一種高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù) 合材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚酰胺是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)-[NHC0]-的熱塑性樹脂總稱。這類聚合 物具有高韌性、高流動(dòng)性、耐沖擊等諸多優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、汽車制造、儀器 儀表等領(lǐng)域。除此之外，由于聚酰胺材料的高結(jié)晶性和潤(rùn)滑性，這類材料還廣泛應(yīng)用于一些 耐磨、耐腐蝕的工業(yè)機(jī)械器件領(lǐng)域。
[0003] 針對(duì)當(dāng)前一些要求以塑代鋼的工業(yè)器械器件領(lǐng)域?qū)λ苣z材料的強(qiáng)度、模量、耐磨 性、導(dǎo)電性以及高流動(dòng)性的要求，本發(fā)明開發(fā)了一種高強(qiáng)度、高模量的高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚 酰胺復(fù)合材料，該復(fù)合材料適合于通過(guò)注塑成型制成一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜高性能的工業(yè)器件。與 現(xiàn)有的金屬材料相比，該復(fù)合材料具有成型方便，易回收等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高耐磨碳 纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。
[0005] 本發(fā)明另一目的在于提供一種上述高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方 法。
[0006] 本發(fā)明再一目的在于提供上述高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料在電子器件和 電子工具上的應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明的目的通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，包含以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分：
[0009] 聚酰胺（PA) 28,7~78.8 % 碳纖維（CF) 10~45 % 聚偏氟乙烯（PVDF) 10~20 %: 爽滑劑 1~5% 納米填料 1~8% 分散劑 01~1% 其它助劑 d:l~0.3%:。：
[0010] 作為優(yōu)選方案，上述高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，包含以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組 分：
[0011] 聚酰胺（PA) 40~60 % 碳纖維（CF) 20~40 % 聚偏氟乙烯CPVDF) 13~17 % 爽滑劑 1~3% 納米填料 2~5 % 分散劑 0.5~0.8 % 其它助劑 0.2%。
[0012] 上述的聚酰胺可為聚酰胺66 (PA66)和聚酰胺6 (PA6)中的至少一種。
[0013] 優(yōu)選的，上述的聚酰胺為不同粘度的PA66和PA6的混合物。
[0014] 優(yōu)選的，上述的PA66為粘度為3. 0~3. 8Pa.s的高粘度PA66,如PA66(EPR32,神 馬尼龍化工有限公司）。
[0015] 優(yōu)選的，上述的PA6為黏度為2. 0~2. 8Pa?s的中粘度PA6,如PA6 (M2800,岳陽(yáng) 石化）。
[0016] 更優(yōu)選的，上述的聚酰胺中PA66和PA6的質(zhì)量比為80:20~99:1，最優(yōu)的質(zhì)量比 為 90:10 ~95:5。
[0017] 上述的碳纖維可為聚丙烯腈基材的碳纖維、黏膠絲碳纖維和瀝青絲碳纖維中的至 少一種。
[0018] 優(yōu)選的，上述的碳纖維為聚丙烯腈基材的碳纖維。
[0019] 更優(yōu)選的，上述的碳纖維為單絲直徑4~8ym，束絲線密度200~800tex的聚丙 烯腈基材的碳纖維。該碳纖維強(qiáng)度高，不僅能夠?yàn)榫埘０坊奶峁└邚?qiáng)度、高模量、低比重 的特點(diǎn)，還能在一定程度上減少?gòu)?fù)合材料的磨損量。
[0020] 上述碳纖維的最優(yōu)選添加量為20~30%。
[0021] 上述的聚偏氟乙烯可為分子量大于等于100萬(wàn)的高分子量PVDF，如包括：美國(guó)蘇 威的5301、9009等，其中更優(yōu)選為5301。高分子量的PVDF具有低表面張力，其在提高聚合 物韌性的同時(shí)還可降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。
[0022] 上述的爽滑劑為具有有機(jī)硅氧烷結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅聚合物及其共聚物，其可以為聚甲 基硅氧烷、聚乙基硅氧烷、聚苯基硅氧烷和有機(jī)硅氧烷共聚物中的至少一種，優(yōu)選為聚苯基 硅氧烷。有機(jī)硅氧烷結(jié)構(gòu)的爽滑劑在材料成型之后能緩慢朝制品表面迀移，降低材料的摩 擦系數(shù)。
[0023] 上述的納米填料為具有納米尺寸的金屬氧化物，其可以為納米二硫化鉬、納米二 氧化鉬、納米氧化鋅、納米二氧化鈦和納米氧化鋁中的至少一種，優(yōu)選為納米二硫化鉬或納 米氧化鋅。
[0024] 更優(yōu)選的，上述的納米填料的粒徑為100nm~10ym，其微觀形貌可以是球形、棒 狀、片狀等。納米填料具有高的表面硬度，添加到復(fù)合材料中不僅可以降低材料的磨損量， 還可以在復(fù)合材料成型過(guò)程中充當(dāng)異相成核的成核劑，提高聚酰胺的結(jié)晶速度，增加微晶 比重，使復(fù)合材料的抗沖擊性能提高。
[0025] 上述的分散劑可為季戊四醇酯類分散劑、硅酮類分散劑和樹枝狀化合物中的至少 一種。
[0026]優(yōu)選的，上述的分散劑為季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯（PETS)、乙撐雙硬酯 酰胺（EBS)和有機(jī)硅類分散劑（如E525，Evonik)中的至少一種。
[0027] 更優(yōu)選的，上述的分散劑為季戊四醇硬脂酸酯（PETS)。
[0028] 上述的其它助劑可為本領(lǐng)域常見(jiàn)的適用于聚酰胺體系的加工助劑中的至少一種， 如加工穩(wěn)定劑和抗氧劑中的至少一種。
[0029] 優(yōu)選的，上述的抗氧劑為亞磷酸酯類抗氧劑，如3, 9-二（2, 4-二枯基苯氧 基）-2, 4, 8, 10-四氧雜-3, 9-二磷雜螺[5. 5] ^烷（S9228)，三（2, 4-二叔丁基苯基）亞 磷酸酯（抗氧劑168)。
[0030] 更優(yōu)選的，上述的抗氧劑為三（2, 4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯（抗氧劑168)。
[0031] 本發(fā)明還提供了一種上述高耐磨碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法，包括以 下具體操作步驟：
[0032] (1)將聚酰胺、聚偏氟乙烯、爽滑劑、納米填料、分散劑和其它助劑加入高速攪拌機(jī) 中混合均勻；
[0033] (2)將步驟⑴中的混合物料通過(guò)主喂料口加入雙螺桿擠出機(jī)中，碳纖維經(jīng)雙螺 桿擠出機(jī)排氣口加入雙螺桿擠出機(jī)中，熔融共混，擠出造粒，即得到碳纖維增強(qiáng)聚酰胺材 料。
[0034] 步驟（1)中所述的混合的優(yōu)選條件為混合溫度為室溫~80°C，在200~400r/min 的速度下攪拌10~30min。
[0035] 步驟（2)中所述的雙螺桿擠出機(jī)的主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350~430r/min，料斗進(jìn)料 螺桿的轉(zhuǎn)速為24~35r/min。
[0036] 步驟⑵中所述的熔融共混的溫度優(yōu)選為擠出機(jī)各加熱段的溫度為180~255°C。
[0037] 步驟（2)中所述的擠出造粒的方式優(yōu)選為經(jīng)過(guò)水浴冷卻系統(tǒng)后再擠出造粒。
[0038] 本發(fā)明通過(guò)熔融共混工藝制備高耐磨碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰胺復(fù)合材料，該材料 具有高強(qiáng)度、高韌性、低摩擦系數(shù)、低表面電阻率等特點(diǎn)，特別適合于應(yīng)用在一些對(duì)材料耐 磨損性能和抗靜電性能要求較高的電子器件和電動(dòng)工具。
[0039] 本發(fā)明的機(jī)理為：
[0040] (1)碳纖維具有高強(qiáng)度、高自潤(rùn)滑性、高導(dǎo)電率的特點(diǎn)，是一種理想的耐磨擦增強(qiáng) 材料；(2)高分子量的聚偏氟乙烯（PVDF)具有低表面張力和低摩擦系數(shù)的特點(diǎn)，與聚酰胺 材料進(jìn)行熔融共混之后可以在復(fù)合材料中形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不但可以提高材料的耐磨性 能，還能提高材料的抗沖擊性能，與常用做耐磨劑的低分子量聚四氟乙烯（PTFE)相比，高 分子量聚偏氟乙烯（PVDF)與聚酰胺基材相容性更好，加工性能更好；（3)本發(fā)明選擇硅氧 烷類爽滑劑在材料成型之后能緩慢朝制件表面迀移，降低材料的摩擦系數(shù)；(4)高表面硬 度的納米填料一方面可以提高材料的硬度，另外一方面可以提高材料的表面微晶數(shù)量和均 勻性，提高材料表面強(qiáng)度；（5)高粘度PA66和中粘度PA6的復(fù)合使用，利用高粘度的PA66復(fù) 合材料提供高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，利用熔膠在型腔內(nèi)的"噴泉效應(yīng)"，成型過(guò)程中高流動(dòng)性 的PA6將攜帶大量的碳纖維和納米填料在制件表面富集和取向，進(jìn)一步提高材料的耐磨性 能和強(qiáng)度。
[0041] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0042] (1)本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高耐磨、高流動(dòng)性 的特點(diǎn)；
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