CN102942694B - 一种含油铸型尼龙复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含油铸型尼龙复合材料，是由含有掺有液体石蜡和石墨烯的己内酰胺催化聚合而成，其中己内酰胺：液体石蜡：石墨烯的重量比为100：（3～10）：（0.005～0.075）。本发明制得的复合材料的摩擦学性能得到提高，特别是其中摩擦系数明显降低和抗磨损性能大大提高，摩擦系数为现有技术的23.5%-41.1%，体积磨损率为现有技术的31.8%～55.5%，此复合材料可广泛应用于制件的原材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种含油铸型尼龙复合材料，特别是采用液体石蜡和石墨烯改性的铸型尼龙复合材料，属于高分子复合材料技术领域。
背景技术
铸型尼龙(monomer casting nylon，即MC尼龙)，是在常压下将熔融的原料己内酰胺单体用强碱性的物质作催化剂，与助催化剂一起，直接注入预热到一定温度的模具中，物料在模具内很快的进行聚合反应，凝结成坚韧的固体制件。铸型尼龙聚合度高，分子量与结晶度大，具有比其它工程塑料更优良的性能，被广泛用来制造耐磨减摩零件，特别适用于制造注塑成型和压制成型无法解决的大型制品。在许多领域中逐步替代铜、铝、钢铁等多种金属材料。一般的MC尼龙在实际应用中存在着强度模量较低，韧性较差，耐磨性欠佳。随着MC尼龙在航空、汽车、电子电气等行业的广泛应用以及各种器械向微型化、高性能化、高速重载等方向的发展，对MC尼龙的韧性、刚性、摩擦磨损性等提出了更高要求，因此目前的MC尼龙正朝着高性能、多功能的方向发展。
人们已经进行了大量的研究工作。如中国发明专利CN1032345A公开了一种添加增强剂玻璃纤维粉、润滑剂二硫化钼和石墨的铸型尼龙复合材料，研究表明所得复合材料具有优良自润滑性能和尺寸稳定性，另外抗压、抗冲击强度较高。如中国发明专利CN101121787A公开了一种添加增强剂纳米稀土、改性剂十二内酰胺的铸型尼龙复合材料，其韧性以及耐磨性高，且吸水率低、磨耗系数小。中国发明专利CN101195706A公开了一种添加改性剂聚氨酯制备铸型尼龙复合材料的制备方法，冲击强度随聚氨酯预聚体用量的增加而增大，摩擦学性能和抗静电性能有了明显改善，但其强度却逐渐降低。中国发明专利CN102352035A公开了一种较低含量的石墨烯改性的铸型尼龙复合材料，铸型尼龙的机械性能和摩擦性能得到提高；但其摩擦系数比较高，在一定程度上限制了其推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含油铸型尼龙复合材料，在保持复合材料机械性能的前提下，明显降低其摩擦系数，并进一步提高抗磨损性能。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种铸型尼龙复合材料，是由含有掺有液体石蜡和石墨烯的己内酰胺催化聚合而成，其中己内酰胺：液体石蜡：石墨烯的重量比为100：(3～10)：(0.005～0.075)。
本发明的铸型尼龙复合材料的制备方法如下：包括以下制备步骤：
(1)将己内酰胺加热至70～130℃，使之熔化，将己内酰胺单体、液体石蜡和石墨烯按照上述重量比混合，利用在持续搅拌条件下的超声方法，使石墨烯均匀分散在己内酰胺单体中；持续搅拌条件下的超声方法的超声功率为180～200w，频率为100～150Hz，搅拌速率为500～800rpm，温度为100～120℃，分散时间0.5～5h；
(2)将混合后的石墨烯和己内酰胺分散液加入反应瓶中，于温度110～150℃，在真空度为0.07～0.099MPa脱水5～40分钟，加入催化剂，继续真空脱水5～40分钟，真空度保持0.07～0.099MPa；其中催化剂与己内酰胺的单体的重量比为0.1～1：100；
(3)按照助催化剂与己内酰胺单体的重量比为0.1～3：100加入助催化剂，迅速混合均匀后浇铸到预热温度至150～180℃的模具中保温30～100分钟后冷却，获得石墨烯改性的铸型尼龙复合材料。
本发明中的催化剂采用己内酰胺聚合的常用碱性催化剂，如氢氧化钠、甲醇钠，也可以采用金属钠、金属钾、金属锂、氢氧化钾、碳酸钠，这些催化剂可以单独使用也可以配合使用。助催化剂采用己内酰胺聚合的常用助催化剂，如三苯甲烷三异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯，也可以采用乙酰基己内酰胺、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯，这些助催化剂可以单独使用也可以配合使用。凡是可以催化己内酰胺聚合成铸型尼龙的催化剂和助催化剂均可使用，对催化剂和助催化剂的选择不会对本发明的结果造成较大影响。
本发明的有益效果是：本发明铸型尼龙的摩擦学性能得到提高，特别是其中摩擦系数明显降低和抗磨损性能大大提高，摩擦系数为现有技术的23.5％～41.1％，体积磨损率为现有技术的31.8％-55.5％。从而能用此复合材料制备出应用范围更广的制件。
具体实施方式
下面借助实施例对本发明进一步说明。
实施例1
采用己内酰胺、液体石蜡与石墨烯重量比为100:3:0.005的技术方案在己内酰胺中掺入液体石蜡和石墨烯，催化聚合制成铸型尼龙复合材料，具体制备方法如下：
将100份己内酰胺加入带有持续搅拌条件下的超声装置的反应釜中，于温度70℃使己内酰胺熔化，加入3份液体石蜡和0.005份石墨烯，在超声功率为190w，频率为120Hz，机械搅拌速率为500rpm，温度为100℃，分散2小时，得到石墨烯己内酰胺分散液。于温度110℃，真空度为0.07MPa，脱水5分钟。再加入0.1份金属钾作为催化剂，在真空度为0.07MPa下继续真空脱水5分钟。打开阀门解除真空，加入0.1份的甲苯二异氰酸酯，迅速搅拌均匀后浇铸到预热至150℃的模具中，保温30分钟后自然冷却。获得液体石蜡和石墨烯改性铸型尼龙复合材料。
实施例2
采用己内酰胺、液体石蜡与石墨烯重量比为100:5:0.05的技术方案在己内酰胺中掺入液体石蜡和石墨烯，催化聚合制成铸型尼龙复合材料，具体制备方法如下：
将100份己内酰胺加入带有持续搅拌条件下的超声装置的反应釜中，于温度130℃使己内酰胺熔化，加入5份液体石蜡和0.05份石墨烯，在超声功率为200w，频率为150Hz，机械搅拌速率为600rpm，温度为120℃，分散5小时，得到石墨烯己内酰胺分散液。于温度150℃，真空度为0.099MPa，脱水40分钟。再加入1份碳酸钠作为催化剂，在真空度为0.099MPa下继续真空脱水40分钟。打开阀门解除真空，加入1.5份的二苯甲烷二异氰酸酯，迅速搅拌均匀后浇铸到预热至180℃的模具中，保温100分钟后自然冷却。获得液体石蜡和石墨烯改性铸型尼龙复合材料。
实施例3
采用己内酰胺、液体石蜡与石墨烯重量比为100:10:0.05的技术方案在己内酰胺中掺入液体石蜡和石墨烯，催化聚合制成铸型尼龙复合材料，具体制备方法如下：
将100份己内酰胺加入带有持续搅拌条件下的超声装置的反应釜中，于温度120℃使己内酰胺熔化，加入10份液体石蜡和0.05份石墨烯，在超声功率为180w，频率为100Hz，机械搅拌速率为800rpm，温度为110℃，分散30分钟，得到石墨烯己内酰胺分散液。于温度130℃，真空度为0.095MPa，脱水20分钟。再加入0.25份氢氧化钠作为催化剂，在真空度为0.095MPa下继续真空脱水30分钟。打开阀门解除真空，加入3.0份的三苯甲烷三异氰酸酯，迅速搅拌均匀后浇铸到预热至160℃的模具中，保温1.5小时后自然冷却。获得液体石蜡和石墨烯改性铸型尼龙复合材料。
对比例1
以不掺有液体石蜡的铸型尼龙复合材料作为对比例。
采用己内酰胺与石墨烯重量比为100：0.05的技术方案在己内酰胺中掺入石墨烯，催化聚合制成铸型尼龙复合材料，具体制备方法如下：
将100份己内酰胺加入带有持续搅拌条件下的超声装置的反应釜中，于温度120℃使己内酰胺熔化，加入0.05份石墨烯，在超声功率为180w，频率为100Hz，机械搅拌速率为800rpm，温度为110℃，分散30分钟，得到石墨烯己内酰胺分散液。于温度130℃，真空度为0.095MPa，脱水20分钟。再加入0.25份氢氧化钠作为催化剂，在真空度为0.095MPa下继续真空脱水30分钟。打开阀门解除真空，加入3.0份的三苯甲烷三异氰酸酯，迅速搅拌均匀后浇铸到预热至160℃的模具中，保温1.5小时后自然冷却。获得石墨烯改性铸型尼龙复合材料。
将实施例1-3及对比例进行摩擦系数、体积磨损率的测定。采用MM200型摩擦磨损试验机在干摩擦状态，加载200N，试验速率0.43m/s，试验时间60分钟，对偶采用GCr15钢环，直径40mm。具体的测定结果如下表1所示。
表1性能参数表
从上表可以看出，本发明液体石蜡和石墨烯改性的铸型尼龙复合材料，其摩擦系数明显降低，体积磨损率也得到比较明显的下降。
Claims (1)
1.一种含油铸型尼龙复合材料，其特征在于：由以下重量比的原料聚合而成，己内酰胺：液体石蜡：石墨烯＝100:3:0.005；具体制备方法如下：将100份己内酰胺加入带有持续搅拌条件下的超声装置的反应釜中，于温度70℃使己内酰胺熔化，加入3份液体石蜡和0.005份石墨烯，在超声功率为190w，频率为120Hz，机械搅拌速率为500rpm，温度为100℃，分散2小时，得到石墨烯己内酰胺分散液；于温度110℃，真空度为0.07MPa，脱水5分钟；再加入0.1份金属钾作为催化剂，在真空度为0.07MPa下继续真空脱水5分钟；打开阀门解除真空，加入0.1份的甲苯二异氰酸酯，迅速搅拌均匀后浇铸到预热至150℃的模具中，保温30分钟后自然冷却；获得液体石蜡和石墨烯改性铸型尼龙复合材料；所得含油铸型尼龙复合材料的摩擦系数为0.21，体积磨损率0.61×10-5mm3N-1m-1。
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