專利名稱：一種鑄型尼龍復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄型尼龍復(fù)合材料，特別是采用石墨烯改性的鑄型尼龍復(fù)合材料，高分子復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑄型尼龍(monomer casting nylon，即MC尼龍)，是在常壓下將熔融的原料己內(nèi)酰胺單體用強堿性的物質(zhì)作催化劑，與助催化劑一起，直接注入預(yù)熱到一定溫度的模具中，物料在模具內(nèi)很快的進行聚合反應(yīng)，凝結(jié)成堅韌的固體制件。鑄型尼龍聚合度高，分子量與結(jié)晶度大，具有比其它工程塑料更優(yōu)良的性能，被廣泛用來制造耐磨減摩零件，特別適用于制造注塑成型和壓制成型無法解決的大型制品。在許多領(lǐng)域中逐步替代銅、鋁、鋼鐵等多種金屬材料。一般的MC尼龍在實際應(yīng)用中存在著強度模量較低，韌性較差，耐磨性欠佳。隨著 MC尼龍在航空、汽車、電子電氣等行業(yè)的廣泛應(yīng)用以及各種器械向微型化、高性能化、高速重載等方向的發(fā)展，對MC尼龍的韌性、剛性、摩擦磨損性等提出了更高要求，因此目前的MC 尼龍正朝著高性能、多功能的方向發(fā)展。人們已經(jīng)進行了大量的研究工作。如中國發(fā)明專利CN87105909.6公開了一種添加增強劑玻璃纖維粉、潤滑劑二硫化鉬和石墨的鑄型尼龍復(fù)合材料，研究表明所得復(fù)合材料具有優(yōu)良自潤滑性能和尺寸穩(wěn)定性，另外抗壓、抗沖擊強度較高。如中國發(fā)明專利 CN101121787 B公開了一種添加增強劑納米稀土、改性劑十二內(nèi)酰胺的鑄型尼龍復(fù)合材料， 其韌性以及耐磨性高，且吸水率低、磨耗系數(shù)小。中國發(fā)明專利CN 1005^383C公開了一種添加改性劑聚氨酯制備鑄型尼龍復(fù)合材料的制備方法，沖擊強度隨聚氨酯預(yù)聚體用量的增加而增大，摩擦學(xué)性能和抗靜電性能有了明顯改善，但其強度卻逐漸降低。石墨烯(graphene)即單層石墨，是由碳六元環(huán)組成的兩維點陣結(jié)構(gòu)，不僅有優(yōu)異的電學(xué)性能，質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性好，比表面積大，而且它的楊氏模量(ITPa)和內(nèi)在強度 (130GPa)非常高，適合用作填料獲得性能優(yōu)良的復(fù)合材料，近年來已經(jīng)成為研究熱點。中國發(fā)明專利CN 101928457 A公開了一種添加0. 1_5%左右的石墨烯的鑄型尼龍復(fù)合材料，所得鑄型尼龍復(fù)合材料與未加石墨烯的鑄型尼龍材料相比機械性能提高了 5-20%,但其抗沖擊性能和摩擦性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯改性的鑄型尼龍復(fù)合材料，在保持復(fù)合材料機械性能的前提下，進一步提高復(fù)合材料的抗沖擊性能和抗磨損性能。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種鑄型尼龍復(fù)合材料， 是由摻有石墨烯的己內(nèi)酰胺催化聚合而成，其中己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比為100 0.005-0. 095。己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比優(yōu)選為100 0. 035-0. 075。己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比優(yōu)選為100 0. 045-0. 06。
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的制備方法如下將己內(nèi)酰胺加熱至70 130°C，使之熔化，將己內(nèi)酰胺單體與石墨烯按照上述重量比混合，利用在持續(xù)攪拌條件下的超聲方法，使石墨烯均勻分散在己內(nèi)酰胺單體中；持續(xù)攪拌條件下的超聲方法的超聲功率為10 50000w，頻率為10 50000Hz，攪拌速率為100 3000rpm，分散時間0. 5_5h ；
將混合后的石墨烯和己內(nèi)酰胺分散液加入反應(yīng)瓶中，于溫度110 150°C，在真空度為 0. 07 0. 099MPa脫水5 40分鐘，加入催化劑，繼續(xù)真空脫水5 40分鐘，真空度保持 0. 07 0. 099MPa ；其中催化劑與己內(nèi)酰胺的單體的重量比為0. 1 1 :100 ；
按照助催化劑與己內(nèi)酰胺單體的重量比為0. 1-5:100加入助催化劑，迅速混合均勻后澆鑄到預(yù)熱溫度至150 180°C的模具中保溫30 100分鐘后冷卻，獲得石墨烯改性的鑄型尼龍復(fù)合材料。即最終得到的鑄型尼龍復(fù)合材料中含有己內(nèi)酰胺100份，石墨烯 0. 035-0. 075份，催化劑0. 1-1份，助催化劑0. 1-5份。本發(fā)明中的催化劑采用己內(nèi)酰胺聚合的常用堿性催化劑，如氫氧化鈉、甲醇鈉，也可以采用CN 101^8457A中的催化劑，即鈉、鉀、鋰、氫氧化鉀，碳酸鈉，這些催化劑可以單獨使用也可以配合使用。助催化劑采用己內(nèi)酰胺聚合的常用助催化劑，如三苯甲烷三異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯，也可以采用CN 101 ^8457Α中的助催化劑， 即乙?；簝?nèi)酰胺、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯，這些助催化劑可以單獨使用也可以配合使用。凡是可以催化己內(nèi)酰胺聚合成鑄型尼龍的催化劑和助催化劑均可使用，對催化劑和助催化劑的選擇不會對本發(fā)明的結(jié)果造成較大影響。本發(fā)明的有益效果是改變石墨烯在己內(nèi)酰胺中的加入量，聚合后鑄型尼龍的機械性能和摩擦性能得到提高，特別是其中抗沖擊性能和抗磨損性能大大提高，抗沖擊強度可達現(xiàn)有技術(shù)的2-4倍，體積磨損率為現(xiàn)有技術(shù)的7. 7%-26. 8%。從而能用此復(fù)合材料制備出應(yīng)用范圍更廣的制件。
具體實施例方式實施例1
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 005的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度100°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 005份石墨烯，在超聲功率為180W，頻率為100Hz，機械攪拌速率為 500rpm，溫度為100°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 07MPa,脫水20分鐘。再加入0. 15份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 07MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入0. 5份的甲苯二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至165°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實施例2
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 025的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度110°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 025份石墨烯，在超聲功率為150W，頻率為150Hz，機械攪拌速率為 600rpm，溫度為110°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 092MPa,脫水20分鐘。再加入0. 25份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 092MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入2. 5份的二苯甲烷二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至160°C的模具中，保溫1小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實施例3
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 035的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度110°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 035份石墨烯，在超聲功率為160w，頻率為150Hz，機械攪拌速率為 700rpm，溫度為110°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 098MPa,脫水20分鐘。再加入0. 25份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 098MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入0. 4份的甲苯二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至160°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實施例4
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 045的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度115°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 045份石墨烯，在超聲功率為180w，頻率為160Hz，機械攪拌速率為 900rpm，溫度為115°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度140°C，真空度為 0. 097MPa，脫水20分鐘。再加入0. 25份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 097MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入1. 5份的二苯甲烷二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至165°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實施例5
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100:0. 05的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度120°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 05份石墨烯，在超聲功率為180w，頻率為100Hz，機械攪拌速率為 800rpm，溫度為110°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 095MPa,脫水20分鐘。再加入0. 25份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 095MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入3. 0份的三苯甲烷三異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至160°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)
實施例6
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100:0. 06的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度120°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 06份石墨烯，在超聲功率為180w，頻率為100Hz，機械攪拌速率為 800rpm，溫度為120°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 095MPa,脫水20分鐘。再加入0. 25份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 095MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入2. 0份的二苯甲烷二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至165°C的模具中，保溫1. 0小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實施例7
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 075的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度100°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 075份石墨烯，在超聲功率為180w，頻率為100Hz，機械攪拌速率為 500rpm，溫度為100°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 07MPa,脫水20分鐘。再加入0. 15份甲醇鈉作為催化劑，在真空度為0. 07MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入0. 5份的甲苯二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至165°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實施例8
本發(fā)明的鑄型尼龍復(fù)合材料的一種具體實施例如下
采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 095的技術(shù)方案在己內(nèi)酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復(fù)合材料，具體制備方法如下
將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度120°C使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 095份石墨烯，在超聲功率為300w，頻率為100Hz，機械攪拌速率為 2000rpm，溫度為120°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為0. 098MPa,脫水20分鐘。再加入0. 20份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 098MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入3. 5份的三苯甲烷三異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至160°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得鑄型尼龍材料。對比例1
采用不摻有石墨烯的鑄型尼龍材料作為現(xiàn)有技術(shù)對比例
將100份己內(nèi)酰胺加入反應(yīng)釜中，于溫度100°C使己內(nèi)酰胺熔化，于溫度130°C，真空度為0. 098MPa,脫水20分鐘。再加入0. 20份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 098MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入0. 5份的甲苯二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至160°C的模具中，保溫1小時后自然冷卻，獲得鑄型尼龍材料。對比例2采用己內(nèi)酰胺與石墨烯重量比為100 0. 8為最接近現(xiàn)有技術(shù)的對比例 將100份己內(nèi)酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應(yīng)釜中，于溫度110°C 使己內(nèi)酰胺熔化，加入0. 8份石墨烯，在超聲功率為200W，頻率為150Hz，機械攪拌速率為 600rpm，溫度為110°C，分散30分鐘，得到石墨烯己內(nèi)酰胺分散液。于溫度130°C，真空度為 0. 092MPa，脫水20分鐘。再加入0. 25份氫氧化鈉作為催化劑，在真空度為0. 092MPa下繼續(xù)真空脫水30分鐘。打開閥門解除真空，加入1. 5份的二苯甲烷二異氰酸酯，迅速攪拌均勻后澆鑄到預(yù)熱至160°C的模具中，保溫1. 5小時后自然冷卻。獲得石墨烯改性鑄型尼龍復(fù)合材料。實驗例
將實施例1-8及對比例1-2進行拉伸強度、懸臂梁缺口沖擊強度、硬度、摩擦系數(shù)、體積磨損率的測定。其中拉伸強度測定參照ASTMD638-08，沖擊強度測定參照ASTMD256-06，硬度測定參照ASTMD2M0-05進行；摩擦磨損采用MM200型摩擦磨損試驗機在干摩擦狀態(tài)，加載200N，試驗速率0. 43m/s，試驗時間60分鐘，對偶采用GCrl5鋼環(huán)，直徑40mm。具體的測定結(jié)果如下表所示。表1性能參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種鑄型尼龍復(fù)合材料，其特征在于是由摻有石墨烯的己內(nèi)酰胺催化聚合而成， 其中己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比為100 0. 005-0. 095。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄型尼龍復(fù)合材料，其特征在于己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比為 100 0. 035-0. 075。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄型尼龍復(fù)合材料，其特征在于己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比為 100 0. 045-0. 06。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鑄型尼龍復(fù)合材料，是由摻有石墨烯的己內(nèi)酰胺催化聚合而成，其中己內(nèi)酰胺與石墨烯的重量比為1000.005-0.095。本發(fā)明的有益效果是改變石墨烯在己內(nèi)酰胺中的加入量，聚合后鑄型尼龍的機械性能和摩擦性能得到提高，特別是其中抗沖擊性能和抗磨損性能大大提高，抗沖擊強度可達現(xiàn)有技術(shù)的2-4倍，體積磨損率為現(xiàn)有技術(shù)的7.7%-26.8%。從而能用此復(fù)合材料制備出應(yīng)用范圍更廣的制件。
文檔編號C08K3/04GK102352035SQ20111028624
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月25日
發(fā)明者劉金龍, 張永振, 張玉清, 潘炳力, 王利平, 王峻嶺, 羅潔, 趙菁 申請人:河南科技大學(xué)