[0001] 技术领域:本
发明涉及一种增强
聚合物基复合材料的制备方法,尤其涉及一种晶须增强尼龙6复合材料的制备工艺。
[0002] 背景技术:尼龙6具有
力学性能优、耐磨、自润滑、耐油及耐弱酸弱
碱等良好性能。但因其极性强、吸
水性大、尺寸
稳定性差和抗蠕变性差,不宜在高于80℃、潮湿及高负荷下长期使用。为提高尼龙6的综合性能,可采用共聚、共混、填充、增强及分子复合等改性方法,其中共混改性是近十多年来发展最为迅速的方法之一,并以其投资小、见效快、生产周期短等特点得到广泛应用。尼龙6可以与通用塑料、工程塑料、弹性体、
液晶高分子等高分子材料共混改性制成聚合物基复合材料。聚合物基的尼龙6复合材料具有比强度大、比模量高、耐疲劳性能好、减震性好、耐烧蚀性好、过载时安全性好和加工工艺性好等优异性能,首先在航空航天工业中得到广泛的应用。随着高新技术的发展,此类材料在国民经济的其他领域中得到越来越广泛的应用。
[0003] 玻璃
纤维是纤维增强塑料中最有代表性且应用最为广泛的
增强材料,可以在很大的程度上提高塑料的力学性能。为了增强尼龙6复合材料的强度,目前普遍采用的是玻璃纤维增强。然而,玻璃纤维质脆而易碎,在加工过程中易被损坏。其复合材料的表面光滑性差,且由于玻璃纤维的硬度大,加工过程中对设备和模具的磨损大。另外,由于玻璃纤维的加入,
树脂粘度上升,从而使加工性能变差,导致薄壁部件和小型化精密部件不能成型。同时,材料的力学性能和成型收缩率及
热膨胀系数容易出现
各向异性,高温时,其复合材料易
翘曲。以上这些缺点在不同程度上限制了玻璃纤维增强尼龙6复合材料的应用。
[0004] 晶须是在人为控制情况下以单晶形式生长成的一种纤维,其直径只有几个微米,断面呈多
角形,长度一般为几十个微米。由于晶须的长径比比较大,容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等
缺陷,因而,这种高度有序的
原子排列结构使其强度接近于材料原子间价键的理论值。作为新一代的复合材料增强体,兼有玻璃纤维和
碳纤维的优良性能。如最具有代表性的
硼酸镁晶须是一种白色针状单晶纤维,其形貌似白色粉末,电镜照片为针状单晶体,尺寸十分细小,结晶十分完整。其综合物理性能如表1所示。
[0005] 表1
[0006]
[0007]
[0008] 由表1可以看出,硼酸镁晶须具有十分优良的物理机械性能和高温物理性能,良好的化学稳定性和工艺性能和较高的性能价格比。同时由于其膨胀系数与高分子材料相当,与其相容性好,因此两者的复合材料可以表现出良好的显微填充能力和增强能力。目前,将硼酸镁晶须用于增强尼龙6中还未见报道。
[0009] 发明内容:为了解决尼龙6复合材料存在的性能缺陷问题,本发明提供一种具有显微增强和填充能力、
抗拉强度、
弹性模量和冲击强度高,易加工的晶须增强尼龙6复合材料的制备工艺。本发明采用的技术方案是:
[0010] 1)晶须的
表面处理:将晶须加入高速混合机中,先在1250r/min搅拌以打开团聚体,再边搅拌边加入
偶联剂,偶联剂的用量为晶须重量的0.05%~1.0%,偶联剂预先用
溶剂溶解,待偶联剂加完后,在1250r/min~2500r/min下搅拌1~10min,然后在60℃~120℃下,干燥1hr~8hr;
[0011] 2)挤出工艺:在进料段加入100份的尼龙6和尼龙6重量的0.2%的
润滑剂和尼龙6重量的0.2%的抗
氧化剂,在进料段或塑化段加入10~45份的晶须,挤出
温度为215~
245℃,主机转数为200~400r/min。
[0012] 其中,所述的晶须是硼酸镁晶须或
钛酸
钾晶须。
[0013] 所述的偶联剂是
硅烷类偶联剂或钛酸酯类偶联剂。
[0014] 所述的硅烷类偶联剂优选γ-氯丙基三乙氧基硅烷(Gamma-Chloropropyltriethoxysilane,即KH550)或(Y-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅(Gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilane,即KH560)。
[0015] 所述的钛酸酯类偶联剂优选钛酸酯偶联剂NDZ201。
[0016] 所述的用于溶解偶联剂的溶剂是醇类溶剂,优选甲醇或
乙醇。
[0017] 所述的润滑剂是乙烯
醋酸乙烯共聚物(即EVA蜡540A)。抗氧剂是[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(即抗氧剂1010)。
[0018] 在晶须增强尼龙6复合材料的制备过程中,其关键技术是尽可能保持晶须的长径比。通过实验制定出晶须增强尼龙6复合材料的最佳工艺条件为:对晶须采用偶联剂处理技术进行表面处理,表面处理在高速混合机中进行,先在1250r/min搅拌以打开团聚体,然后根据晶须的量选用不同的低速搅拌时间,边搅拌边加入偶联剂;挤出工艺为:在进料段加入尼龙6和润滑剂及抗氧剂,在塑化段或
熔化段加入经过表面处理的晶须,挤出温度为215-245℃,主机转数为200-400r/min。
[0019] 本发明的有益效果是:晶须是一种粉质材料,在加工工艺中,不会对设备和模具造成磨损,其复合材料的表面光滑性好,耐高温。晶须用偶联剂预先进行表面处理,改变了晶须的表面性质,提高了晶须与尼龙6的粘结性能。晶须填充到尼龙6基体中,可以有效提高尼龙6复合材料的拉伸强度、弹性模量和冲击强度等性能,从而获得耐冲击、高拉伸强度和高弹性模量的晶须增强尼龙6复合材料。具体实施方式:
[0021] 在双螺杆
挤出机的进料段加入5.0kg尼龙6和10g润滑剂EVA蜡540A和10g抗氧剂1010,挤出温度为215-245℃,主机转数为200r/min,挤出
造粒后,在90℃下进行
真空干燥24hr,即得无晶须增强尼龙6的粒状产品。该产品直接或经注射机注射成型,制得样品进行测试。结果见表2
[0022] 表2
[0023]晶须 抗拉强度断裂伸长弯曲模量弯曲强度 冲击强度 热形变 熔融指数
含量 温度
2
% Mpa % Gpa Mpa KJ/m ℃ g/10min
0 72.1 11.6 2.6 122.3 162.4 75 5.48
[0024] 实施例2:
[0025] 1)硼酸镁晶须的表面处理:称取7.0kg硼酸镁晶须加入高速混合机中,在1250r/min转速下混合1min以打开团聚体,然后在同一转速下边搅拌边将偶联剂KH550乙醇溶液(7gKH550偶联剂溶解于70ml无水乙醇)缓缓滴入混合机中(约1min内滴完),此时开始计时。1250r/min搅拌3min后,取出放入烘箱内,80℃干燥6hr,备用。
[0026] 2)挤出工艺:按表3配方,在双
螺杆挤出机的进料段加入尼龙6和润滑剂EVA蜡540A和抗氧剂1010,在
双螺杆挤出机的第一排气口加入经过上述表面处理的硼酸镁晶须,挤出温度为215-245℃,主机转数为300r/min,共混、挤出并造粒后,在90℃下进行真空干燥24hr,即得硼酸镁晶须增强尼龙6复合材料的粒状产品。该产物直接或经注射机注射成型,制得样品进行各种性能测试,结果见表3。
[0027] 表3
[0028]尼 润 抗 硼 尼龙6 抗 断 弯 弯 冲 热 熔
龙 滑 氧 酸 与晶须 拉 裂 曲 曲 击 形 融
6 剂 化 镁 之比 强 伸 模 强 强 变 指
剂 晶 度 长 度 度 温 数
量
须 度 g/10
g g g g Mpa % Gpa Mpa KJ/m2 ℃ min
5000 10 10 500 100∶1091.2 13.6 4.6 177.7 46.7 150 4.08
5000 10 10 750 100∶1598.0 14.3 5.2 190.5 38.1 165 3.74
5000 10 10 1250 100∶25116.0 16.2 6.4 215.3 21.8 200 2.42
5000 10 10 1750 100∶35124.0 11.3 7.3 225.3 18.9 212 2.36
5000 10 10 2250 100∶45118.0 10.5 6.8 216.0 19.5 220 2.22
[0029] 实施例3:
[0030] 称取2.0kg硼酸镁晶须直接放入烘箱内,80℃干燥6hr,备用。
[0031] 在双螺杆挤出机的进料段加入5.0kg尼龙6和10g润滑剂EVA蜡540A和10g抗氧剂1010,在双螺杆挤出机的第一排气口加入经过干燥处理的0.5kg或1.5kg硼酸镁晶须,挤出温度为215-245℃,主机转数为300r/min,共混、挤出并造粒后,在90℃下进行真空干燥24hr,即得硼酸镁晶须增强尼龙6复合材料的粒状产品。该产品直接或经注射机注射成型,制得样品进行各种性能测试,结果见表4。
[0032] 表4
[0033]尼龙6 硼酸 尼龙6 抗拉 断裂 弯曲 弯曲强度 冲击强度 熔融指数
镁晶 与晶须 强度 伸长 模量
g 须g 之比 Mpa % Gpa Mpa KJ/m2 g/10min
5000 500 100∶1086.0 14.5 4.0 162.3 23.2 4.32
5000 1500 100∶15108.3 13.9 5.9 206 33.0 2.58
[0034] 实施例4:
[0035] 1)硼酸镁晶须的表面处理:分别称取0.5kg硼酸镁晶须加入高速混合机中,在1250r/min转速下混合1min以打开团聚体,然后在同一转速下边搅拌边将偶联剂KH550乙醇溶液(0.5gKH550偶联剂溶解于5ml无水乙醇)缓缓滴入混合机中(约1min内滴完),此时开始计时。1250r/min速度下分别搅拌1min、3min、5min、7min,或2500r/min速度下分别搅拌1min、2min、3min后,取出放入烘箱内,80℃干燥6h,备用。
[0036] 2)挤出工艺:在双螺杆挤出机的进料段加入5.0kg尼龙6和10g润滑剂EVA蜡540A和10g抗氧剂1010,,在双螺杆挤出机的第一排气口加入经过表面处理的0.5kg硼酸镁晶须,挤出温度为215-245℃,主机转数为300r/min,共混、挤出并造粒后,在90℃下进行真空干燥24hr,即得硼酸镁晶须增强尼龙6复合材料的粒状产品。该产品直接或经注射机注射成型,制得样品进行各种性能测试,结果见表5。
[0037] 表5
[0038]搅拌速度 搅拌时间 抗拉强度
r/min min Mpa
1250 1 75.3
1250 3 91.2
1250 5 87.1
1250 7 83.4
2500 1 84.6
2500 2 82.7
搅拌速度 搅拌时间 抗拉强度
r/min min Mpa
2500 3 78.1
[0039] 实施例5:
[0040] 1)硼酸镁晶须的表面处理:称取0.5kg硼酸镁晶须加入高速混合机中,在1250r/min转速下混合1min以打开团聚体,然后在同一转速下边搅拌边将KH560偶联剂甲醇溶液(0.25gKH560偶联剂溶解于1ml无水甲醇)缓缓滴入混合机中(约1min内滴完),此时开始计时。1250r/min混合3min后,取出放入烘箱内,60℃干燥8hr,备用。
[0041] 2)挤出工艺:在双螺杆挤出机的进料段加入5.0kg尼龙6和10g润滑剂EVA蜡540A和10g抗氧剂1010,,在双螺杆挤出机的第一排气口加入经偶联剂KH560表面处理的
0.5kg硼酸镁晶须,挤出温度为215-245℃,主机转数为200r/min,共混、挤出并造粒后,在
90℃下进行真空干燥24hr,即得硼酸镁晶须增强尼龙6复合材料的粒状产品。该产品直接或经注射机注射成型,制得样品进行各种性能测试,结果见表6。
[0042] 实施例6:
[0043] 1)硼酸镁晶须的表面处理:称取0.5kg硼酸镁晶须加入高速混合机中,在1250r/min转速下混合1min以打开团聚体,然后在同一转速下边搅拌边将偶联剂NDZ-201甲醇溶液(5g NDZ-201偶联剂溶解于5ml无水甲醇)缓缓滴入混合机中(约1min内滴完),此时开始计算处理时间。1250r/min混合3min后,取出放入烘箱内,120℃干燥1hr,备用。
[0044] 2)挤出工艺:在双螺杆挤出机的进料段加入5.0kg尼龙6和10g润滑剂EVA蜡540A和10g抗氧剂1010,,在双螺杆挤出机的第一排气口加入经过表面处理的0.5kg硼酸镁晶须,挤出温度为215-245℃,主机转数为400r/min,共混、挤出并造粒后,在90℃下进行真空干燥24hr,即得硼酸镁晶须增强尼龙6复合材料的粒状产品。该产品直接或经注射机注射成型,制得样品进行各种性能测试,结果见表6。
[0045] 实施例7:
[0046] 1)钛酸钾晶须的表面处理:称取1.25kg钛酸钾晶须加入高速混合机中,在1250r/min转速下混合1min以打开团聚体,然后在同一转速下边搅拌边将偶联剂KH550乙醇溶液(1.25g KH550偶联剂溶解于12.5ml无水乙醇)缓缓滴入混合机中(约1min内滴完),此时开始计算处理时间。1250r/min混合3min后,取出放入烘箱内,80℃干燥6hr,备用。
[0047] 2)挤出工艺:在双螺杆挤出机的进料段加入5.0kg尼龙6和10g润滑剂EVA蜡540A和10g抗
氧化剂1010,在双螺杆挤出机的第一排气口加入经表偶联剂KH550表面处理的1.25kg钛酸钾晶,挤出温度为215-245℃,主机转数为300r/min,共混、挤出并造粒后,在
90℃下进行真空干燥24hr,即得钛酸钾晶增强尼龙6复合材料的粒状产品。该产品直接或经注射机注射成型,制得样品进行各种性能测试,结果见表6。
[0048] 表6
[0049]