CN108164994A - 一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料及其制备工艺，解决了发动机汽缸罩由于玻璃纤维添加导致抗冲击强度和抗张变形率较低的问题，其技术方案要点是：一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，包括有各组分以及各组分的质量份数如下：尼龙40‑60份，玻璃纤维10‑40份，相容剂1‑4份，润滑剂0.5‑2份，防老剂0.1‑0.8份，热稳定剂0.2‑1.7份、染色剂0.7‑2.5份，达到了在具有较高耐热蠕变特性和强度的同时，能够具有较高的抗冲击震动性能。

Description

一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及尼龙改性，特别涉及一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料及其制备工艺。
背景技术
世界各国政府都把节约能源放在国家发展战略的重要位置，以保持经济的可持续发展。汽车是能源消耗和环境污染的主要途径，汽车轻量化和节能已成为当今汽车工业的重要议题。特别是近十年来，选用轻质的工程塑料用于汽车结构体及部件上是实现汽车轻量化、降低能耗、减少环境污染的有效途径，也直接反映了一个国家汽车工业的发展水平。
汽车发动机罩盖作为汽车上最大的塑料件，对其表观尺寸稳定性有较高的要求，而且作为发动机周边部件，又要具有良好的热稳定性和抗冲击性能。目前，汽车发动机罩盖的PA66多为玻璃纤维增强的改性尼龙，其具有足够高的机械力学性能和耐热性能，可以用作发动机汽缸罩盖的材料。例如，美国首诺公司开发的用于泛达R400G，就是含40％玻璃纤维增强的PA66材料。
发动机汽缸罩盖属于大型、结构复杂零件，同时又是汽车的关键部件，其抗冲击震动性能也至关重要，由于玻璃纤维赋予了材料较高的耐热蠕变特性和强度，所以抗冲击强度和抗张变形率较低，如何平衡这两者的关系是行业研究的重点课题。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，在具有较高耐热蠕变特性和强度的同时，能够具有较高的抗冲击震动性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，包括有各组分以及各组分的质量份数如下：尼龙40-60份，玻璃纤维10-40份，矿物填料1～30份，相容剂1-4份，润滑剂0.5-2份，防老剂0.1-0.8份，热稳定剂0.2-1.7份，染色剂0.7-2.5份。
通过采用上述技术方案，在尼龙中添加玻璃纤维共混，随着玻璃纤维的含量增加，材料的拉伸强度、弯曲强度均有大幅度的提高；相容剂的添加能够引入极性基团，起到连接玻璃纤维和尼龙的效果，使玻璃纤维和相容剂之间、尼龙和相容剂之间的两物相界面消失，形成一相，相容剂相当于玻璃纤维和尼龙之间的交联点，改善了玻璃纤维和尼龙的粘结状态，使玻璃纤维表面附近机体的基体更加容易发生剪切屈服，增加对冲击能的吸收和耗散效果，同时起到对玻璃纤维和尼龙之间的增韧效果，使玻璃纤维在尼龙中得到很好的包覆，在加工过程中玻璃纤维与尼龙同步流动，不易扯开，大大的减少外露的玻璃纤维；但是带有极性基团的相容剂的引入会降低体系的流动性，通过润滑剂的添加，能够明显提高尼龙产品的加工流动性，在不影响产品的力学性能的前提下，达到翻倍提升熔融指数的效果；矿物填料的添加能够使尼龙具有更好的刚性、耐热性、低收缩性和较低成本，有较纤维增强尼龙更好的形稳性，同时，矿物填料具有较好的流动性，能够降低由极性基团引入造成的流动困难的问题，进一步改善加工性能；防老剂的能够提高尼龙的储存性能，该尼龙在户外能够始终保持有较高的抗张强度和冲击强度；热稳定剂的添加能够起到稳定熔体的效果，稳定尼龙熔体压力、平稳加工过程，通过改善加工性能，赋予尼龙优异的力学综合性能，能够抑制汽车零部件因长期使用或高温、氧气/NOx环境下的降解过程，维持力学性能长期稳定性；染色剂用于赋予尼龙所需要的颜色，同时，热稳定剂能够抑制尼龙的黄化，使上色不会发黄，提高色彩的鲜艳度，避免色彩发旧；在本发明配方体系下，通过玻璃纤维、防老剂和热稳定剂赋予尼龙复合材料较高耐热蠕变特性和强度；然后通过相容剂和润滑剂的添加，在不破坏加工性能、耐热蠕变特性和强度的同时，赋予尼龙复合材料较高的抗冲击强度和抗张变形率，从而使尼龙复合材料具有较高的抗冲击震动性能。
作为优选，尼龙为PA66或者PA6的其中一种或两种，且PA66或PA6的相对粘度均处于2.3-3.0之间。
通过采用上述技术方案，PA66和PA6因两者热塑性、轻质、韧性好、耐化学品和耐久性好等特点被广泛应用在制造汽车零部件中，PA6具有较高的抗张强度、良好的抗冲击性能、优异的耐磨性能、耐化学性能和较低的摩擦系数，PA6的收缩率在1％到1.5％之间，与玻璃纤维配合使用可以使收缩率降低到0.3％；
PA66的综合性能好，具有强度高，刚性好、抗冲击、耐油及化学品、耐磨和自润滑等优点，尤其是硬度、刚性、耐热性和蠕变性能相较于PA6更佳；
粘度过大的PA6或者PA66熔体粘性越强，流动性越差，加工过于困难，影响成型，粘度过低的塑料会随之降低黏流温度，降低材料的耐高温性能，同样不利于成型。
作为优选，矿物填料选为滑石粉、纳米粘土、硫酸钡或空心玻璃微珠的其中一种或一种以上。
通过采用上述技术方案，滑石粉能够增加抗压、拉伸强度，抗蠕变性能；纳米粘土是利用蒙脱石矿物的层状结构，采用长链季铵盐类有机物，通过层间插层和层离技术，进入蒙脱石层间取代可交换阳离子，而制得的一种纳米材料，在尼龙体系中能够在尼龙发生形变时，起到铆钉作用，提高尼龙的抗冲击强度，进一步起到增韧效果；硫酸钡的添加除了能够增加材料的硬度和刚度，提高材料的稳定性之外，还能够赋予产品较高的光泽；空心玻璃微珠其主要成分是硼硅酸盐，具有抗压强度高、熔点高、电阻率高、热导系数和热收缩系数小等特点，使制品具有很好的抗龟裂性能和再加工性能，空心玻璃微珠的密度约是传统填充料微粒密度的十几分之一，空心玻璃微珠的密度约是传统填充料微粒密度的十几分之一，填充后可大大减轻产品的基重，替代及节省更多的生产用树脂，降低产品成本，且作为汽车零部件使用时，能够赋予汽车内较好的隔音效果。
作为优选，润滑剂为硬脂酸酰胺、N,N'-亚乙基双硬脂酰胺、硬脂酸正丁酯、甘油三羟硬脂酸酯的其中一种或一种以上。
通过采用上述技术方案，硬脂酸酰胺具有优良的外部润滑效果和脱膜性，透明性、分散性、光泽性和电绝缘性亦佳，还可作为爽滑剂和抗粘连剂使用；N,N'-亚乙基双硬脂酰胺俗称EBS：广泛用于爽滑剂、抗粘连剂、润滑剂和抗静电剂，能够同时起到内润滑和外润滑的作用，既能够改善聚合物熔体与加工设备的热金属表面的摩擦，还能够与聚合物有良好的相容性，它在聚合物内部起到降低聚合物分子间内聚力的作用，从而改善塑料熔体的内摩擦生热和熔体的流动性；
油酸酰胺和芥酸酰胺均可作为爽滑剂、防黏剂，改善成型性能，还具有抗静电效果，可减少灰尘在制品表面的附着，有良好的内润滑效果；硬脂酸正丁酯兼具内润滑和外润滑的效果，且当其作为树脂加工时的内部润滑剂，具有防水性和较好的热稳定性；甘油三羟硬脂酸酯具有优良的耐热性和流动性，可作为爽滑剂和合成橡胶的脱膜剂使用。
作为优选，防老剂为取代一元酚类防老剂、多元酚类防老剂、硫化二取代酚类防老剂以及烷撑二取代酚类防老剂的其中一种或者一种以上。
通过采用上述技术方案，酚类防老剂具有极佳的不变色、不污染性的特点，对热氧老化有一定的防护作用，也能抑制铜离子的老化作用。不变色，易分散，无污染；同时，硫化二取代酚类防老剂能够破坏氢过氧化物，避免过氧化物导致尼龙发生热氧化降解，对抗热氧老化、疲劳老化有良好效果。
作为优选，热稳定剂为有机铜盐类热稳定剂或无机铜盐类热稳定剂的其中一种。
通过采用上述技术方案，铜盐类热稳定剂具有明显耐热性，没有小分子气体；不析出；具有优异光泽，用于汽车内饰件不会产生过大的异味，同时与酚类防老剂配合使用，在保障尼龙热稳定性的同时，避免产品成型后期的铜离子的老化作用，同时，在加工过程中有效的防止聚合物降解。
作为优选，染色剂为有机黑色母或有机炭黑的其中一种或两种。
通过采用上述技术方案，有机黑色母和有机炭黑主要用于上色，同时，有机炭黑少了添加对材料具有增强作用，同时，在PA6和PA66的混合体系中，有机炭黑会选择性分散在PA6中，提高PA6的强度，使炭黑不会连续性的增强PA6和PA66的强度，避免由于有机炭黑的加入导致体系整个发脆，在增强的同时保留了尼龙复合材料原本的韧性。
作为优选，玻璃纤维为无碱短玻璃纤维和磨碎玻璃纤维的其中一种或者两种。
通过采用上述技术方案，磨碎玻璃纤维可以改善层压板的抗裂纹性和耐磨性，降低层压板的收缩量，改善层向强度，同时，对改善层压板的弯曲弹性模量、压缩弹性模具也有一定作用；当无碱短玻璃纤维和磨碎玻璃纤维共混时，磨碎玻璃纤维穿插在无碱短玻璃纤维中，能够加快尼龙的浸透，进一步提高体系的流动性。
本发明的第二个目的是提供一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料的制备工艺，保持矿物的针状或片状结构，在提高尼龙复合材料的机械性能同时，又解决了加工过程中产品出现翘曲的现象。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料的制备工艺，包括有以下步骤：
Step1，将尼龙在烘干箱80℃下干燥2h；
Step2，称取尼龙、相容剂、润滑剂、防老剂、热稳定剂、染色剂加入到高速搅拌机中搅拌均匀，得到尼龙共混物料；
Step3，将所得尼龙共混物料从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将玻璃纤维和矿物填料分别通过两个侧喂料口加入双螺杆挤出机；
Step4，设定双螺杆挤出机的温度为250-280℃，主机转数为300-400r/min，挤出后，经冷却、风干、造粒即可得到尼龙复合材料。
通过采用上述技术方案，玻璃纤维和矿物经侧喂料口加入，可以有效的提高玻璃纤维的保留长度，保持矿物的针状或片状结构，在提高尼龙复合材料的机械性能同时，进一步解决了加工过程中产品出现翘曲的现象。
作为优选，step1在尼龙烘干过程中，在烘干箱内另放入有机铜盐类热稳定剂。
通过采用上述技术方案，铜盐类热稳定剂避免在尼龙烘干过程中发生提前老化，能够使铜盐类热稳定剂提前渗入到尼龙体系中，方便后期的加工。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、相较于PA66或者PA6，本发明的尼龙复合材料提高了尼龙组合物的耐高温老化性能，大大提升产品的使用寿命；
2、相较于PA66或者PA6，本发明的尼龙复合材料提高了产品的耐低温落锤性能，在零下40度的环境中，产品通过低温落锤试验；
3、玻璃纤维和矿物经侧喂料口加入，可以有效的提高玻璃纤维的保留长度，保持矿物的针状或片状结构，在提高尼龙复合材料的机械性能同时，又解决了加工过程中产品出现翘曲的现象；
4、通过添加不同种类助剂可以大幅提高复合材料的流动性、耐高温性能、尺寸稳定性和制品表面光洁等性能；经验证，本发明得到的复合材料可以满足发动机汽缸罩盖材料的性能要求；
5、本发明的尼龙复合材料在具有较高耐热蠕变特性和强度的同时，能够保持较高的抗冲击强度和抗张变形率。
具体实施方式
实施例1a
Step1，将PA6和PA66放入鼓风烘干箱内，设定80℃下干燥2h；
Step2，称取尼龙40份、相容剂1份、润滑剂0.5份、防老剂0.1份、热稳定剂0.2份、染色剂0.7份加入到高速搅拌机中搅拌均匀，得到尼龙共混物料；
Step3，将所得尼龙共混物料从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将玻璃纤维10份通过侧喂料口加入双螺杆挤出机；
Step4，设定双螺杆挤出机的温度为280℃，主机转数为350r/min，挤出后，经冷却、风干、造粒即可得到尼龙复合材料。
尼龙选为烘干后的PA6；
玻璃纤维选为无碱短玻璃纤维；
相容剂选为马来酸酐接枝POE；
润滑剂选为硬脂酸酰胺；
防老剂选为防老剂264，有效成分为：2,6-二特丁基-4-甲基苯酚；
热稳定剂选为有机铜盐热稳定剂SH3360；
染色剂选为有机黑色母；购于浙江佳华精化股份有限公司。
实施例1b-实施例1f的制备工艺与实施例1a大致相同，其区别仅在于添加的组分具体选择和含量不同，具体组分及组分含量见下表(单位：每份＝100g)：
通过实施例1a-实施例1f制得6组尼龙复合材料，同时选取市售玻璃纤维增强10％和玻璃纤维增强40％的尼龙分别作为对比例1a和1b，对8组尼龙复合材料进行以下实验：
(一)对制得的尼龙复合材料的表面性能进行观测，主要查看是否有缩孔，制品表面是否光滑，是否容易沾染灰尘；
(二)在25℃下，根据《GB/T9341-2000塑料弯曲性能试验方法》进行弯曲强度的测试；
(三)在25℃下，根据《GB/T1043.1-2008塑料简支梁冲击性能的测定》进行简支梁无缺口冲击的测试；
(四)耐高温老化性能检测：将制得的尼龙复合材料放置在微波炉内，设定加热温度为100℃，在微波条件下旋转加热24h进行老化处理，取出自然冷却，进行弯曲强度和简支梁无缺口冲击的测试；
(五)耐低温落锤性能：分别在50℃、0℃、-40℃下根据《GB/T 14153-1993硬质塑料落锤冲击试验方法》中的通过法进行落锤冲击试验，记录不被破坏的试样数量。
测试结果见下表：
组别 表面性能
实施例1a 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附
实施例1b 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附
实施例1c 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附
实施例1d 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附
实施例1e 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附
实施例1f 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附
对比例1a 少量缩孔、表面少量毛刺状、无明显灰尘粘附
对比例1b 无缩孔、表面少量毛刺状、无明显灰尘粘附
结合上表可知，通过本发明配方制得的试样在保持较高弯曲强度的同时，简支梁无缺冲击要好于市售的玻纤增强尼龙；在保持尼龙复合材料刚性的前提下，提高了材料的韧性，同时具有较好的抗老化能力和抗低温落锤性能。
实施例2a
Step1，在鼓风烘干箱内预先放入1份有机铜盐类热稳定剂SH3360，启动鼓风烘干箱，预热至80℃，将PA6和PA66放入鼓风烘干箱内干燥2h；
Step2，称取PA6 20份、PA66 40份、马来酸酐接枝POE 1.5份、马来酸酐戒指SEBS 1.5份、硬脂酸酰胺0.5份、硬脂酸正丁酯0.5份、防老剂2246 0.3份、防老剂2246S 0.3份、SH33600.4份、HK-306S 0.4份、有机炭黑2份加入到高速搅拌机中搅拌均匀，得到尼龙共混物料；
Step3，将所得尼龙共混物料从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将无碱短玻璃纤维15份、磨碎玻璃纤维15份从其中一个侧料口喂入双螺杆挤出机，同时，将矿物填料10份从另一个侧喂料口加入双螺杆挤出机；
Step4，设定双螺杆挤出机的温度为280℃，主机转数为400r/min，挤出后，经冷却、风干、造粒即可得到尼龙复合材料。
其中，矿物填料选为滑石粉。
实施例2e-实施例2f与实施例2a的制备工艺大致相同，其区别仅在于矿石填料的具体选择和含量不同，具体组分及组分含量见下表：
通过实施例2a-实施例2f制得6组尼龙复合材料，对6组尼龙复合材料进行以下实验：
(一)以实施例1e作为对照，对制得的尼龙复合材料的表面性能进行观测，主要查看是否有缩孔，制品表面是否光滑，是否容易沾染灰尘，表明光泽度评价；
(二)在25℃下，根据《GB/T9341-2000塑料弯曲性能试验方法》进行弯曲强度的测试；
(三)在25℃下，根据《GB/T1043.1-2008塑料简支梁冲击性能的测定》进行简支梁无缺口冲击的测试；
测试结果见下表：
组别 表面性能
实施例2a 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，无光泽
实施例2b 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，无光泽
实施例2c 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，光泽度好
实施例2d 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，无光泽
实施例2e 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，光泽度好
实施例2f 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，光泽度好
实施例1e 无缩孔、表面光滑、表面无明显灰尘粘附，无光泽
结合上表可知，通过矿物填料的添加，能够进一步提高尼龙复合材料的刚性和韧性，同时在硫酸钡的添加下，还能够提升产品的表面光泽度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，其特征在于，包括有各组分以及各组分的质量份数如下：尼龙40-60份，玻璃纤维10-40份，矿物填料1~30份，相容剂1-4份，润滑剂0.5-2份，防老剂0.1-0.8份，热稳定剂0.2-1.7份,染色剂0.7-2.5份。
2.一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，其特征在于，包括有以下步骤：尼龙为PA66或者PA6的其中一种或两种，且PA66或PA6的相对粘度均处于2.3-3.0之间。
3.根据权利要求1所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，其特征在于，矿物填料选为滑石粉、纳米粘土、硫酸钡或空心玻璃微珠的其中一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料 ，其特征在于，润滑剂为硬脂酸酰胺、N,N'-亚乙基双硬脂酰胺、硬脂酸正丁酯、甘油三羟硬脂酸酯的其中一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料 ，其特征在于，防老剂为取代一元酚类防老剂、多元酚类防老剂、硫化二取代酚类防老剂以及烷撑二取代酚类防老剂的其中一种或者一种以上。
6.根据权利要求1所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料 ，其特征在于，热稳定剂为有机铜盐类热稳定剂或无机铜盐类热稳定剂的其中一种。
7.根据权利要求1所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，其特征在于，染色剂为有机黑色母或有机炭黑的其中一种或两种。
8.根据权利要求1所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料，其特征在于，玻璃纤维为无碱短玻璃纤维和磨碎玻璃纤维的其中一种或者两种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料的制备工艺，其特征在于， 包括有以下步骤：
Step1，将尼龙在烘干箱80℃下干燥2h；
Step2，称取尼龙、相容剂、润滑剂、防老剂、热稳定剂、染色剂加入到高速搅拌机中搅拌均匀，得到尼龙共混物料；
Step3，将所得尼龙共混物料从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将玻璃纤维和矿物填料分别通过两个侧喂料口加入双螺杆挤出机；
Step4，设定双螺杆挤出机的温度为250-280℃，主机转数为300-400r/min，挤出后，经冷却、风干、造粒即可得到尼龙复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种汽车气缸罩盖专用尼龙复合材料的制备工艺，其特征在于，step1在尼龙烘干过程中，在烘干箱内另放入有机铜盐类热稳定剂。
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