CN116535849A - 一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法。所述聚己内酰胺工程塑料是在己内酰胺熔融聚合体系中原位加入Fe3O4/Fe2AlB2/BiFeO3/环氧树脂复合粒子而制得。所述复合粒子是将分散有环氧修饰Fe2AlB2和BiFeO3陶瓷粉末的液态环氧树脂喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面进行反应而制得。本发明的方法通过对Fe2AlB2和BiFeO3粉末的化学键合和磁性吸附，以及对剪切力的良好分散转移，可防止载荷较高时Fe2AlB2和BiFeO3出现剥离脱落，从而防止由摩擦磨损转变为磨粒磨损造成摩擦系数和磨损量的增大。
Description
技术领域
本发明涉及材料改性的技术领域，提供了一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法。
背景技术
浇铸聚己内酰胺广泛用于制造大型齿轮、涡轮、轴承、辊筒、异向环、万向节轴滑块等机械零部件，这些零部件对摩擦磨损性能要求较高。而聚己内酰胺的摩擦系数和摩擦损耗较高，不利于在工程领域的应用。
通常，提高塑料的摩擦磨损性能可以通过添加耐磨剂来实现，比如添加石墨、二硫化钼、碳纤维、聚四氟乙烯粉、硅酮粉、氧化铝、碳化钨、碳化钛等。MAX三元层状陶瓷（M为过渡金属元素，A为主族元素，X为C或N）是一种新兴的耐磨添加剂，其克服了传统陶瓷脆性大的缺陷，将其加入聚合物材料中，可提高材料的硬度和强度，并且在材料表面形成氧化物润滑膜，因而可降低摩擦系数，减小摩擦损耗。但是，在载荷较高的应用条件下，在形成摩擦化学层（即氧化物膜）的同时，摩擦表面的剪切力会使三元陶瓷出现剪切剥离而脱落，从而由摩擦磨损转变为磨粒磨损，在摩擦表面形成摩擦犁沟，因此反而会导致摩擦系数和磨损量的增大。
发明内容
针对上述情况，本发明提出了一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法，可防止载荷较高时三元陶瓷耐磨添加剂出现剥离脱落，从而可维持较低的摩擦系数和摩擦磨损。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末加入液态环氧树脂中，混合均匀，喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面，先加热至60℃并保温2h，再加热至90℃并保温2h，得到Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子；
（2）将己内酰胺单体加热熔融，加入氢氧化钠并搅拌均匀，在110℃下真空脱水15-20min，加入步骤（1）制得的复合粒子并搅拌均匀，继续真空脱水3-5min，再加入甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀后迅速倒入160-170℃模具中，15-20min后停止对模具加热，自然冷却，脱模，得到高耐磨聚己内酰胺工程塑料。
步骤（1）中，环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末、液态环氧树脂、氨基修饰Fe3O4磁性粒子的质量比为2-3：2-3：20：10-15。
步骤（2）中，己内酰胺单体、氢氧化钠、甲苯二异氰酸酯、复合粒子的质量比为100：0.2：0.3：20-30。
对陶瓷粉末进行环氧基团表面修饰的现有技术较多，环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末和环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末可参照现有技术进行制备：
对于Fe2AlB2陶瓷粉末而言，优选的制备方法为，将Fe2AlB2陶瓷粉末分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，加热至56℃回流反应4-6h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，得到环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末。进一步优选的，Fe2AlB2陶瓷粉末、乙醇、丙酮、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1.5：10-15：85-90：3-5。
对于BiFeO3陶瓷粉末而言，优选的制备方法为，将BiFeO3陶瓷粉末分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，加热至56℃回流反应4-6h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，得到环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末。进一步优选的，BiFeO3陶瓷粉末、乙醇、丙酮、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1.5：10-15：85-90：3-5。
同样，氨基修饰Fe3O4磁性粒子可参照现有技术进行制备，优选的制备方法为：将Fe3O4磁性粒子分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入氨丙基三乙氧基硅烷，加热至56℃回流反应10-12h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，得到氨基修饰Fe3O4磁性粒子。进一步优选的，Fe3O4磁性粒子、乙醇、丙酮、氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1.5：20-30：70-80：6-8。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的高耐磨聚己内酰胺工程塑料。所述聚己内酰胺工程塑料是在己内酰胺熔融聚合体系中原位加入Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子而制得。所述Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子是将分散有环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末和BiFeO3陶瓷粉末的液态环氧树脂喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面进行反应而制得。
本发明采用的Fe2AlB2和BiFeO3均是具有磁性的三元陶瓷材料，与MAX陶瓷材料类似，Fe2AlB2和BiFeO3也可在材料表面形成氧化物润滑膜而起到降磨减摩的作用。
首先，本发明采用环氧修饰的Fe2AlB2和BiFeO3陶瓷粉末与液态环氧树脂混合，再喷至氨基修饰的Fe3O4粒子表面，Fe3O4粒子表面具有氨基，可在环氧树脂中起到固化交联剂的作用，并且Fe2AlB2和BiFeO3粉末表面的环氧基团也可与Fe3O4粒子表面的氨基反应，因而，在制得的复合粒子中，环氧树脂以Fe3O4粒子为交联点形成网络结构，Fe2AlB2和BiFeO3粉末分布于环氧树脂网络中，并且Fe2AlB2和BiFeO3粉末也可与Fe3O4粒子形成化学键合。另外，由于Fe2AlB2和BiFeO3具有磁性，Fe3O4粒子还可对Fe2AlB2和BiFeO3粉末产生磁性吸附作用。在步骤（1）中，与Fe3O4粒子表面接触较好的部分环氧树脂的交联固化程度较高，而与Fe3O4粒子表面接触较少的部分环氧树脂的交联固化程度较低。同理，靠近Fe3O4粒子的Fe2AlB2和BiFeO3粉末可较好地与Fe3O4粒子形成化学键合，而远离Fe3O4粒子的Fe2AlB2和BiFeO3粉末表面仍有较多的未反应环氧基团。
然后，本发明以氢氧化钠为主催化剂，以甲苯二异氰酸酯为助催化剂，使己内酰胺单体熔融聚合为聚己内酰胺，通过在体系中添加Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子，使复合粒子原位分散于生成的聚己内酰胺塑料中。在步骤（2）中，聚己内酰胺的酰胺基团不仅可与环氧树脂反应，进一步提高交联固化程度，而且可与Fe2AlB2和BiFeO3粉末表面的未反应环氧基团反应，进一步通过化学键合固定Fe2AlB2和BiFeO3粉末。
综上所述，本发明提供了一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法，其具有以下有益效果：
第一，本发明采用的Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子中，Fe2AlB2、BiFeO3均可在材料表面形成氧化物润滑膜，从而降低材料表面的摩擦系数和磨损量。
第二，本发明采用的Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子中，由于对Fe2AlB2和BiFeO3粉末进行了表面有机修饰，二者可与环氧树脂形成良好的界面结合，并且二者还可与聚己内酰胺基体形成化学键合；另外，环氧树脂与聚己内酰胺可通过交联结构形成良好的界面结合。因此，在载荷较高的摩擦条件下，作用于Fe2AlB2和BiFeO3粉末上的剪切应力可被较好地分散和转移到材料的有机部分，使得Fe2AlB2和BiFeO3粉末不易剥离脱落，从而防止由摩擦磨损转变为磨粒磨损而造成摩擦系数和磨损量的增大。
第三，本发明采用的Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子中，Fe2AlB2和BiFeO3粉末可与Fe3O4粒子形成化学键合及磁性吸附，还可与聚己内酰胺基体形成化学键合，因而其在摩擦剪切力作用下不易剥离脱落。退一步讲，即使Fe2AlB2和BiFeO3粉末在剪切力作用下发生脱落，在Fe3O4粒子的磁性吸附作用下，二者倾向于吸附在材料表面并进一步形成润滑膜，增大润滑膜的厚度，相应的可减少进入摩擦副之间的陶瓷颗粒，从而减少磨粒磨损，有利于维持较低的摩擦系数和磨损量。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
先分别制备环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末、氨基修饰Fe3O4磁性粒子：
将Fe2AlB2陶瓷材料真空研磨为纳米级粉末，分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，加热至56℃回流反应5h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，得到环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末。其中，Fe2AlB2陶瓷粉末、乙醇、丙酮、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1.5：10：90：4。
将BiFeO3陶瓷材料真空研磨为纳米级粉末，分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，加热至56℃回流反应5h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，得到环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末。其中，BiFeO3陶瓷粉末、乙醇、丙酮、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1.5：10：90：4。
采用市售Fe3O4磁性粒子，平均粒径为10μm，将其分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入氨丙基三乙氧基硅烷，加热至56℃回流反应10h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，得到氨基修饰Fe3O4磁性粒子。其中，Fe3O4磁性粒子、乙醇、丙酮、氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1.5：25：75：7。
然后进行实施例1-3的耐磨改性聚己内酰胺工程塑料的制备：
实施例1。（1）将环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末加入E51环氧树脂中，混合均匀，喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面，先加热至60℃并保温2h，再加热至90℃并保温2h，得到Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子；其中，环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末、E51环氧树脂、氨基修饰Fe3O4磁性粒子的质量比为2.5：2.5：20：12；
（2）将己内酰胺单体加热熔融，加入氢氧化钠并搅拌均匀，在110℃下真空脱水15min，加入步骤（1）制得的复合粒子并搅拌均匀，继续真空脱水5min，再加入甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀后迅速倒入160℃模具中，20min后停止对模具加热，自然冷却，脱模，得到高耐磨聚己内酰胺工程塑料；其中，己内酰胺单体、氢氧化钠、甲苯二异氰酸酯、复合粒子的质量比为100：0.2：0.3：20。
实施例2。（1）将环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末加入E51环氧树脂中，混合均匀，喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面，先加热至60℃并保温2h，再加热至90℃并保温2h，得到Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子；其中，环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末、E51环氧树脂、氨基修饰Fe3O4磁性粒子的质量比为2.5：2.5：20：12；
（2）将己内酰胺单体加热熔融，加入氢氧化钠并搅拌均匀，在110℃下真空脱水20min，加入步骤（1）制得的复合粒子并搅拌均匀，继续真空脱水3min，再加入甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀后迅速倒入165℃模具中，17min后停止对模具加热，自然冷却，脱模，得到高耐磨聚己内酰胺工程塑料；其中，己内酰胺单体、氢氧化钠、甲苯二异氰酸酯、复合粒子的质量比为100：0.2：0.3：25。
实施例3。（1）将环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末加入E51环氧树脂中，混合均匀，喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面，先加热至60℃并保温2h，再加热至90℃并保温2h，得到Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子；其中，环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末、E51环氧树脂、氨基修饰Fe3O4磁性粒子的质量比为2.5：2.5：20：12；
（2）将己内酰胺单体加热熔融，加入氢氧化钠并搅拌均匀，在110℃下真空脱水18min，加入步骤（1）制得的复合粒子并搅拌均匀，继续真空脱水4min，再加入甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀后迅速倒入170℃模具中，15min后停止对模具加热，自然冷却，脱模，得到高耐磨聚己内酰胺工程塑料；其中，己内酰胺单体、氢氧化钠、甲苯二异氰酸酯、复合粒子的质量比为100：0.2：0.3：30。
对比例1。没有步骤（1）的过程，而是直接将未修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、未修饰BiFeO3陶瓷粉末、未修饰Fe3O4磁性粒子、E51环氧树脂加入己内酰胺聚合体系中，其他原料配比及工艺参数与实施例3一致。
对比例2。没有步骤（1）的过程，没有使用Fe3O4磁性粒子，而是直接将环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末与E51环氧树脂混合均匀后加入己内酰胺聚合体系中，其他原料配比及工艺参数与实施例3一致。
性能测试：参照GB/T 3960-2016标准的测试方法，将实施例及对比例的材料浇铸成标准样品，使用摩擦磨损试验机进行样品与45#钢摩擦副（HRC20-45，表面粗糙度Ra为0.14-0.20μm）对摩时的摩擦磨损性能的测试；试验条件为15℃、干摩擦，试验荷载为100N；每次测试前，将样品与钢摩擦副的表面用丙酮棉球擦拭干净，并置于空气中晾干。测得各实施例及对比例样品的摩擦系数和磨损量如表1所示。
表1
| 性能指标 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 |
| 摩擦系数 | 0.28 | 0.23 | 0.21 | 0.26 | 0.27 |
| 磨损量（mg） | 0.40 | 0.25 | 0.19 | 0.35 | 0.39 |
Claims (8)
1.一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）将环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末加入液态环氧树脂中，混合均匀，喷至氨基修饰Fe3O4磁性粒子表面，先加热至60℃并保温2h，再加热至90℃并保温2h，得到Fe3O4/Fe2AlB2/ BiFeO3/环氧树脂复合粒子；
（2）将己内酰胺单体加热熔融，加入氢氧化钠并搅拌均匀，在110℃下真空脱水15-20min，加入步骤（1）制得的复合粒子并搅拌均匀，继续真空脱水3-5min，再加入甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀后迅速倒入160-170℃模具中，15-20min后停止对模具加热，自然冷却，脱模，得到高耐磨聚己内酰胺工程塑料；
步骤（1）中，环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末、环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末、液态环氧树脂、氨基修饰Fe3O4磁性粒子的质量比为2-3：2-3：20：10-15；
步骤（2）中，己内酰胺单体、氢氧化钠、甲苯二异氰酸酯、复合粒子的质量比为100：0.2：0.3：20-30。
2.根据权利要求1所述一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于：所述环氧修饰Fe2AlB2陶瓷粉末的制备方法为，将Fe2AlB2陶瓷粉末分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，加热至56℃回流反应4-6h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，即可。
3.根据权利要求2所述一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于：Fe2AlB2陶瓷粉末、乙醇、丙酮、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1.5：10-15：85-90：3-5。
4.根据权利要求1所述一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于：所述环氧修饰BiFeO3陶瓷粉末的制备方法为，将BiFeO3陶瓷粉末分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，加热至56℃回流反应4-6h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，即可。
5.根据权利要求4所述一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于：BiFeO3陶瓷粉末、乙醇、丙酮、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1.5：10-15：85-90：3-5。
6.根据权利要求1所述一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于：所述氨基修饰Fe3O4磁性粒子的制备方法为，将Fe3O4磁性粒子分散在乙醇/丙酮中，通入N2，搅拌并加入氨丙基三乙氧基硅烷，加热至56℃回流反应10-12h，再抽滤，以丙酮洗涤，干燥，即可。
7.根据权利要求6所述一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料的制备方法，其特征在于：Fe3O4磁性粒子、乙醇、丙酮、氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1.5：20-30：70-80：6-8。
8.权利要求1-7任一项所述制备方法制备得到的高耐磨聚己内酰胺工程塑料。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310579376.1A CN116535849A (zh) | 2023-05-23 | 2023-05-23 | 一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310579376.1A CN116535849A (zh) | 2023-05-23 | 2023-05-23 | 一种高耐磨聚己内酰胺工程塑料及其制备方法 |
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| CN116535849A true CN116535849A (zh) | 2023-08-04 |
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ID=87452232
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2023
- 2023-05-23 CN CN202310579376.1A patent/CN116535849A/zh active Pending
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