CN105647172B - 一种耐磨长玄武岩纤维增强pa6复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子复合材料领域，具体是一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料及其制备方法。所述复合材料由下列重量百分比的原料制备而成，1‑20wt%的固体润滑剂、10‑40wt%的长玄武岩纤维、35‑87wt%的PA6母粒以及2‑5wt%的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所制备的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料在力学性能和摩擦性能两方面具有更均衡的综合性质，耐磨能力强，综合性能优，使用寿命长，制备方法简单高效，易于工业化生产，具有推广价值。

Description

一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域，具体是一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料及其制备方法。
背景技术
尼龙(PA)是一种应用广泛的工程塑料，具有高强度、高耐磨性、耐油、耐弱酸、自润滑、绝缘及易加工等性能优势，但PA分子链上含有大量的极性酰胺基团，造成PA吸水率高，制品尺寸稳定性差，并使其力学性能和耐磨性能下降。此外，尼龙的强度和刚性远不如金属，在某些特殊应用场合，如矿山机械、传送设备、传动零部件等，耐磨性能严重不足极大限制了尼龙复合材料的应用。为了提升尼龙复合材料的耐磨性能，需加入耐磨剂、增强纤维等填料进行改性。专利CN201510213124.2采用增强纤维、憎水材料、耐磨剂、润滑剂、抗紫外光吸收剂、抗氧剂和相容剂改性尼龙树脂，获得了一种具有高强度、低吸湿性、耐候、自润滑、耐磨的尼龙复合材料及其制备方法；专利CN201310258531.6采用芳纶浆粕原位聚合改性提升芳纶与PA6的界面粘附性，提高了复合材料的机械性能和耐磨性能；专利CN201510191484.7采用乙烯/乙烯醇共聚物活化包覆增强体表面，提高增强体与PA6之间的相容性，并通过添加纳米三氧化二铝提高材料的耐热性、耐滑动磨损性能和耐微动磨损性能，并添加炭黑以进一步提高材料的耐磨性和抗紫外性能。上述专利的增强材料为常用的玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维，且多以短纤维形式存在，不能充分发挥纤维的增强作用，此外还存在制备方法繁琐、材料成分复杂、性价比不高等问题。
长纤维增强热塑性塑料(LFRT)是近年来发展迅速的一类新型纤维增强技术。在LFRT制备过程中，纤维的损伤、断裂程度被降至最低。LFRT具有比常规短纤维增强热塑性塑料更优异的力学性能和热性能，而且长纤维相互缠绕，形成了一种纤维骨架，能限制各向异性收缩，显著降低翘曲，提高制品尺寸稳定性、力学性能、摩擦磨损性能等。玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维之后新发展起来的一类极具竞争力的新型高性能增强纤维，它除了具有高强度和高模量的特点外，还具有耐高温性佳、抗氧化性好、抗辐射、绝热隔音效果佳、过滤性好、抗压缩度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能。将玄武岩纤维应用于尼龙增强材料，可充分发挥玄武岩纤维的性能优势，大幅提高尼龙基体的耐磨、力学等综合性能，有利于拓展尼龙复合材料的应用范围。
固体润滑剂填充改性是提升聚合物基复合材料摩擦磨损性能的另一种重要方式。固体润滑剂能够在摩擦过程中形成稳定的润滑膜，有利于降低材料的摩擦系数和磨损率。作为工程塑料填料，具有层状结构的固体润滑剂容易借助摩擦偶间的压力和运动，从聚合物表层中脱离成磨粒并被磨薄磨小，并填充在摩擦材料表面的凹坑处，对摩擦接触起到均化作用，随着固体润滑剂的不断积累，摩擦表面逐渐形成不连续的转移膜，膜间的良好接触状态可以改善表面温度的不均匀性，有效抑制高温磨损。因此，将固体润滑剂用作长玄武岩纤维增强PA6复合材料填料，可进一步提高PA6复合材料的摩擦学性能。
本发明提供一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料及其制备方法。本发明的玄武岩纤维/PA6复合材料在兼顾长玄武岩纤维增强的良好力学性能的同时，兼具优异的耐磨性能；本发明的制备方法简单，纤维浸渍充分，容易连续生产，具有良好的工业化应用前景。
发明内容
本发明为了克服PA6复合材料的性能缺陷和不足，提供了一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料，由下列重量百分比的原料制备而成，1-20wt％的固体润滑剂、10-40wt％的长玄武岩纤维、35-87wt％的PA6母粒以及2-5wt％的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂。
优选的，所述固体润滑剂为聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、石蜡或石墨烯。
为了更进一步的说明本发明的技术方案，本发明提供了一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的制备方法，其采用上述原料，所述制备工艺为：将长玄武岩纤维从支架上的长纤维卷中引出并展开，经过导辊和限位导辊引入到控温浸渍模具内的浸渍辊上，挤出机将PA6母粒、固体润滑剂以及加工助剂挤入控温浸渍模具内，调控控温浸渍模具内的温度以及牵引辊的速度，浸渍后的纤维束通过冷却水槽入口处的导向辊进入到冷却水槽内的压辊上进行冷却，经造粒、干燥，则得到耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
具体实施时，所述控温浸渍模具内的温度为225～250℃，玄武岩纤维的牵引速率为5～35mm/s。优选的温度和速率能够保证PA6母粒、固体润滑剂和加工助剂在熔融状态下充分混合，并且使得纤维与浸渍物料浸渍均匀。
为了使浸渍物料充分、均匀的浸渍纤维，优选的每个浸渍辊的安装方向与纤维束的移动方向相垂直，相邻浸渍辊之间呈上下交叉配合。具体应用时，所述浸渍辊的个数为2～8个。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的固体润滑剂改性长玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦系数和磨损率相比未改性的长玄武岩纤维/PA复合材料低，固体润滑剂有效的提高了长玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能；所制备的PA6复合材料在力学性能和摩擦性能两方面具有更均衡的综合性质，耐磨能力强，综合性能优，使用寿命长，制备方法简单高效，易于工业化生产，具有推广价值。
附图说明
图1为本发明制备方法所采用装置的结构示意图。图中：1-支架，2-长纤维卷，3-导辊，4-限位导辊，5-挤出机，6-控温浸渍模具，7-浸渍辊，8-冷却水槽，9-导向辊，10-牵引辊，11-切粒机，12-压辊。
图2为本发明实施例1所制备的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料冲击断面扫面电镜照片。图示表明纤维与树脂基体的界面结合牢固，说明本发明所提供的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的制备方法能够使纤维充分浸渍。
图3为本发明对比例1所得到的短切玄武岩纤维增强PA6复合材料冲击断面扫描电镜照片。
具体实施方式
参见图1，本发明所述制备方法是采用下列装置完成的，所述装置包括安装有若干长纤维卷2的支架1，与挤出机5出口端相连接的控温浸渍模具6，依次安装于支架1和控温浸渍模具6之间的导辊3和限位导辊4，安装于控温浸渍模具6内的若干浸渍辊7，设置于控温浸渍模具6出口端的冷却水槽8，安装于冷却水槽8内的压辊12，分别安装于冷却水槽8入口处和出口处的两导向辊9，安装于冷却水槽8出口处的牵引辊10以及安装于牵引辊10出料端的切粒机11。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，下述实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明。
实施例1
将石墨(5wt％)、PA6母粒(60wt％)和γ-异氰酸丙基三乙氧基硅烷(5wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为10mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。将所得复合材料注射成型得到标准样条，测试得到耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学和摩擦磨损性能，见表1。
实施例2
将石墨(10wt％)、PA6母粒(58wt％)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(2wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为10mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。将所得复合材料注射成型得到标准样条，测试得到耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学和摩擦磨损性能，见表1。
实施例3
将石墨(15wt％)、PA6母粒(50wt％)和γ-氨丙基三乙氧基硅烷(5wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为30wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为10mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。将所得复合材料在注塑机上注射成型得到标准样条，测试得到耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学和摩擦磨损性能，见表1。
实施例4
将石墨(5wt％)、PA6母粒(60wt％)以及γ-氨丙基三乙氧基硅烷与硫代二丙酸二月桂酯的混合物(2wt％，分别为1wt％、1wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共6个，模具温度240℃)，然后将连续玄武岩纤维(长纤维玄武岩)以5mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为33wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为10mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
实施例5
将石蜡(20wt％)、PA6母粒(58wt％)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(3wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共2个，模具温度225℃)，然后将连续玄武岩纤维以15mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为19wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为10mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
实施例6
将石墨烯(20wt％)、PA6母粒(35wt％)和γ-异氰酸丙基三乙氧基硅烷(5wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共4个，模具温度250℃)，然后将连续玄武岩纤维以35mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为40wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为10mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
实施例7
将二硫化钼(20wt％)、PA6母粒(50wt％)、4-羟基十八烷酸酰替苯胺(5wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共8个，模具温度230℃)，然后将连续玄武岩纤维以20mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为25wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为5mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
实施例8
将聚四氟乙烯(1wt％)、PA6母粒(87wt％)和亚磷酸三苯酯(2wt％)从挤出机5的喂料口加入，在控温浸渍模具6中充分混合(浸渍辊7共7个，模具温度245℃)，然后将连续玄武岩纤维以25mm/秒从控温浸渍模具6中拉出，控制玄武岩纤维含量为10wt％，依次经过水冷却、切粒机11造粒、干燥，则得到长度为20mm的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，各原料的上下限取值以及其区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
表1为实施例1、2、3所得到的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能和摩擦性能。比较各项数据可以得出，本发明制备的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料具有高强、高韧、摩擦系数低、耐磨损能力强等优势，由此可知本发明所得到的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料在力学性能和摩擦磨损性能两方面具有更优的综合性能，因此具有推广价值。
表1
注：摩擦系数和磨损率为样品在HT-1000摩擦磨损试验机上测得，测试条件为：常温、20N、1000r/min。对比例1为：20wt％短切玄武岩纤维(直径7um，长50um)和80wt％PA6粒子预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥，得到短切玄武岩纤维增强PA6复合材料，将所得复合材料注射成型得到标准样条，测试得到复合材料的力学性能和摩擦磨损性能；对比例2为：30wt％短切玄武岩纤维(直径7um，长50um)和70wt％PA6粒子预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥，得到短切玄武岩纤维增强PA6复合材料，将所得复合材料注射成型得到标准样条，测试得到复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。

Claims (4)

1.一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的复合材料是由下列重量百分比的原料制备而成：1-20wt%的固体润滑剂、10-40wt%的长玄武岩纤维、35-87wt%的PA6母粒以及2-5wt%的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂，所述固体润滑剂为聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、石蜡或石墨烯；
所述制备方法采用了下列装置和工艺制备：
所述装置包括安装有若干长纤维卷（2）的支架（1），与挤出机（5）出口端相连接的控温浸渍模具（6），依次安装于支架（1）和控温浸渍模具（6）之间的导辊（3）和限位导辊（4），安装于控温浸渍模具（6）内的若干浸渍辊（7），设置于控温浸渍模具（6）出口端的冷却水槽（8），安装于冷却水槽（8）内的压辊（12），分别安装于冷却水槽（8）入口处和出口处的两导向辊（9），安装于冷却水槽（8）出口处的牵引辊（10）以及安装于牵引辊（10）出料端的切粒机（11）；
所述制备工艺为：将长玄武岩纤维从支架（1）上的长纤维卷（2）中引出并展开，经过导辊（3）和限位导辊（4）引入到控温浸渍模具（6）内的浸渍辊（7）上，挤出机（5）将PA6母粒、固体润滑剂以及加工助剂挤入到控温浸渍模具（6）内，调控控温浸渍模具（6）内的温度以及牵引辊（10）的速度，浸渍后的纤维束通过冷却水槽（8）入口处的导向辊（9）进入到冷却水槽（8）内的压辊（12）上进行冷却，在切粒机（11）中造粒，干燥后则得到耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述控温浸渍模具（6）内的温度为225~250℃，玄武岩纤维的牵引速率为5~35mm/s。
3.根据权利要求2所述的一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的制备方法，其特征在于，每个浸渍辊（7）的安装方向与纤维束的移动方向相垂直，相邻浸渍辊（7）之间呈上下交叉配合。
4.根据权利要求3所述的一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸渍辊（7）的个数为2~8个。
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