CN115651394A - 一种纳米级聚酰胺复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米级聚酰胺复合材料及其制备方法和应用，所述纳米级聚酰胺复合材料包括聚酰胺树脂60～95重量份、聚亚苯基硫醚10～20重量份、纳米粘土2～10重量份以及纳米二氧化钛1～2重量份；将所述聚亚苯基硫醚、纳米粘土和纳米二氧化钛三者进行搭配与聚酰胺树脂进行共混，有助于降低最终得到的纳米级聚酰胺树脂的摩擦系数、增强其硬度、自润滑性和耐摩擦性，使其满足汽车仪表盘或者汽车方向盘的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种纳米级聚酰胺复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
由于聚酰胺材料中含有特殊的酰胺基团，因此本身就具备良好的自润滑性和耐摩擦性，目前已广泛应用于电动工具、消费电器等等行业；但是随着科技的不断发展和进步，各个行业对聚酰胺材料的硬度、耐磨性能和耐刮擦性能均提出了更高的要求。
为了进一步提高聚酰胺材料的耐磨性能，一般的解决方法是在聚酰胺树脂中加入二硫化钼、聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯等耐磨剂来得到自润滑性以及耐摩擦性更优异的复合材料。CN103897387A公开了一种高强耐磨聚酰胺复合材料，复合材料按重量份组成包括：尼龙66树脂50～55份，尼龙1010树脂15～20份，偶联剂0.5～1.2份，阻燃剂18～20份，二硫化钼5～10份，抗氧剂0.3～0.9份，聚四氟乙烯6～12份和短切玻璃纤维15～20份；该专利制备复合材料的方法，包括：制备原料，按重量份数称取后投入高速混料机中，高速混匀，得到造粒原料；将原料投入双螺杆挤出机中熔融挤出，并且控制双螺杆挤出机的一区至六区的挤出温度，最终得到了强度好、低吸湿性和摩擦系数低的复合材料。
CN112358724A公开了一种高耐磨低温升的聚酰胺组合物及其制备方法和应用。所述聚酰胺组合物包括如下组分：聚酰胺树脂，玻璃纤维，增韧剂，第一耐磨剂，第二耐磨剂，第三耐磨剂，助剂；所述第一耐磨剂为超高分子量聚乙烯，所述超高分子量聚乙烯的平均分子量为130万以上；所述第二耐磨剂为二氧化钛，所述二氧化钛的平均粒径为200～300nm；所述第三耐磨剂为片层结构的二硫化钼；该发明通过三种耐磨剂的复配，制得了温升低、耐磨性优异的聚酰胺组合物。该聚酰胺组合物在负载30kg、速度30m/min、滑动距离3Km的测试条件下，摩擦系数≤0.3，最大发热温度≤227℃，性能十分优异。
CN105885399A公开了一种高强度耐磨聚酰胺复合材料及其制备方法，所述复合材料按重量份组成包括：聚酰胺66 30～70份，接枝型增韧剂3～10份，共聚型增韧剂3～10份，耐磨母粒10～50份，耐磨增强填料20～40份，热稳定剂0.1～3份，成核剂0.1～3份，润滑剂0.1～3份和硅烷偶联剂0.1～1份；先按重量份数称取聚酰胺66、接枝型增韧剂、共聚型增韧剂、耐磨母粒和耐磨增强填料加入混合机中混合均匀；再按重量份称取热稳定剂、成核剂、润滑剂和硅烷偶联剂倒入混料机中与前述混合物一起混合均匀；将最终均匀混合液投入双螺杆挤出后经注塑机注塑成型得复合材料；具有高刚性、高韧性、高耐热、高耐磨以及加工精度高等优点。
但是，二硫化钼、聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯等耐磨剂的加入可能会导致聚酰胺树脂力学性能的下降，特别是会严重影响聚酰胺树脂的硬度，而导致最终获得的聚酰胺制品虽然耐磨性满足了要求，但是由于硬度较低而无法满足实际需求。
因此，开发一种具有优异自润滑性、耐摩擦性以及高硬度的纳米级聚酰胺复合材料，是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米级聚酰胺复合材料及其制备方法和应用，所述纳米级聚酰胺复合材料将聚亚苯基硫醚、纳米粘土和纳米二氧化钛三者搭配用来改性聚酰胺树脂，使得到的纳米级聚酰胺复合材料具有较低的摩擦系数和较高的营地，兼具优异的自润滑性和力学性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种纳米级聚酰胺复合材料，所述纳米级聚酰胺复合材料按照重量份包括如下组分：
其中，所述聚酰胺树脂可以为63重量份、66重量份、69重量份、72重量份、75重量份、78重量份、81重量份、84重量份、87重量份、90重量份或93重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
所述聚亚苯基硫醚可以为11重量份、12重量份、13重量份、14重量份、15重量份、16重量份、17重量份、18重量份或19重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
所述纳米粘土可以为3重量份、4重量份、5重量份、6重量份、7重量份、8重量份或9重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
所述纳米二氧化钛可以为1.1重量份、1.2重量份、1.3重量份、1.4重量份、1.5重量份、1.6重量份、1.7重量份、1.8重量份或1.9重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
本发明提供的纳米级聚酰胺复合材料通过在聚酰胺树脂基体中加入聚亚苯基硫醚(PPS)、纳米粘土和纳米二氧化钛三者进行搭配，将所有组分混合后，聚酰胺树脂可以在物体表面形成带状、不均匀且不连续的转移膜，而聚亚苯基硫醚在相同条件下不具备形成转移膜的能力，因此，在聚酰胺树脂与聚亚苯基硫醚共混的摩擦过程中，聚酰胺树脂的存在增强了聚亚苯基硫醚向对面物体转移的能力，使得二者的共混物形成的转移膜呈带状、厚实且不连续；根据“摩擦热控制”原理，共混物中的聚酰胺树脂组分在滑动过程中由于摩擦热的积累而熔化，熔融的聚酰胺树脂在滑动表面形成低剪切强度的界面层，进而起到润滑剂的作用，增强了复合材料润滑性能和耐刮擦性能；同时，因为搭配还添加有纳米粘土和纳米二氧化钛，纳米级添加剂的尺寸与周围的聚合物链的尺寸相差不大，除了可以增加复合材料的硬度外，还有效增加了颗粒与聚合物基体的结合性，使得上述纳米级添加剂倾向于在配合面上产生坚韧的转移层，避免复合材料表面与配合面直接接触，从而进一步减少了复合材料的摩擦和磨损，提升了其耐磨性能以及自润滑性能。
优选地，所述聚酰胺树脂包括聚酰胺6、聚酰胺66或聚酰胺610中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述纳米粘土的粒径为30～50nm，例如32nm、34nm、36nm、38nm、40nm、42nm、44nm、46nm或48nm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述纳米二氧化钛的粒径为5～15nm，例如6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm或14nm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
需要说明的是，在本发明中纳米粘土和纳米二氧化钛的粒径均指的是平均粒径。
作为本发明的优选技术方案，选择粒径为30～50nm的纳米粘土和粒径为5～15nm的纳米二氧化钛搭配作为纳米级添加剂，在增加复合材料硬度的同时可以进一步减小最终得到的纳米级聚酰胺复合材料的摩擦系数，增加其耐刮磨性能和自润滑性。
优选地，所述纳米粘土和纳米二氧化钛的质量比为(4～5):1，例如4.1:1、4.2:1、4.3:1、4.4:1、4.5:1、4.6:1、4.7:1、4.8:1或4.9:1等。
作为本发明的优选技术方案，选择质量比为(4～5):1的纳米粘土和纳米二氧化钛进行搭配，可以最大程度提高纳米级聚酰胺复合材料的硬度，减小最终得到的纳米级聚酰胺复合材料的摩擦系数，增加其自润滑性和耐刮磨性能。
优选地，所述纳米级聚酰胺复合材料中还包括助剂。
优选地，所述纳米级聚酰胺复合材料中助剂的含量为0.5～1.5重量份，例如0.6重量份、0.7重量份、0.8重量份、0.9重量份、1重量份、1.1重量份、1.2重量份、1.3重量份或1.4重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述纳米级聚酰胺复合材料的制备方法，所述制备方法包括：将聚酰胺树脂、聚亚苯基硫醚、纳米粘土、纳米二氧化钛和任选地助剂共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
优选地，所述共混挤出的温度为250～270℃，例如252℃、254℃、256℃、258℃、260℃、262℃、264℃、266℃或268℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的纳米级聚酰胺复合材料在汽车中的应用。
优选地，所述应用包括在汽车仪表盘或者汽车方向盘中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的纳米级聚酰胺复合材料包括聚酰胺树脂、聚亚苯基硫醚、纳米粘土和纳米二氧化钛的组合，将所述聚亚苯基硫醚、纳米粘土和纳米二氧化钛三者进行搭配添加在聚酰胺树脂基体中，除了可以增加聚酰胺复合材料的硬度外，还可以有效降低其摩擦系数，增强其润滑性能和耐刮擦性能，具体而言，本发明提供的聚酰胺复合材料的拉伸强度为143～154MPa，弯曲强度为172～180MPa，硬度为0.3～0.8，摩擦系数为A～B，能够满足汽车仪表盘或者汽车方向盘的应用要求。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种纳米级聚酰胺复合材料，其按照重量份包括如下组分：
本实施例提供的纳米级聚酰胺复合材料的制备方法包括：将聚酰胺树脂(广东新会美达有限公司，熔体指数为26g·10min-1(235℃，2.16kg))，密度为1.54g·cm-3)、聚亚苯基硫醚(美国泰科纳，聚苯硫醚PPS 6165A6 SD3002)、纳米粘土(平均粒径为40nm)和纳米二氧化钛(平均粒径为10nm)在260℃下共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
实施例2
一种纳米级聚酰胺复合材料，其按照重量份包括如下组分：
本实施例提供的纳米级聚酰胺复合材料的制备方法包括：将聚酰胺树脂(广东新会美达有限公司，熔体指数为26g·10min-1(235℃，2.16kg))、聚亚苯基硫醚(美国泰科纳，聚苯硫醚PPS 6165A6 SD3002)、纳米粘土(平均粒径为45nm)和纳米二氧化钛(平均粒径为15nm)在260℃下共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
实施例3
一种纳米级聚酰胺复合材料，其按照重量份包括如下组分：
本实施例提供的纳米级聚酰胺复合材料的制备方法包括：将聚酰胺树脂(广东新会美达有限公司，熔体指数为26g·10min-1(235℃，2.16kg))、聚亚苯基硫醚(美国泰科纳，聚苯硫醚PPS 6165A6 SD3002)、纳米粘土(平均粒径为40nm)和纳米二氧化钛(平均粒径为10nm)在260℃下共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
实施例4
一种纳米级聚酰胺复合材料，其按照重量份包括如下组分：
本实施例提供的纳米级聚酰胺复合材料的制备方法包括：将聚酰胺树脂(广东新会美达有限公司，熔体指数为26g·10min-1(235℃，2.16kg))、聚亚苯基硫醚(美国泰科纳，聚苯硫醚PPS 6165A6 SD3002)、纳米粘土(平均粒径为40nm)和纳米二氧化钛(平均粒径为10nm)在260℃下共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
实施例5
一种纳米级聚酰胺复合材料，其按照重量份包括如下组分：
本实施例提供的纳米级聚酰胺复合材料的制备方法包括：将聚酰胺树脂(广东新会美达有限公司，熔体指数为26g·10min-1(235℃，2.16kg))、聚亚苯基硫醚(美国泰科纳，聚苯硫醚PPS 6165A6 SD3002)、纳米粘土(平均粒径为40nm)和纳米二氧化钛(平均粒径为10nm)在260℃下共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
实施例6
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别在于，纳米粘土的添加量为8.8重量份，纳米二氧化钛的添加量为1重量份，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
实施例7
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别在于，纳米粘土的添加量为7.8重量份，纳米二氧化钛的添加量为2重量份，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
实施例8
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别在于，纳米二氧化钛的粒径为40nm，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
实施例9
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别在于，纳米二氧化钛的粒径为100nm，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例1
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，不添加纳米粘土，纳米二氧化钛的添加量为9.8重量份，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例2
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，不添加纳米二氧化钛，纳米粘土的添加量为9.8重量份，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例3
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，聚酰胺树脂的添加量为100重量份，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例4
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，聚酰胺树脂的添加量为50重量份，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例5
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，采用超分子量聚乙烯(美国泰克纳，GUR 4152NH)替换聚亚苯基硫醚，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例6
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，采用聚四氟乙烯(美国苏威、D2510F)替换纳米二氧化钛其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例7
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，采用聚四氟乙烯(美国苏威厂家、D2510F型号)替换纳米粘土其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例8
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，采用二硫化钼替换纳米粘土，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
对比例9
一种纳米级聚酰胺复合材料，其与实施例4的区别仅在于，采用二硫化钼替换纳米二氧化钛，其他组分、用量和制备方法均与实施例4相同。
性能测试：
(1)拉伸强度：按照《ISO527》提供的测试方法进行测试；
(2)弯曲强度：按照《ISO293》提供的测试方法进行测试；
(3)硬度：按照《ISO2039》提供的测试方法进行测试；
(4)摩擦系数：按照《GB3906》提供的测试方法进行测试。
按照上述测试方法对实施例1～9和对比例1～9提供的纳米级聚酰胺复合材料进行测试，测试结果如表1所示：
表1
根据表1数据可以看出，本发明提供的纳米级聚酰胺复合材料具有较高的拉伸强度、弯曲强度和硬度，还具有优异的摩擦性能。
具体而言，实施例1～9得到的聚酰胺复合材料的拉伸强度为143～154MPa，弯曲强度为172～180MPa，硬度为0.3～0.8，摩擦系数为A～B。
比较实施例4和对比例1～2的数据可以看出，不添加纳米粘土(对比例1)或者不添加纳米二氧化钛(对比例2)得到的聚酰胺复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及硬度均有所下降，同时摩擦性能也有所下降。
再比较实施例4和对比例3～4的数据可以发现，聚酰胺树脂的添加量过高(对比例3)或过低(对比例4)同样会导致得到的聚酰胺复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及硬度均有所下降，同时摩擦性能也有所下降。
进一步比较实施例4和对比例5～7的数据还可以发现，采用采用超分子量聚乙烯替换聚亚苯基硫醚(对比例5)、采用聚四氟乙烯替换纳米二氧化钛(对比例6)或采用采用聚四氟乙烯替换纳米粘土(对比例7)均会导致得到的聚酰胺复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及硬度发生下降，且摩擦性能变差。
再进一步比较实施例4和对比例8～9的数据可以发现，采用二硫化钼替换纳米粘土(对比例8)或采用二硫化钼替换二氧化钛(对比例9)同样会影响最终得到的聚酰胺复合材料的拉伸强度、弯曲强度、硬度和摩擦性能。
最后比较实施例4和实施例6～10的数据还可以发现，纳米粘土和纳米二氧化硅的用量比不在本发明限定的优选范围(实施例6和7)或二氧化硅的粒径不在本发明限定的优选范围(对比例8～10)同样会影响最终得到的聚酰胺复合材料的拉伸强度、弯曲强度、硬度和摩擦性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明一种纳米级聚酰胺复合材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述纳米级聚酰胺复合材料按照重量份包括如下组分：
2.根据权利要求1所述的纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述聚酰胺树脂包括聚酰胺6、聚酰胺66或聚酰胺610中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述纳米粘土的粒径为30～50nm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛的粒径为5～15nm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述纳米粘土和纳米二氧化钛的质量比为(4～5):1。
6.根据权利要求1～5任一项所述的纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述纳米级聚酰胺复合材料中还包括助剂。
7.根据权利要求6所述的纳米级聚酰胺复合材料，其特征在于，所述纳米级聚酰胺复合材料中助剂的含量为0.5～1.5重量份。
8.一种如权利要求1～7任一项所述纳米级聚酰胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将聚酰胺树脂、聚亚苯基硫醚、纳米粘土、纳米二氧化钛和任选地助剂共混挤出，得到所述纳米级聚酰胺复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述共混挤出的温度为250～270℃。
10.一种如权利要求1～7任一项所述的纳米级聚酰胺复合材料在汽车中的应用；
优选地，所述应用包括在汽车仪表盘或者汽车方向盘中的应用。
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