CN107446346B - 一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，包括以下重量份的组分：高温尼龙树脂35％‑85％、碳纤维5％‑45％、复合耐磨助剂5％‑20％、抗氧剂0.2％‑0.6％，所述复合耐磨助剂为经偶联剂改性的混合填料，所述混合填料由莫氏硬度≤2的软质填料与莫氏硬度≥5的硬质填料构成。本发明的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料在高承载时兼具力学性能、耐热性能、低摩擦系数的同时还具有低磨损量，综合性能优异。

Description

一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高温尼龙材料技术领域，尤其涉及一种尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
高温尼龙树脂一般指改性后长期使用温度在150℃以上的尼龙工程塑料，目前工业化的主要产品包括脂肪族尼龙PA46和半芳香族尼龙PA4T、PA6T、PA9T和PA10T等。高温尼龙树脂具有良好的机械性能、耐磨性、耐热性和耐化学药性等优点，半芳香族高温尼龙树脂还克服了尼龙树脂吸水率高的缺点。高温尼龙树脂可用于齿轮、轴承、阀门等滑动件及结构部件、燃料管路等方面，但如果将未改性的高温尼龙树脂作为耐磨材料，尤其在润滑条件较差或负荷较大的工况条件下，其承载能力不够，自润滑性差，在高速摩擦中磨损量大，难以满足在高负荷下长期具有表面耐磨损和低摩擦性质的自润滑工程结构材料的使用要求。一般来说，添加碳纤维与耐磨助剂可以提升尼龙树脂的性能。
碳纤维是含碳量在90％以上的高强度高模量纤维，是用一种性能优异的增强材料。碳纤维和碳纤维复合材料具有高强度、高模量、耐高温、质量轻、耐磨、抗蠕变和热膨胀系数低等优点，在复合材料领域里得到广泛的应用。但是，碳纤维表面呈化学惰性，与热塑性树脂基体之间相容性较差，碳纤维难以在基体树脂难均匀分散，与基体树脂粘接较差，影响复合材料综合性能的发挥。
耐磨助剂的选用对提高耐磨材料的摩擦系数和降低耐磨材料的磨损量都有着至关重要的作用。一般认为低硬度的填料，特别是莫氏硬度低于2的填料，如石墨、二硫化钼、滑石、云母和聚四氟乙烯微粉等，既能降低材料的摩擦系数又能减少对对偶材料的磨损。但在较大负荷下，这些耐磨材料与硬度更大的对偶材料发生相对滑动而摩擦时，会造成局部过热，导致高温，耐磨材料会因为高温***并被剪切脱落，形成黏着磨损。
专利文献CN101343409B公开了一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，使用经表面处理后的碳纤维增强尼龙、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯和ABS等热塑性塑料，并加入聚四氟乙烯以减低摩擦系数，但该专利未能解决高承载时材料磨损过大的问题。
专利文献CN104744926A公开了一种连续长纤增强耐高温尼龙复合材料，包括以下组份及重量份：耐高温尼龙树脂100份、连续增强纤维35-155份、双马来酰亚胺1-15份、相容剂A5-15份、相容剂B1-3份、复合增强抗磨剂11-46份、复合润滑减摩剂10-40份、加工助剂1.0-5.0份和固化剂0.1-0.5份。该专利制备连续长纤维增强耐高温尼龙复合材料具备力学性能、耐高温性和尺寸稳定性，但连续长纤增强耐高温尼龙复合材料中纤维长度大，不利于材料的摩擦系数和磨损的降低，同时连续长纤增强耐高温尼龙复合材料需要对成型设备有特殊要求，工艺复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种在高承载时兼具力学性能、耐热性能、低摩擦系数的同时还具有低磨损量的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，并相应提供其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，包括以下重量份的组分：高温尼龙树脂35％-85％、碳纤维5％-45％、复合耐磨助剂5％-20％、抗氧剂0.2％-0.6％，所述复合耐磨助剂为经偶联剂改性的混合填料，所述混合填料由莫氏硬度≤2的软质填料与莫氏硬度≥5的硬质填料构成。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料中，优选的，所述软质填料与硬质填料的质量比为3:1-9:1，所述偶联剂的质量为所述软质填料和硬质填料的质量总和的0.3％-1％。
发明人在研究过程中发现，采用单一的软质填料既能降低材料的摩擦系数又能减少对对偶材料的磨损，但在较大负荷下，这些耐磨材料与硬度更大的对偶材料发生相对滑动而摩擦时，会造成局部过热，导致高温，耐磨材料会因为高温***并被剪切脱落，形成黏着磨损。但是，发明人发现采用采用质量比为3:1-9:1软质填料与硬质填料的混合填料，经偶联剂处理后，可以解决上述磨损量大的问题。这是因为经偶联剂处理后的混合填料中的软质填料在摩擦过程中会在摩擦界面形成稳定、连续和光滑的转移膜，能有效降低耐磨材料的摩擦系数和磨损量；混合填料中的硬质填料能提高耐磨材料的模量、硬度和耐热性，在摩擦过程主要起承载作用，减轻黏着，阻止犁沟的扩展和热塑性变形及软化，降低了材料的磨损量，因而添加经偶联剂处理后的混合填料能有效缓解耐磨材料在大负荷下与硬度更大的对偶材料发生相对滑动而摩擦产生黏着磨损，可以降低磨损量。但硬质填料不宜过多，否则会增加复合材料的摩擦系数，不利于复合材料综合性能的提高。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料中，优选的，所述软质填料为石墨、二硫化钼、滑石、云母和聚四氟乙烯微粉中的一种或几种，所述硬质填料为硅灰石、氧化铝和碳化硅中的一种或几种。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料中，优选的，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和锆酸酯偶联剂中的一种或多种。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料中，优选的，所述高温尼龙树脂为熔点在280℃-330℃之间的半芳香族尼龙树脂或半芳香族尼龙树脂共聚物中的一种或几种。例如可选自聚对苯二甲酰十三碳二胺(PA13T)、聚对苯二甲酰十一碳二胺(PA11T)、聚对苯二甲酰十二碳二胺(PA12T)、聚对苯二甲酰己二胺-co-聚己内酰胺共聚物(PA6T/6)、聚对苯二甲酰己二胺-co-聚己二酰己二胺共聚物(PA6T/66)、聚对苯二甲酰壬二胺-co-聚对苯二甲酰癸二胺共聚物(PA9T/10T)。复合材料在高压高速的摩擦工况下会产生大量的热，耐热性差的材料容易软化，快速被磨损。上述基体树脂，具有良好的耐磨性、耐热性和耐化学药性和机械性能，能满足高承载、高温和润滑不良等恶劣工况的使用条件。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料中，优选的，所述碳纤维为经硝酸液相氧化法处理后的PAN基研磨碳纤维，所述PAN基研磨碳纤维的单丝直径为5-8μm，平均纤维长度为50μm-200μm。研磨碳纤维具有长度分布均匀，分散性优异等优点，能有效改善碳纤维在基体树脂中的分散问题，提高材料的力学性能和摩擦性能，使用前进行液相氧化处理可以提高其与高温尼龙树脂的粘接力，改性效果更加优异。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料中，优选的，所述抗氧剂为N,N-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺和三(2,4-叔丁基苯基)亚磷酸酯按重量比为0.5:1-2:1混合后的混合物。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将软质填料与硬质填料烘干并混合均匀得到混合填料，在搅拌下将偶联剂溶液喷洒在混合填料表面上，再干燥得到复合耐磨助剂；
(2)将碳纤维放入硝酸溶液中加热处理，再洗涤烘干得到经液相氧化的碳纤维；
(3)将高温尼龙树脂烘干，再将高温尼龙树脂、复合耐磨助剂、抗氧剂混合均匀后从螺杆挤出机的主喂料口加入，碳纤维从螺杆挤出机侧喂料口加入，熔融后挤出，经冷却、切粒、干燥后得到碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料的制备方法中，优选的，所述偶联剂溶液为将偶联剂加入异丙醇中，并保持异丙醇质量为偶联剂质量的10-30倍。异丙醇还可用熔点为60-85℃的醇类溶剂替代，但优选为异丙醇。
上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料的制备方法中，优选的，所述硝酸溶液的质量分数为30％-65％，所述加热处理的条件为在60℃-80℃水浴中加热处理0.5-3h。
具体的，上述碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料的制备方法的步骤如下：
(1)将软质填料与硬质填料置于电热鼓风干燥箱中，在80-120℃下烘干6-8h后混合均匀得到混合填料，将偶联剂溶于异丙醇中配置成偶联剂溶液，并保持异丙醇质量为偶联剂质量的10-30倍，再将混合填料置于搅拌机中搅拌，搅拌过程中将偶联剂溶液喷洒在混合填料的表面，搅拌时间为10-20min，最后将喷洒偶联剂溶液的混合填料置于电热鼓风干燥箱中，在80-100℃下干燥3-6h，得到所述复合耐磨助剂；
(2)将碳纤维放入质量分数为30％-65％的硝酸中，在60℃-80℃水浴中加热0.5-3h后，用蒸馏水冲洗经硝酸处理后的碳纤维直至蒸馏水的pH值为7左右，最后将碳纤维放入烘箱中，在75℃-85℃下烘8-12h，得到经液相氧化的碳纤维；
(3)将高温尼龙树脂放入烘箱中，在110-130℃下干燥4-6h，再将高温尼龙树脂、复合耐磨助剂、抗氧剂在高速混合机中混合均匀，从螺杆挤出机的主喂料口加入，将碳纤维从螺杆挤出机的侧喂料口加入，保持挤出温度为290℃-335℃，螺杆转速为200r/min-500r/min，熔融后挤出，经冷却、切粒、干燥后得到碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用耐高温尼龙树脂作为复合材料的基体树脂，具有良好的耐磨性、耐热性和耐化学药性和机械性能，能满足高承载、高温和润滑不良等恶劣工况的使用条件。
2、本发明的复合耐磨助剂，能有效缓解耐磨材料在大负荷下与硬度更大的对偶材料发生相对滑动而摩擦产生的黏着磨损，降低磨损量。另外，耐磨助剂经偶联剂处理后与基体树脂的结合力显著提高，可以提高材料的力学性能。
3、本发明中耐高温尼龙树脂、复合耐磨助剂及碳纤维三者优势互补，制备得到的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料在高承载时兼具力学性能、耐热性能、低摩擦系数的同时还具有低磨损量，综合性能优异。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，其组分及含量如下表1所示，其中，软质填料的莫氏硬度≤2，硬质填料的莫氏硬度≥5，碳纤维为经硝酸液相氧化法处理后的PAN基研磨碳纤维，PAN基研磨碳纤维经硝酸液相氧化法处理前的单丝直径为7μm，平均纤维长度为100μm。
本实施碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料的制备方法如下：
(1)将软质填料与硬质填料置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下烘干8h后混合均匀得到混合填料，将偶联剂溶于异丙醇中配置成偶联剂溶液，并保持异丙醇质量为偶联剂质量的20倍，再将混合填料置于搅拌机中搅拌，搅拌过程中将偶联剂溶液喷洒在混合填料的表面，搅拌时间为15min，最后将喷洒偶联剂溶液的混合填料置于电热鼓风干燥箱中，在90℃下干燥4h，得到所述复合耐磨助剂；
(2)将碳纤维放入质量分数为60％的硝酸中，在70℃水浴中加热1h后，用蒸馏水冲洗经硝酸处理后的碳纤维直至蒸馏水的pH值为7左右，最后将碳纤维放入烘箱中，在80℃下烘10h，得到经液相氧化的碳纤维；
(3)将高温尼龙树脂放入烘箱中，在120℃下干燥6h，再将高温尼龙树脂、复合耐磨助剂、抗氧剂在高速混合机中混合均匀，从螺杆挤出机的主喂料口加入，将碳纤维从螺杆挤出机的侧喂料口加入，保持挤出温度为300℃，螺杆转速为400r/min，熔融后挤出，经冷却、切粒、干燥后得到碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料。
将本实施例制备得到的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料进行性能测试，测试结果如下表1所示。
实施例2-4：
一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，与实施例1相比，不同之处在其组成成分的含量有所不同，具体不同见下表1。本实施例的制备方法与实施例1相同。
对比例1-3：
一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，与实施例1-4相比，不同之处在其组成成分的含量有所不同，具体不同见下表1。
表1：实施例1-4和对比例1-3的原料及性能数据
Figure BDA0001420809690000051
Figure BDA0001420809690000061
由上表可知，实施例1-4中制备得到的复合材料的综合性能明显优于对比例1-3中制备得到的复合材料，尤其是磨耗这一性能明显更优。
上表中，拉伸强度和模量按GB/T 1040-2006标准测试，拉伸强度测试速率50mm/min，拉伸模量测试速率1mm/min；弯曲强度和模量按GB/T 9341-2008标准测试，拉伸强度和模量测试速率2mm/min；简支梁缺口冲击强度和无缺口冲击强度按GB/T1043-2008标准测试，缺口强度摆锤能量1J，无缺口冲击强度摆锤能量7.5J；热变形温度按GB/T 1643-2004标准测试，1.8MPa负荷；摩擦系数和磨耗按国标GB/T 3960-2016测试，施加1250N力，45#钢对磨环，面积为125mm2。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：高温尼龙树脂35%-85%、碳纤维5%-45%、复合耐磨助剂5%-20%、抗氧剂0.2%-0.6%，所述复合耐磨助剂为经偶联剂改性的混合填料，所述混合填料由莫氏硬度≤2的软质填料与莫氏硬度≥5的硬质填料构成；
其中，所述软质填料为石墨、二硫化钼、滑石、云母和聚四氟乙烯微粉中的一种或几种，所述硬质填料为硅灰石、氧化铝和碳化硅中的一种或几种；
所述碳纤维为经硝酸液相氧化法处理后的PAN基研磨碳纤维，所述PAN基研磨碳纤维的单丝直径为5-8μm，平均纤维长度为50μm-200μm；
所述软质填料与硬质填料的质量比为3:1-9:1。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，其特征在于，所述偶联剂的质量为所述软质填料和硬质填料的质量总和的0.3%-1%。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，其特征在于，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和锆酸酯偶联剂中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，其特征在于，所述高温尼龙树脂为熔点在280℃-330℃之间的半芳香族尼龙树脂或半芳香族尼龙树脂共聚物中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为N,N-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺和三(2,4-叔丁基苯基)亚磷酸酯按重量比为0.5:1-2:1混合后的混合物。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将软质填料与硬质填料烘干并混合均匀得到混合填料，在搅拌下将偶联剂溶液喷洒在混合填料表面上，再干燥得到复合耐磨助剂；
（2）将碳纤维放入硝酸溶液中加热处理，再洗涤烘干得到经液相氧化的碳纤维；
（3）将高温尼龙树脂烘干，再将高温尼龙树脂、复合耐磨助剂、抗氧剂混合均匀后从螺杆挤出机的主喂料口加入，碳纤维从螺杆挤出机侧喂料口加入，熔融后挤出，经冷却、切粒、干燥后得到碳纤维增强耐磨高温尼龙复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述偶联剂溶液为将偶联剂加入异丙醇中，并保持异丙醇质量为偶联剂质量的10-30倍。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸溶液的质量分数为30%-65%，所述加热处理的条件为在60℃-80℃水浴中加热处理0.5-3h。
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