CN115124810B - 耐磨、耐刮擦、导电pom复合材料及其制备方法 - Google Patents

耐磨、耐刮擦、导电pom复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料及其制备方法，是在基体POM材料基础上加入耐磨耐刮擦材料、导电材料以及改性相容剂，所述耐磨耐刮擦材料主要由纳米橡胶粉末和全氟聚醚组成，所述改性相容剂选用纳米橡胶接枝MAH或纳米橡胶接枝丙烯酸单体。获得的复合材料能够具有优异耐磨性、耐刮擦性的同时兼具优异的稳定导电性能，同时保证在下游客户成型时具有良好的均匀状态，提高最终产品的耐磨耐刮擦性及导电性、质量稳定性。

Description

耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及POM复合材料技术领域，尤其涉及一种耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料及其制备方法。
背景技术
高分子材料在通讯、电子、医疗、化工、航空、航天等诸多领域都有应用，随着生产技术的发展与进步，各行各业对高性能、高功能性专用复合高分子材料的需求越来越广泛、要求越来越严格，且不同领域对材料性能的要求千差万别，其中兼具耐磨、耐刮擦、导电的POM专用复合材料就是其中颇具代表性的高分子材料之一。
传统的耐磨材料应用领域，多选择像尼龙类材料、聚氨酯类材料、聚甲醛类材料、超高分子量HDPE类材料等耐磨性能比较突出的材料，但随着技术进步和实际应用要求的提高，这些传统耐磨材料的耐磨性已经达不到要求，在耐磨特性的基础上，再增加导电性要求，则对材料机械性能的影响就会比较突出，造成生产问题和材料缺陷，严重影响复合高分子材料的综合性能。如复合材料的生产过程，耐磨、耐刮擦物料及导电材料与基体材料存在混合均匀性问题；不均匀干混料在熔融挤出阶段会造成工艺缺陷，导致无法获得材质均匀的熔体，并极易堵塞机头，甚至出现停车事故；材质不均匀的高分子材料在下游成型时仍然呈不均匀状态，导致最终产品的耐磨性、导电性、质量稳定性或均匀性比较差，存在较多的导电断点缺陷，严重的会影响材料无法正常使用。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明在大量实验的基础上，创造性开发出兼具耐磨特性、耐刮擦性且不影响导电性的高性能POM复合材料，使材料的质量均匀性更好，综合性能更佳。
为实现上述目的，本发明提供的耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，在基体POM(聚甲醛)材料基础上加入耐磨耐刮擦材料、导电材料以及改性相容剂；
所述耐磨耐刮擦材料主要由纳米橡胶粉末和全氟聚醚(PFPE)组成；
所述改性相容剂选用纳米橡胶接枝MAH或纳米橡胶接枝丙烯酸单体。
本发明的耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，主要创新点在于材料耐磨性、耐刮擦性与导电性之间的性能匹配，通过筛选确定与导电材料相适的耐磨耐刮擦材料的组成，即利用全氟聚醚与纳米橡胶粉的协同效应，在大幅提高POM耐磨性的同时，最大程度降低对POM导电性能的影响，保证POM复合材料具有优异耐磨性、耐刮擦性的同时兼具优异的稳定导电性能，极大减少复合材料上出现的导电断点缺陷。同时还需选定与耐磨耐刮擦材料相匹配的改性相容剂，促使纳米橡胶粉末发挥作用的同时解决纳米粉末的易团聚、分散不均匀问题，从而提高复合材料的综合性能，使其可以满足对耐磨、耐刮擦及导电要求较高的应用领域，满足特殊场合的多功能需求。
作为对上述技术方案的限定，所述耐磨耐刮擦材料中纳米橡胶粉末和全氟聚醚的用量配比为(2～30)：1，纳米橡胶粉末的原生粒径在200纳米以下，所述改性相容剂的接枝率为1～2％。
基体POM材料的熔融指数适宜选择在2～60g/10min范围。
作为对上述技术方案的限定，所述耐磨耐刮擦材料还包括硅油，耐磨耐刮擦材料中纳米橡胶粉末和硅油的用量配比为(2～30)：1。
进一步限定纳米橡胶粉末与全氟聚醚的用量配比、纳米粉末粒径、纳米橡胶的接枝率等条件参数，以保障复合材料优异的耐磨、耐刮擦、导电及其它方面的综合性能。
作为对上述技术方案的限定，所述POM复合材料包括以下质量份原料组分：
作为对上述技术方案的限定，所述POM复合材料还包括分散剂0.5～5份、助剂0.2～3份。
作为对上述技术方案的限定，所述导电材料包括碳纤维，碳纤维粉，金属纤维(如不锈钢金属纤维等)，金属粉末(如325目以上铜粉、不锈钢粉等)，导电炭黑，碳纳米管材料中的至少一种。
作为对上述技术方案的限定，所述分散剂选用硬脂酸盐、有机硅酮类分散剂、脂肪酸类分散剂、脂肪族酰胺类分散剂、酯类分散剂中的至少一种；如硬脂酸钙、硬脂酸锌、硅酮母粒、二甲基硅油等。分散剂也可发挥润滑作用。
所述助剂选用酚类抗氧剂、酚类抗氧剂与辅助抗氧剂的混合物、无机磷酸盐类抗氧剂中的至少一种；如四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)、N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺(抗氧剂1098)、酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的混合物等。抗氧剂也可发挥稳定作用。
作为对上述技术方案的限定，所述POM复合材料的表面电阻率在1×106ohm/sq以内，摩擦因子在1×10-9以下。
对耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料配方的精确设计，能够解决在POM基材内填充大量功能性材料所引起的材质不均匀、性能不均衡、容易出现缺陷等问题，全面提升复合材料的综合性能。
同时，本发明还提供了如上所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的制备方法，包括：
将所有原料组分按照POM材料、导电材料、改性相容剂、耐磨耐刮擦材料、分散剂、助剂的顺序依次加入混合设备，进行低速混合5～30分钟，混合后的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，再经切粒机造粒、干燥，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料；
或是将除导电材料之外的其它所有组分按照POM材料、改性相容剂、耐磨耐刮擦材料、分散剂、助剂的顺序依次加入混合设备，进行低速混合5～30分钟，混合后的物料投入双螺杆挤出机主料仓，将导电材料投入双螺杆挤出机的侧喂料仓，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，再经切粒机造粒、干燥，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料。
作为对上述技术方案的限定，所述双螺杆挤出机的双螺杆L/D为30～50。
本发明复合材料的制备方法，通过限定原料组分的混合顺序及熔融挤出条件，进而解决干混料在熔融挤出阶段因原料间的不均匀性造成的工艺流程问题，避免堵塞机头导致停车事故，以获得均匀材质分布的熔体。
综上所述，本发明通过填充导电材料及与之相适的耐磨、耐刮擦材料制作耐磨、耐刮擦、导电POM专用复合材料，进一步匹配特定的改性相容剂，并精确设计复合材料的配方组成，解决耐磨耐刮擦物料、导电材料与基础材料在混合过程中存在的均匀分散性的问题，使复合材料能够具有优异耐磨性、耐刮擦性的同时兼具优异的稳定导电性能，极大减少复合材料上出现的导电断点缺陷，同时保证在下游客户成型时具有良好的均匀状态，提高最终产品的耐磨耐刮擦性及导电性、质量稳定性。
附图说明
图1、为本发明POM复合材料样品的导电效果检测照片；
图2、为对比样件的导电效果检测照片。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例与对比例涉及的原料均为市场购买的典型产品，其中纳米橡胶粉原生粒子粒径在100～200纳米。
实施例
本实施例涉及耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料及其制备。
实施例1
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组成为：75.7kg的POM(MI＝9g/10min)、0.5kg的PFPE、12kg的纳米橡胶粉、10kg的碳纤维粉、1kg的纳米橡胶接枝MAH(选用由固相光引发接枝技术制备、马来酸酐MAH接枝率为1.3％)、0.1kg的抗氧剂1010、0.2kg的抗氧剂168、0.5kg的硬脂酸钙。
制备方法为：将除碳纤维粉之外的其他组分按照POM材料、纳米橡胶接枝MAH、PFPE、纳米橡胶粉、硬脂酸钙、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入到低速混合设备，混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，碳纤维粉投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM专用复合材料。
实施例2
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组成为：73.75kg的POM(MI＝9g/10min)、1.5kg的PFPE、10kg的纳米橡胶粉、12kg的碳纤维粉、1.5kg纳米橡胶接枝MAH(选用由固相光引发接枝技术制备、马来酸酐MAH接枝率为1.2％)、0.15kg的抗氧剂1010、0.3kg的抗氧剂168、0.8kg的硬脂酸锌。
制备方法为：将除碳纤维粉之外的其他组分按照POM材料、纳米橡胶接枝MAH、PFPE、纳米橡胶粉、硬脂酸锌、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入低速混合设备，混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，碳纤维粉投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM专用复合材料。
实施例3
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组成为：78.25kg的POM(MI＝9g/10min)、2kg的PFPE、0.5kg的硅油、6kg的纳米橡胶粉、15kg的碳纤维粉、2kg纳米橡胶接枝丙烯酸单体(选用由固相光引发接枝技术制备、丙烯酸单体接枝率为1％)、0.15kg的抗氧剂1010、0.45kg的抗氧剂168、0.8kg的二甲基硅油。
制备方法为：将所有原料组分按照POM材料、碳纤维粉、纳米橡胶接枝丙烯酸单体、PFPE、硅油、纳米橡胶粉、二甲基硅油、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入低速混合设备，混合5～30分钟，混合后的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，再经切粒机造粒、干燥，制得耐磨、耐刮擦、导电POM专用复合材料。
对比例1
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组成为：73.55kg的POM(MI＝20g/10min)、10kg的PTFE微粉(5～50μm)、1kg TPU-g-MAH相容剂(选用由固相光引发接枝技术制备、MAH接枝率为1％)、15kg导电炭黑、0.1kg的抗氧剂1010、0.2kg的抗氧剂168、0.15kg的硬脂酸钙。
制备方法为：将除导电炭黑之外的其他组分按照POM材料、TPU-g-MAH相容剂、PFPE微粉、硬脂酸钙、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入到低速混合设备，混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，导电炭黑投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料。
对比例2
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组分为：83.05kg的POM(MI＝35g/10min)、0.5kg的PFPE、1kg MAH接枝改性橡胶颗粒(MAH接枝率为1％)、15kg导电炭黑，0.1kg的抗氧剂1010、0.2kg的抗氧剂1098、0.15kg的硬脂酸锌。
制备方法为：将除导电炭黑之外的其他组分按照POM材料、TPU-g-MAH相容剂、PFPE、硬脂酸锌、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入低速混合设备，混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，导电炭黑投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料。
对比例3
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组分为：74.55kg的POM(MI＝45g/10min)、12kg的纳米橡胶微粉、1kg纳米橡胶-g-MAH相容剂(选用由固相光引发接枝技术制备的、MAH接枝率为1.3％)、12kg碳纤维粉，0.1kg的抗氧剂1010、0.2kg的抗氧剂168、0.15kg的二甲基硅油。
制备方法为：将除碳纤维粉之外的其他组份按照POM材料、纳米橡胶-g-MAH相容剂、纳米橡胶微粉、二甲基硅油、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入到低速混合设备，混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，碳纤维粉投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料。
对比例4
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组分为：74.05kg的POM(MI＝45g/10min)、0.5kg的PFPE、12kg的橡胶粉(325～1200目)、1kg的EPDM-g-MAH(MAH接枝率为1.2％，西安瑞禧)、12kg碳纤维粉，0.1kg的抗氧剂1010、0.2kg的抗氧剂168、0.15kg的硬脂酸钙。
制备方法为：将除碳纤维粉之外的其他组分按照POM材料、橡胶-g-MAH相容剂、PFPE、橡胶粉、硬脂酸钙、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入到低速混合设备，一起在低速混合设备中混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，碳纤维粉投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM专用材料。
对比例5
用于制作耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的原料组分为：71.05kg的POM(MI＝45g/10min)、0.5kg的PFPE、12kg的橡胶粉(300目)、1kg的EPDM-g-MAH(MAH接枝率为1.2％，西安瑞禧)、15kg导电炭黑，0.1kg的抗氧剂1010、0.2kg的抗氧剂168、0.15kg的硬脂酸钙。
制备方法为：将除导电炭黑之外的其他组份按照POM材料、EPDM-g-MAH相容剂、PFPE、橡胶粉、硬脂酸钙、抗氧剂1010、抗氧剂168的顺序依次加入到低速混合设备，混合5～30分钟，经混合的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，导电炭黑投入侧料仓中，在80～200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，经切粒机造粒，制得耐磨、耐刮擦、导电POM专用材料。
本发明实施例和对比例采用但不限于以下设备：立式或卧式低速混合设备，转速范围在50～200rpm；螺杆挤出机的平行双螺杆L/D值适宜选择在30～50范围，以控制物料间的混合效果，确保复合材料的性能；采用水浴或传送带风冷却的方式，经切粒机造粒、干燥制得最终的复合材料。
对实施例、对比例的复合材料进行性能检测，结果见下表。
将实施例1的POM复合材料样品与对比样件进行导电效果检测，其中对比样件为一种现有POM复合材料即Dupont Delrin 300AT材料，测试结果如图1、2所示，图1为实施例1样品不同位置的导电检测结果，图2为对比样件不同位置的导电检测结果，由两图中仪表的检测数值可见，相较于现有POM复合材料，本发明获得的POM复合材料极大改善了材料的导电断点缺陷。
综上所述，本发明的复合材料与现有技术获得的复合材料相比具有以下显著特点和有益效果：
1、本发明复合材料兼具优异的耐磨性及导电性；
2、复合材料的质量均匀性更好，复合材料的综合性能较佳；
3、该复合材料可以满足对耐磨、耐刮擦及导电性要求较高的应用领域，满足多功能特殊场合的要求。

Claims (8)

1.一种耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，其特征在于，所述POM复合材料包括以下质量份原料组分：
POM材料 40~89份
耐磨耐刮擦材料 5~15 份
导电材料 5~22 份
改性相容剂 0.5~15份；
所述耐磨耐刮擦材料主要由纳米橡胶粉末和全氟聚醚组成，纳米橡胶粉末和全氟聚醚的用量配比为（2~30）：1，纳米橡胶粉末的原生粒径在200纳米以下；
所述改性相容剂选用纳米橡胶接枝MAH或纳米橡胶接枝丙烯酸单体，改性相容剂的接枝率为1~2%。
2.根据权利要求1所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，其特征在于：所述耐磨耐刮擦材料还包括硅油，耐磨耐刮擦材料中纳米橡胶粉末和硅油的用量配比为（2~30）：1。
3.根据权利要求1所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，其特征在于：所述POM复合材料还包括分散剂0.5~5份、助剂0.2~3份。
4.根据权利要求3所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，其特征在于：所述导电材料包括碳纤维，金属纤维，金属粉末，导电炭黑，碳纳米管材料中的至少一种。
5.根据权利要求3所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，其特征在于：所述分散剂选用硬脂酸盐、有机硅酮类分散剂、脂肪酸类分散剂、脂肪族酰胺类分散剂、酯类分散剂中的至少一种；
所述助剂选用酚类抗氧剂、酚类抗氧剂与辅助抗氧剂的混合物、无机磷酸盐类抗氧剂中的至少一种。
6.根据权利要求3所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料，其特征在于：所述POM复合材料的表面电阻率在1×106ohm/sq以内，摩擦因子在1×10-9以下。
7.一种如权利要求1~6中任一项所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
将所有原料组分按照POM材料、导电材料、改性相容剂、耐磨耐刮擦材料、分散剂、助剂的顺序依次加入混合设备，进行低速混合5~30分钟，混合后的物料投入双螺杆挤出机主料仓中，在80~200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，再经切粒机造粒、干燥，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料；
或是将除导电材料之外的其它所有组分按照POM材料、改性相容剂、耐磨耐刮擦材料、分散剂、助剂的顺序依次加入混合设备，进行低速混合5~30分钟，混合后的物料投入双螺杆挤出机主料仓，将导电材料投入双螺杆挤出机的侧喂料仓，在80~200℃机筒温度条件下熔融挤出，经传送带风冷或水浴冷却后，再经切粒机造粒、干燥，制得耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料。
8.根据权利要求7所述耐磨、耐刮擦、导电POM复合材料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的双螺杆L/D为30~50。
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