CN115491016B - 一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料及其制备方法和应用，属于高分子材料技术领域。自润滑聚碳酸酯增强复合材料按重量份数计，包括以下组分：聚碳酸酯100份；玻璃纤维8～40份；聚四氟乙烯5～15份；硅烷偶联剂0.2～1份；加工助剂0.2～1份；其中，聚四氟乙烯包括高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯，高分子量聚四氟乙烯的重均分子量＞15000，低分子量聚四氟乙烯的重均分子量为5000～15000，高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比为(1～4)：1。本发明的复合材料通过特定比例的高低分子量聚四氟乙烯的协同作用，提升了复合材料的表面顺滑度，减少制件接触件结构间的相互干扰。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，更具体地，涉及一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚碳酸酯(polycarbonate PC)是一种透明性很高的无定型(形)热塑性塑料，是五大工程塑料之一。按照分子结构中碳酸酯键的不同，PC可以分为脂肪族，脂肪芳香族和芳香族三类，其中以芳香族类PC性能最优异，通常所说的PC即为芳香族类的双酚A型PC。PC由于其苯环结构而具有较高的刚性、模量，优异的耐蠕变性能，良好的耐高温性能和良好的尺寸稳定性。同时，由于其碳酸酯键结构，PC具有良好的冲击韧性。由于PC的这些优异的性能，其被广泛应用于电子电气、家电、OA、电动工具、蓄电池、充电桩、笔记本电脑等产品中。
现有技术常采用玻璃纤维来提升聚碳酸酯材料的刚性和硬度，但由于界面结合问题，玻璃纤维的引入会增加复合材料的表面粗糙度，使聚碳酸酯的摩擦和磨损程度进一步增加，同时玻璃纤维之间也会发生一定的摩擦，尤其在玻璃纤维含量高于等于20％时，磨损更加明显，这两种情况均可能使聚碳酸酯材料在装配或使用时发生磨损，尤其随着自摩擦次数的增加，玻璃纤维剥离后外露，在金融设备转轴制件上使用时，易引起转动失效。
在实际转轴材料使用过程中，由于对材料的耐磨性具有较高的要求，需要转轴制件与接触件结构间的相互干扰小，要求转轴材料间顺滑通过，即转轴材料需要有较高的表面顺滑度。
现有技术公开了一种聚碳酸酯组合物，包括55～90％的聚碳酸酯、5～30％的玻璃纤维、聚四氟乙烯1～20％和0.1～10％的聚二甲基硅氧烷。该组合物材料具有较低的动摩擦系数，可以用于生产医疗吸入器和注射器等。然而，该材料虽然具有较低的动摩擦系数，但是该材料的表面顺滑度无法达到相关要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有聚碳酸酯增强复合材料的表面顺滑度不佳的缺陷和不足，提供一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料，不但具有较高的刚性，而且通过特定比例的高低分子量聚四氟乙烯的协同作用，有效提升了自润滑聚碳酸酯增强复合材料的表面顺滑度，减少制件接触件结构间的相互干扰。
本发明的另一目的在于提供一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料的制备方法。
本发明的又一目的在于提供一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料在制备转轴制件中的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
其中，所述聚四氟乙烯包括高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯，高分子量聚四氟乙烯的重均分子量＞15000，低分子量聚四氟乙烯的重均分子量为5000～15000，高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比为(1～4)：1。
本发明的自润滑聚碳酸酯增强复合材料各组分的作用机理具体如下：
本发明中，高分子量聚四氟乙烯的表面极性低，提供高强度和持续的自润滑效果，低分子量聚四氟乙烯在剪断作用下纤维化，采用纤维状的网状结构，能够提高高分子量聚四氟乙烯的分散性，使得聚四氟乙烯可在玻璃纤维和聚碳酸酯之间穿插，提高玻璃纤维和聚碳酸酯界面结合，形成不容易被碾压破碎的高硬度材料。在宏观材料相互接触时，最大化实现高分子量聚四氟乙烯的自润滑效果，同时低分子量聚四氟乙烯更容易在碾压变形中迁移到暴露的玻纤表面避免玻璃纤维的外漏形成的干扰，减少在表面的玻纤破碎粘附，从而有效提升了自润滑聚碳酸酯增强复合材料的表面顺滑度，减少制件接触件结构间的相互干扰。
聚四氟乙烯的用量过多，但由于其流动性差，加工性能差，很难在体系中混合均匀，从而材料性能差，弯曲强度下降，且易在表面出现银丝料花缺陷。
聚四氟乙烯的用量过少，不足以形成体现聚四氟乙烯的自润滑作用。
高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比过大，加工性能差，分散困难，造成银丝料花缺陷。
高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比过小，分子量的部分析出，造成外观差，表面颜色不均匀，且自润效果差。
低分子量聚四氟乙烯的重均分子量过小，在摩擦过程中，过早析出，无法对摩擦后期碾压变形导致的玻纤外漏，进行保护，另一方面分子量过低难以体现聚四氟乙烯的自润效果。
其中，聚碳酸酯可以为芳香族聚碳酸酯和/或脂肪族聚碳酸酯。
聚四氟乙烯分子量测试方法可以为：
按照ASTM D1457所规定的要求进行制备和烧结的试样用排水法测得的比重称标准比重-Standard Specific Gravity(SSG)，
SSG＝-0.0579logMn+2.6113
Log Mn＝(2.6113-SSG)/0.0579。
优选地，高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比为(2～3)：1。
优选地，高分子量聚四氟乙烯的重均分子量为30000～100000。
高分子量聚四氟乙烯的重均分子量过大，会加工性能差，分散困难，造成银丝料花缺陷。
优选地，低分子量聚四氟乙烯的重均分子量为10000～12000。
优选地，所述硅烷偶联剂为环氧硅烷偶联剂和烷氧基硅烷，环氧硅烷偶联剂和烷氧基硅烷的质量比为1：(0.8～1.2)。
通过两种偶联剂复配，同时提升玻璃纤维和聚碳酸酯，以及玻璃纤维和聚四氟乙烯的界面结合，减少玻璃纤维脱出，提高表面光滑度，从而减少制件接触件结构间的相互干扰。
而且，硅烷偶联剂的加入还能提高高分子量聚四氟乙烯在聚碳酸酯中的分散，防止材料出现银丝缺陷，使得材料具有较好的外观。
优选地，所述环氧硅烷偶联剂为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，所述烷氧基硅烷为乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷。
优选地，所述玻璃纤维中镁元素的质量含量≥10wt％，钙元素的质量含量为0～1wt％。
玻璃纤维中镁元素的质量含量≥10wt％，钙元素的质量含量为0～0.1wt％的玻璃纤维的强度较高，玻璃纤维之间的摩擦程度较小，有利于降低材料间的磨粒磨损效应，防止出现银丝料花缺陷，提高玻璃纤维和聚碳酸酯树脂之间的界面结合程度，从而提高转轴材料间的表面顺滑度，减少制件接触件结构间的相互干扰。
进一步优选地，所述玻璃纤维中镁元素的质量含量为10～20wt％，钙元素的质量含量为0～0.1wt％。
更进一步优选地，所述玻璃纤维中镁元素的质量含量为10～15wt％，钙元素的质量含量为0～0.001wt％。
优选地，所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料至少满足以下任一条件：
(A)玻璃纤维在所述复合材料中的重量百分数为6～26％；
(B)聚四氟乙烯在所述复合材料中的重量百分数为4～10％；
(C)硅烷偶联剂在所述复合材料中的重量百分数为0.2～0.6％。
优选地，所述加工助剂为抗氧剂，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂。
在实际应用中，根据实际性能需要，还可以添加稳定剂、阻燃剂、抗滴落剂、润滑剂、脱模剂、增塑剂、填料、抗静电剂、抗菌剂或着色剂的一种或几种。
本发明还保护上述自润滑聚碳酸酯增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：将各组分混合均匀，通过双螺杆挤出机在270～290℃的温度下熔融挤出、造粒，得到所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料。
本发明制备得到的自润滑聚碳酸酯增强复合材料具有很好的表面顺滑度，可以广泛应用于塑料制品的制备，本发明尤其保护所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料在制备转轴制件中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料，包括聚碳酸酯、玻璃纤维、聚四氟乙烯和硅烷偶联剂，不但具有较高的刚性，而且通过特定比例的高低分子量聚四氟乙烯的协同作用，有效提升了自润滑聚碳酸酯增强复合材料的表面顺滑度，减少制件接触件结构间的相互干扰。
本发明的自润滑聚碳酸酯增强复合材料的表面顺滑度小于0.8，能够有效减少制件接触件结构间的相互干扰。
附图说明
图1为料花缺陷级别为1级的材料外观情况。
图2为料花缺陷级别为2级的材料外观情况。
图3为料花缺陷级别为3级的材料外观情况。
图4为料花缺陷级别为4级的材料外观情况。
图5是从左到右分别为1-4级的材料外观情况。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
聚碳酸酯1：芳香族聚碳酸酯，FN2200，日本出光；
聚碳酸酯2：脂肪族聚碳酸酯，T5652，从旭化成公司；
玻璃纤维1：HMG436S-10-4.0，镁元素的质量含量为10.2wt％，钙元素的质量含量为0，泰山玻璃纤维有限公司；
玻璃纤维2：ECS13-4.5-510H，镁元素的质量含量为3wt％，钙元素的质量含量为0，巨石玻纤有限公司；
玻璃纤维3：ECS11-03-560A，镁元素的质量含量为12wt％，钙元素的质量含量为5％，巨石玻纤有限公司；
玻璃纤维4：玻纤ECS13-3.0-T436W，，镁元素的质量含量为11wt％，钙元素的质量含量为1wt％，泰山玻璃纤维有限公司；
聚四氟乙烯A1，高分子量聚四氟乙烯，GR-7416，重均分子量为30000，浙江歌瑞新材料；
聚四氟乙烯A2，高分子量聚四氟乙烯，KTL-450,重均分子量为80000，Kitamuralimited；
聚四氟乙烯A3，高分子量聚四氟乙烯，L2，重均分子量为100000，大金；
聚四氟乙烯A4，高分子量聚四氟乙烯，KTL-620，重均分子量150000，Kitamuralimited；
聚四氟乙烯A5，高分子量聚四氟乙烯，KT-300M，重均分子量2000000，KITAMURALIMITED；
聚四氟乙烯A6，高分子量聚四氟乙烯，GR-C585，重均分子量为20000，浙江歌瑞新材料；
聚四氟乙烯B1，低分子量聚四氟乙烯，LB202，重均分子量为12000，大金；
聚四氟乙烯B2，低分子量聚四氟乙烯，FR002A，重均分子量为10000，上海图赫实业有限公司；
聚四氟乙烯B3，低分子量聚四氟乙烯，重均分子量为5000，沈阳天宇祥微粉材料厂；
聚四氟乙烯B4，低分子量聚四氟乙烯，GR-C525，重均分子量为15000，浙江歌瑞新材料；
聚四氟乙烯B5，低分子量聚四氟乙烯，牌号TS-5020，重均分子量为4800，厂家南京天诗；
硅烷偶联剂A1：环氧硅烷偶联剂，γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，JH-0187，荆州江汉精细化工有限公司；
硅烷偶联剂A2：环氧硅烷偶联剂，3-(2,3-环氧丙氧)丙基甲基二甲氧基硅烷，KH-562，南京奥诚化工有限公司；
硅烷偶联剂B1：烷氧基硅烷，乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，SG-Si172，南京曙光化工集团有限公司；
硅烷偶联剂B2：烷氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，KBE-1003，日本信越；
抗氧剂：受阻酚类，市售可得且所有实施例和对比例用的是同一种。
实施例1～20
一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
聚碳酸酯；玻璃纤维；聚四氟乙烯；硅烷偶联剂和加工助剂；加工助剂为抗氧剂；其中各组分的具体含量如下表1所示。
表1各实施例的自润滑聚碳酸酯增强复合材料组成(以重量份数计)
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 聚碳酸酯 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 玻璃纤维1 | 20 | 40 | 8 | 20 | 20 |
| 聚四氟乙烯A1 | 9 | 11.25 | 3.75 | 8 | 9.6 |
| 聚四氟乙烯B1 | 3 | 3.75 | 1.25 | 4 | 2.4 |
| 硅烷偶联剂A1 | 0.3 | 0.5 | 0.1 | 0.3 | 0.3 |
| 硅烷偶联剂B1 | 0.3 | 0.5 | 0.1 | 0.3 | 0.3 |
| 抗氧剂 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
续表1：
| 序号 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 聚碳酸酯1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 玻璃纤维1 | / | / | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 玻璃纤维2 | 20 | / | / | / | / | / | / | / | / | / |
| 玻璃纤维3 | / | 20 | / | / | / | / | / | / | / | / |
| 聚四氟乙烯A1 | 9 | 9 | / | / | / | / | / | 9 | 9 | 9 |
| 聚四氟乙烯A2 | / | / | 9 | / | / | / | / | / | / | / |
| 聚四氟乙烯A3 | / | / | / | 9 | / | / | / | / | / | / |
| 聚四氟乙烯A4 | / | / | / | / | 9 | / | / | / | / | / |
| 聚四氟乙烯A5 | / | / | / | / | / | 9 | / | / | / | / |
| 聚四氟乙烯A6 | / | / | / | / | / | / | 9 | / | / | / |
| 聚四氟乙烯B1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | / | / | / |
| 聚四氟乙烯B2 | / | / | / | / | / | / | / | 3 | / | / |
| 聚四氟乙烯B3 | / | / | / | / | / | / | / | / | 3 | / |
| 聚四氟乙烯B4 | / | / | / | / | / | / | / | / | / | 3 |
| 硅烷偶联剂A1 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 硅烷偶联剂B1 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 抗氧剂 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
续表1
上述自润滑聚碳酸酯增强复合材料的制备方法具体如下：
将各组分混合均匀，通过双螺杆挤出机在270～290℃的温度下熔融挤出、造粒，得到所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料。
对比例1～7
一种聚碳酸酯增强复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
聚碳酸酯；玻璃纤维；聚四氟乙烯；硅烷偶联剂和加工助剂；加工助剂为抗氧剂；其中各组分的具体含量如下表2所示。
表2各对比例的自润滑聚碳酸酯增强复合材料组成(以重量份数计)
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 聚碳酸酯 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 玻璃纤维1 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 聚四氟乙烯A1 | 15 | 3 | 11 | 3 | 9 | 12 | 9 |
| 聚四氟乙烯B1 | 5 | 1 | 1 | 9 | / | 0 | 3 |
| 聚四氟乙烯B5 | / | / | / | / | 3 | / | / |
| 硅烷偶联剂A1 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.7 |
| 硅烷偶联剂B1 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.7 |
| 抗氧剂 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
上述自润滑聚碳酸酯增强复合材料的制备方法与实施例1相同，这里不再赘述。
结果检测
上述实施例和对比例的自润滑聚碳酸酯增强复合材料通过下述性能测试方法进行测试：
(1)表面顺滑度：测试方法为在300℃下，将聚碳酸酯增强材料注塑，成型为长度*宽度*厚度＝83mm*3mm*2mm的板，使用DVM6A光学显微镜，测量板的平均高度差，记为△X，其中五金选择PlanAPO FOV12.55，倍数：84X～1350X，分辨率：1073IP/MM。之后将两块板相互接触，在500g砝码负荷下，进行10000次循环摩擦测试，再采用DVM6A光学显微镜测量板的平均高度差，记为△Y，将表面顺滑度记为Z，Z＝△Y-△X，Z值越小，顺滑度越好。
(2)表面粗糙的评估通过裸眼观测得到。以(+)表征的实施例和比较例具有低的表面粗糙度，并且在表面上未检测到不平坦的区域；而对于以(-)表征的实施例和比较例，发现有不平坦区域。
(3)摩擦系数参照《GB/T 22895-2008纸和纸板静态和动态摩擦系数的测定平面法》检测，摩擦系数为动摩擦系数。
(4)刚性测试：采用弯曲模量测试方法，测试标准为ASTM-790-2017。
(5)外观评价方法：将聚碳酸酯组合物粒子，加入到注塑机中，在300℃的温度下进行熔融，成型下图模具，观察料花情况。
判定标准：观察料花密集程度和长度，确定料花缺陷级别。
| 级别 | 描述 |
| 1级 | 整体无明显银丝及料花缺陷 |
| 2级 | 边角少量明暗变化，无料花 |
| 3级 | 整体弱明暗变化，无料花 |
| 4级 | 整体明显明暗变化，料花 |
具体检测结果如下表3所述：
表3
从上述数据可以看出，本发明的自润滑聚碳酸酯增强复合材料的表面顺滑度小于0.8，能够有效减少制件接触件结构间的相互干扰。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
聚碳酸酯100份；
玻璃纤维8~40份；
聚四氟乙烯5~15份；
硅烷偶联剂0.2~1份；
加工助剂0.2~1份；
其中，所述聚四氟乙烯包括高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯，高分子量聚四氟乙烯的重均分子量≥20000，低分子量聚四氟乙烯的重均分子量为5000~15000，高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比为（1~4）：1。
2.如权利要求1所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，高分子量聚四氟乙烯和低分子量聚四氟乙烯的质量比为（2~3）：1。
3.如权利要求1所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，高分子量聚四氟乙烯的重均分子量为30000~100000。
4.如权利要求1所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，低分子量聚四氟乙烯的重均分子量为10000~12000。
5.如权利要求1所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为环氧硅烷偶联剂和烷氧基硅烷，环氧硅烷偶联剂和烷氧基硅烷的质量比为1：（0.8~1.2）。
6.如权利要求5所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，所述环氧硅烷偶联剂为γ-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，所述烷氧基硅烷为乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷。
7.如权利要求1所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维中镁元素的质量含量≥10wt%，钙元素的质量含量为0~1wt%。
8.如权利要求1所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料，其特征在于，至少满足以下任一条件：
(A)玻璃纤维在所述复合材料中的重量百分数为6~26%；
(B)聚四氟乙烯在所述复合材料中的重量百分数为4~10%；
(C)硅烷偶联剂在所述复合材料中的重量百分数为0.2~0.6%。
9.权利要求1~8任一项所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将各组分混合均匀，通过双螺杆挤出机在270~290℃的温度下熔融挤出、造粒，得到所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料。
10.一种权利要求1~8任意一项所述自润滑聚碳酸酯增强复合材料在制备转轴制件中的应用。
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