5重量份；其它助剂0.3-3重量份，所述的其他助剂是硅氧烷偶联剂、白油、色粉中的一种或几种混合。通过优化调整各组分的用量比例关系，确保复合材料具有良好的综合性能和表面外观。
优选地，所述尼龙复合材料包括如下重量份的组分：尼龙54-70重量份；玻璃纤维20-30重量份；增韧剂3-5重量份；热稳定剂0.7-1重量份；抗浮纤剂0.8-1.5重量份；无机矿物5-10重量份；防翘曲剂0.2-5重量份；其它助剂0.3-3重量份，所述的其他助剂为硅氧烷偶联剂、白油或色粉中的一种或几种混合。
优选地，所述增韧剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝乙丙橡胶或马来酸酐接枝弹性体中的一种或几种组合。研究表明，相比其他常规助剂，上述增韧剂与体系其他组分相容性更好且提高复合材料的抗冲击性能。
优选地，所述热稳定剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂412s或抗氧剂1098中的一种或几种组合。这些抗氧剂可使复合材料具有很好的热稳定性。
优选地，所述抗浮纤剂为乙撑双硬脂酸酰胺、防玻纤外露剂TAF、硅酮粉或聚乙烯蜡等中的一种或几种组合，可提高复合材料的综合性能和表面外观。
本发明的第二方面是提供上述尼龙复合材料的制备方法。
本发明所述尼龙复合材料的制备方法，包括：将尼龙与助剂混匀，再加入玻璃纤维，熔融共同挤出造粒。采用本发明所述的方法制得的复合材料具有高强度、高刚度、高热变形温度，而且不易翘曲变形，尺寸更稳定；所述方法简单易行，有利于工业大规模生产。
所述熔融共同挤出造粒中，挤出温度为190-255℃，螺杆转速为80～350转/min。通过控制工艺条件提高生产稳定性、保证产品质量。
本发明的第三方面是提供一种注塑制件，其使用上述尼龙复合材料制得。所述注塑制件表面光滑匀称，外观美观，尺寸稳定，适于制备对成型制件翘曲变形和尺寸稳定性有高要求的零部件。
本发明的第四方面是提供一种家用电器，其包括底座；所述底座包含上述注塑制件。所述家用电器可为咖啡壶、电磁炉等；所述底座由于采用上述注塑制件制得，更适合在长期高温环境下使用。
本发明取得的有益效果如下：
本发明所得尼龙复合材料不仅具有高强度、高刚度、高热变形温度，而且不易翘曲变形，尺寸更稳定。所述尼龙复合材料具有良好的加工性能，所得注塑制品表面光滑匀称，外观美观，尺寸稳定。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下实施例中各组分均可通过市售购买得到。
实施例1
本实施例提供一种尼龙复合材料，为如下重量份的组分：
尼龙6YH800······················58.0
短切玻璃纤维ECS13-03-510·········30
马来酸酐接枝POE(聚烯烃弹性体)··3
热稳定剂·························0.7
硅酮母粒·························1.5
超细玻璃微珠H46··················5
乙烯-甲基丙烯酸钾盐共聚物········0.5
硅烷偶联剂KH560·················0.3
色粉·····························1.0
热稳定剂为抗氧剂1098和抗氧剂168的复配物，复配比例为1:1；
色粉为钛白粉和酞青蓝。
上述尼龙复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将PA6、马来酸酐接枝POE、热稳定剂、硅酮母粒、超细玻璃微珠H46、乙烯-甲基丙烯酸钾盐共聚物、硅烷偶联剂、色粉按重量要求称量后，投入高速混合机中，高速搅拌8分钟后放出，备用。
步骤二、将步骤一所混合均匀的混合料加入双螺杆挤出机，挤出机的直径35mm，长径比为40:1，短切玻璃纤维采用侧喂料方式加入，熔融共同挤出造粒，即得成品。
其中，双螺杆挤出机各段控制温度(从加料口到至机头出口)为190℃、210℃、225℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、225℃，双螺杆挤出机转速为350r/min，经过模头挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥后，进入切粒机切粒后得到产品。
实施例2
本实施例提供一种尼龙复合材料，为如下重量份的组分：
尼龙6YH800·····················54.2
短切玻璃纤维ECS13-03-510········25
马来酸酐接枝POE················3
热稳定剂························0.7
硅酮母粒························1
超细玻璃微珠····················10
乙烯-甲基丙烯酸钾盐共聚物········5
白油20#·························0.1
色粉····························1.0
热稳定剂为抗氧剂1098和抗氧剂412S的复配物，复配比例为1:2，色粉为钛白粉和酞青蓝。
上述尼龙复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将PA6、马来酸酐直接POE、热稳定剂、硅酮母粒、超细玻璃微珠、乙烯-甲基丙烯酸钾盐共聚物、白油、色粉等按重量要求称量后，投入高速混合机中，高速搅拌8分钟后放出，备用。
步骤二、将步骤一所混合均匀的混合料加入双螺杆挤出机，短切玻璃纤维采用侧喂料方式加入，熔融共同挤出造粒，即得成品。
其中，双螺杆挤出机各段控制温度(从加料口到至机头出口)为190℃、210℃、225℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、225℃，双螺杆挤出机转速为300r/min，经过模头挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥后，进入切粒机切粒后得到产品。
实施例3
本实施例提供一种尼龙复合材料，为如下重量份的组分：
尼龙6YH800·····················57.0
短切玻璃纤维ECS13-03-510········30.0
马来酸酐接枝POE················5.0
热稳定剂························0.7
防玻纤外露剂TAF················0.8
粉煤灰2500目····················5.0
乙烯-甲基丙烯酸镁盐共聚物·······0.2
硅烷偶联剂KH560················0.3
色粉····························1.0
实施例中的热稳定剂为抗氧剂1098和抗氧剂168的复配物，复配比例为1:1，色粉为钛白粉和酞青蓝。
上述尼龙复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将PA6、马来酸酐接枝POE、热稳定剂、防玻纤外露剂TAF、粉煤灰、乙烯-甲基丙烯酸镁盐共聚物、硅烷偶联剂、色粉等按重量要求称量后，投入高速混合机中，高速搅拌8分钟后放出，备用。
步骤二、将步骤一所混合均匀的混合料加入双螺杆挤出机，短切玻璃纤维采用侧喂料方式加入，熔融共同挤出造粒，即得成品。
其中，双螺杆挤出机各段控制温度(从加料口到至机头出口)为190℃、210℃、225℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、225℃，双螺杆挤出机转速为280r/min，经过模头挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥后，进入切粒机切粒后得到产品。
实施例4
本实施例提供一种尼龙复合材料，为如下重量份的组分：
尼龙6YH800····················66.5
短切玻璃纤维ECS13-03-510·······20.0
马来酸酐接枝聚乙烯·············5.0
热稳定剂·······················0.7
防玻纤外露剂TAF···············0.8
粉煤灰2500目···················5.0
乙烯-甲基丙烯酸镁盐共聚物·······0.2
PE蜡···························0.8
色粉···························1.0
实施例中的热稳定剂为抗氧剂1098和抗氧剂412S的复配物，复配比例为1:1，色粉为钛白粉和酞青蓝。
上述尼龙复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将PA6、马来酸酐接枝聚乙烯、热稳定剂、防玻纤外露剂TAF、粉煤灰、乙烯-甲基丙烯酸镁盐共聚物、硅烷偶联剂、色粉等按重量要求称量后，投入高速混合机中，高速搅拌8分钟后放出，备用。
步骤二、将步骤一所混合均匀的混合料加入双螺杆挤出机，短切玻璃纤维采用侧喂料方式加入，熔融共同挤出造粒，即得成品。
其中，双螺杆挤出机各段控制温度(从加料口到至机头出口)为190℃、210℃、225℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、225℃，双螺杆挤出机转速为280r/min，经过模头挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥后，进入切粒机切粒后得到产品。
对比例1
本例提供一种尼龙复合材料，为如下重量份的组分：
尼龙6YH800···················100
短切玻璃纤维ECS13-03-510······16
聚氨酯TPU····················25
氯化锂························8
将各组分混匀，加入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机各段控制温度(从加料口到至机头出口)为190℃、210℃、225℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、225℃，双螺杆挤出机转速为280r/min，经过模头挤出的料条经过水槽冷却、鼓风干燥机干燥后，进入切粒机切粒后得到产品。
对比例2
本例提供一种尼龙复合材料，为如下重量份的组分：
尼龙6YH800····················100
短切玻璃纤维ECS13-03-510·······16
聚氨酯TPU·····················25
氯化锌·························6
将各组分混匀，加入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机各段控制温度(从加料口到至机头出口)为190℃、210℃、225℃、230℃、230℃、230℃、230℃、230℃、225℃，双螺杆挤出机转速为280r/min，经过模头挤出过水槽冷却、鼓风干燥机干燥后，进入切粒机切粒后得到产品。
对比例3
一种尼龙复合材料，与实施例1的区别在于，将防翘曲剂替换为无机矿物。
将所得尼龙复合材料采用与上述相同的方法制得标准样条，在25℃，湿度50％的环境中放置1周后测试其性能。
对比例4
一种尼龙复合材料，与实施例1的区别在于，将无机矿物替换为防翘曲剂。
将所得尼龙复合材料采用与上述相同的方法制得标准样条，在25℃，湿度50％的环境中放置1周后测试其性能。
效果验证
将上述实施例和对比例所得材料进行抽粒，制作标准样条；在25℃，湿度50％的环境中放置1周后测试其性能。
在220～245℃，注塑压力为60MPa的条件下，将上述实施例及对比例所得材料注塑咖啡壶底座制件，评估其翘曲性和外观。
各实施例及对比例的材料性能和注塑制件的翘曲性见下表。
表1
Figure BDA0002876705700000091
由表1可知，实施例1-4所得复合材料在拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、热变形温度方面显著高于对比例1和对比例2，同时吸水率显著低于对比例1和对比例2；由实施例1-4所得材料制得的注塑制件外观不翘曲、表面光滑。由此说明本发明所述的尼龙复合材料适合在长期高温环境下使用，可用于制作家用电器底座。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (12)

1.一种尼龙复合材料，包括主料及助剂，所述主料包括尼龙和玻璃纤维；其特征在于，所述助剂包括防翘曲剂，所述防翘曲剂为乙烯-甲基丙烯酸钾盐共聚物和/或乙烯-甲基丙烯酸镁盐共聚物。
2.根据权利要求1所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述防翘曲剂的添加量不超过所述主料总质量的10％；
优选地，所述防翘曲剂的添加量为所述主料质量的0.2-7％。
3.根据权利要求2所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述尼龙的特征粘度为2.5～3.0；选为尼龙6。
4.根据权利要求2所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维为短纤，优选直径为13～14μm的短纤。
5.根据权利要求4所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述尼龙与所述玻璃纤维的质量比为1：(0.3-0.7)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述助剂还包括无机矿物，所述无机矿物为具有对称性结构的颗粒状。
7.根据权利要求6所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述无机矿物的粒径为800-3000目，和/或，所述无机矿物的添加量为所述主料总质量的5-13％。
8.根据权利要求6所述的尼龙复合材料，其特征在于，所述助剂还包括增韧剂、热稳定剂或抗浮纤剂中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的尼龙复合材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：尼龙50-80重量份；玻璃纤维20-35重量份；增韧剂3-10重量份；热稳定剂0.5-2.0重量份；抗浮纤剂0.3-3重量份；无机矿物2.0-10重量份；防翘曲剂0.2-5重量份；其它助剂0.3-3重量份；
所述增韧剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝乙丙橡胶或马来酸酐接枝弹性体中的一种或几种组合；
所述热稳定剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂412s或抗氧剂1098中的一种或几种组合；
所述抗浮纤剂为乙撑双硬脂酸酰胺、防玻纤外露剂TAF、硅酮粉或聚乙烯蜡中的一种或几种组合；
所述其他助剂是硅氧烷偶联剂、白油、色粉中的一种或几种组合。
10.权利要求1-9任一项所述尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将尼龙与助剂混匀，再加入玻璃纤维，熔融共同挤出造粒。
11.一种注塑制件，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述尼龙复合材料制得。
12.一种家用电器，包括底座，其特征在于，所述底座包含权利要求11所述注塑制件。
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