低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，包括按重量百分比的以下组分：49.3％～87.7％的尼龙46、5％～20％的聚苯醚接枝马来酸酐、2％～5％的增韧剂、5％～25％的短切碳纤维、0.1％～0.3％的抗氧剂、0.2％～0.5％的润滑剂。通过双螺杆挤出机熔融挤出方法制备上述尼龙复合材料。本发明通过共混改性和碳纤维增强改性提高尼龙46的耐磨性，同时降低尼龙复合材料的吸水性，提高其尺寸稳定性。制得的改性尼龙复合材料具有低吸湿、高强度、耐磨、耐高温等特性，其可应用于要求耐高温、耐磨的汽车、机械零部件的制造。
【专利说明】
低吸湿耐磨碳纤维増强耐高溫尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于高性能尼龙工程塑料技术领域，具体设及一种低吸湿耐磨碳纤维增强 耐高溫尼龙复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维因其优异的力学和热学性能受到广大研究者的重视，近年来随着碳纤维产 量增加和价格降低，碳纤维增强热塑性树脂复合材料的应用越来越广。耐磨碳纤维复合材 料主要的应用是取代金属材料做齿轮、轴承、滑轮、机械累转子等机器零部件，运要求耐磨 碳纤维复合材料有很好的力学强度、刚性和耐热性。PA46是少数几种商业化的耐高溫尼龙 之一，其具有的高耐热性，相对较高的结晶度，高溫下的硬度保持力，W及卓越的耐磨损和 低摩擦性能，市场前景巨大。但由于其结构中酷胺基比例相对较高，因此其吸水性高。随着 吸水率的提高，使尼龙分子链间氨键减弱，尼龙制品尺寸稳定性会变差，因而限制了其应 用。因此，提高尼龙摩擦磨损性能的同时，如何降低其的吸水性，受到了人们的关注，并成为 重要的研究课题。
[0003] 中国专利CN 102942782 A公开了一种持续高溫环境下使用的连续碳纤维增强尼 龙复合材料，按照重量份数，包含:尼龙树脂100份，连续碳纤维5~150份，相容剂1~15份， 抗氧化剂0.1~3份，有机铜盐化合物0.03~2份，自由基捕捉剂0.1~3份，抗水解剂0.05~2 份，润滑剂0.1~5份。该发明的优点是具有超高综合力学性能、尺寸稳定性好、永久抗静电 性、电磁波屏蔽、摩擦系数小、在16(TC高溫环境下持续使用4000h其力学性能保持率大于 85%。
[0004] 中国专利CN103540128B公开了一种耐磨碳纤维增强尼龙66树脂组合物及其制备 方法，主要解决现有耐磨碳纤维增强尼龙66树脂组合物冲击强度较低，而加入冲击改性剂 后拉伸强度又会降低的问题。可用于注塑加工齿轮、轴承、滑轮、机械累转子等机器零部件 的工业生产中。
[0005] 中国专利CN102850786B公开了一种尼龙66材料及其制备方法，该材料包括W下组 份及重量份:500~700份尼龙66原料、300~500份连续碳纤维、6~10份抗氧剂、4~8份润滑 剂和5~15份抗水解剂。大大提高了该材料的刚性和强度，明显提高材料的抗冲击性能和耐 热性能，而且具有长期抗水解稳定性和抗化学腐蚀性能。运种方法的缺陷是，从阻止材料水 解过程出发，并没有降低材料的吸水性，而且抗水解剂价格昂贵，使材料流动性下降。
[0006] 因此，开发一种耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料，同时降低尼龙复合材料吸 水率，对于拓展尼龙工程塑料在汽车、机械、电器等领域的应用具有重要意义。
【发明内容】
[0007] 针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供了一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高 溫尼龙复合材料。
[000引本发明的另一目的在于提供上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料的 制备方法。
[0009] 本发明为实现上述目的，采取W下技术方案予W实现：
[0010] -种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料，包括重量百分比的W下组分： 尼龙 46 49.3〇/〇~87.7%: 聚苯酸接枝马来酸酢 5%~20%: 增规剂 2%~5%;
[0011] 短切碳纤维 5%~25〇/〇; 抗氧剂 0.1%~0.3〇/〇; 漓滑剂 0.2%~0.5%;.
[0012] 所述的增初剂为氨化苯乙締-下二締-苯乙締S嵌段共聚物接枝马来酸酢（SEBS- g-MAH)O
[0013] 优选地，所述的短切碳纤维为经过表面处理的聚丙締腊基短切碳纤维，直径为2~ 10微米，长度为3~7mm。
[0014] 优选地，所述抗氧剂抗氧剂1098[N，N-双-(3-(3,5-二叔下基-4-?基苯基）丙酷 基）己二胺]和抗氧剂S9228[双(2,4一二枯基苯基)季戊四醇二亚憐酸醋]的混合物，其重量 比为 1.5:1 ~1:1.5。。
[0015] 优选地，所述润滑剂娃酬、季戊四醇四硬脂酸醋中一种或两种。
[0016] 本发明的另一目的在于公开上述低吸湿耐磨碳纤维增强尼龙复合材料的制备方 法，包括W下步骤：
[0017] 将干燥后的尼龙46与聚苯酸接枝马来酸酢、增初剂、抗氧剂和润滑剂揽拌均匀，加 入双螺杆挤出机主加料口，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，挤出加工溫度为290~320°C， 经烙融挤出、冷却、切粒、干燥，得到所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料。
[0018] 本发明的尼龙复合材料可广泛应用于要求耐高溫、尺寸稳定且耐磨性能好的汽 车、机械零部件的制备。
[0019] 尼龙46是尼龙系列材料中酷胺基比例最大的材料，因此也具有最强的吸水性。尼 龙材料吸水后，水分子插入到尼龙分子链之间，削弱了尼龙分子链间的作用力，因此增加了 尼龙分子链的移动性，进而使材料的性能降低。聚苯酸是吸水率最低的工程塑料，本发明在 基体中加入聚苯酸接枝物降低尼龙的吸水性。其结构中的MAH基团能与PA46中端氨基反应 生成大分子接枝共聚物，与尼龙具有较好的相容性，降低共混物的吸水性的同时，不会造成 其他性能的下降。碳纤维在物理性能上具有强度大、高模量、密度低、线膨胀系数小、导电性 强、导热率高等特点，本发明采用碳纤维增强改性后，可W极大的提高尼龙46复合材料的力 学性能，同时使得复合材料具有良好的耐磨性和耐高溫性能。
[0020] 本发明与现有技术相比，其优点在于：
[0021] 1、本发明采用聚苯酸接枝马来酸酢大幅降低了尼龙复合材料的吸水性，其与基体 相容性好，使复合材料保持了良好的综合性能。
[0022] 2、本发明利用经过表面处理的短切碳纤维作为增强填料，制备了低吸湿耐磨碳纤 维增强耐高溫尼龙复合材料，碳纤维在基体中分散良好，与基体间形成良好的界面黏结，复 合材料具有高刚性、耐热性好、耐磨等优异的综合性能。
[0023] 3、本发明通过双螺杆挤出机烙融挤出方法制备低吸湿耐磨碳纤维增强尼龙复合 材料，制备工艺简单，适于产业化。
【具体实施方式】
[0024] W下结合具体实施例来对本发明作进一步的说明。
[00巧]在实施例及对比实施例配方中，尼龙46牌号为Stanyl TW341，荷兰帝斯曼公司生 产；聚苯酸接枝马来酸酢牌号为CX-1F，日本出光公司生产；增初剂SEBS-g-MAH牌号为 KRATON篡.PG1901，美国科腾公司生产;短切碳纤维牌号为SIGRAFIL C30S003PUT，德国SGL 化rbon公司生产;所述润滑剂季戊四醇硬脂酸醋牌号为GLYCOLUBE?P化TS)，美国Lonza 公司生产；所述润滑剂娃酬牌号为MB50-008,法国道康宁公司生产；所述抗氧剂为1098: S9228按1:1的混合物，其中抗氧剂1098为德国BASF公司生产，抗氧剂S9228为美国Dover公 司生产。
[00%] 实施例1
[0027] -种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料，由W下按重量百分比计的原料 组成：
[00%]尼龙46 87.7%、聚苯酸接枝马来酸酢5%、增初剂2%、短切碳纤维5%、润滑剂季 戊四醇硬脂酸醋0.2%、抗氧剂0.1 %。
[0029] 上述低吸湿耐磨碳纤维增强尼龙复合材料通过W下步骤制备而成：
[0030] (1)按配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120°C溫度下烘4小时；
[0031] (2)将干燥后的尼龙46与聚苯酸接枝马来酸酢、增初剂、润滑剂、抗氧剂放入高速 混合机中，揽拌5分钟，得到预混料；
[0032] (3)设定双螺杆挤出机溫度第一段至第九段依次为29〇°c/3〇(rc/3i(rc/3i(rc/ 310°C/300°C/290°C/285°C/285°C，机头溫度290°C，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆 挤出机的主加料口加入，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，经烙融挤出、冷却、切粒、干燥， 得到所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料。
[0033] 实施例2
[0034] -种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料，由W下按重量百分比计的原料 组成：
[0035] 尼龙46 77.5%、聚苯酸接枝马来酸酢10%、增初剂2%、短切碳纤维10%、润滑剂 娃酬0.3%、抗氧剂0.2%。
[0036] 上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料的制备方法同实施例1。
[0037] 实施例3
[0038] -种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料，由W下按重量百分比计的原料 组成：
[0039] 尼龙46 66.3%、聚苯酸接枝马来酸酢15%、增初剂3%、短切碳纤维15%、润滑剂 娃酬0.2 %、润滑剂季戊四醇硬脂酸醋0.3 %、抗氧剂0.2 %。
[0040] 上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料的制备方法同实施例1。
[0041 ] 实施例4
[0042] -种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料，由W下W重量百分比计的原料 组成：
[0043] 尼龙46 49.3%、聚苯酸接枝马来酸酢20%、增初剂5%、短切碳纤维25%、润滑剂 娃酬0.2 %、润滑剂季戊四醇硬脂酸醋0.3 %、抗氧剂0.2 %。
[0044] 上述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高溫尼龙复合材料的制备方法同实施例1。
[0045] 对比例1
[0046] -种改性尼龙复合材料，由W下W重量百分比计的原料组成：
[0047] 尼龙46 97.5%、增初剂2%、润滑剂娃酬0.3%、抗氧剂0.2%。
[0048] 上述改性尼龙复合材料通过W下步骤制备而成：
[0049] (1)按组成配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120°C溫度下烘4小时；
[0050] (2)将干燥后的尼龙46与增初剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，揽拌5分钟， 得到预混料；
[0051] (3)设定双螺杆挤出机溫度第一段至第九段依次为29〇°c/3〇(rc/3i(rc/3i(rc/ 310°C/300°C/290°C/285°C/285°C，机头溫度290°C，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆 挤出机的主加料口加入，物料经烙融挤出、冷却、切粒、干燥，得到改性尼龙复合材料。
[0化2] 对比例2
[0053] -种改性尼龙复合材料，由W下W重量百分比计的原料组成：
[0054] 尼龙46 87.5%、增初剂2%、聚苯酸接枝马来酸酢10%、润滑剂娃酬0.3%、抗氧剂 0.2%。
[0055] 上述改性尼龙复合材料通过W下步骤制备而成：
[0056] (1)按组成配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120°C溫度下烘4小时；
[0057] (2)将干燥后的尼龙46与增初剂、聚苯酸接枝马来酸酢、润滑剂、抗氧剂放入高速 混合机中，揽拌5分钟，得到预混料；
[005引（3)设定双螺杆挤出机溫度第一段至第九段依次为290°c/30(rc/3i(rc/3i(rc/ 310°C/300°C/290°C/285°C/285°C，机头溫度290°C，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆 挤出机的主加料口加入，物料经烙融挤出、冷却、切粒、干燥，得到改性尼龙复合材料。
[0059] 对比例3
[0060] -种改性尼龙复合材料，由W下W重量百分比计的原料组成：
[OOW] 尼龙46 87.5%、增初剂2%、短切碳纤维10%、润滑剂娃酬0.3%、抗氧剂0.2%。
[0062] 上述改性尼龙复合材料通过W下步骤制备而成：
[0063] (1)按组成配方称取物料，并将称取的尼龙46预先在120°C溫度下烘4小时；
[0064] (2)将干燥后的尼龙46与增初剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中，揽拌5分钟， 得到预混料；
[0065] (3)设定双螺杆挤出机溫度第一段至第九段依次为29〇°c/3〇(rc/3i(rc/3i(rc/ 310°C/300°C/290°C/285°C/285°C，机头溫度290°C，螺杆转速280转/分，将预混料从双螺杆 挤出机的主加料口加入，短切碳纤维通过侧喂料装置加入，经烙融挤出、冷却、切粒、干燥， 得到改性尼龙复合材料。
[0066] 性能测试
[0067] 将实施例1~4、对比例1~3所制备的改性尼龙复合材料在110°C干燥4小时后，注 塑成型得到标准测试样条，注塑溫度为290~320°C，模具溫度90°C。然后分别按照标准进行 测试，性能测试标准及结果见表1。
[0068]表1复合材料性能测试表
[pHAOl
123 备注:齿轮装载试验方式为将材料注塑成型得到齿轮，再装配到某高速马达上与 金属齿轮晒合运行，运行测试时间化。随着运行时间增长，表面接触溫度迅速升高，大约10 分钟升高至180°C-200°C。 2 由表1可W看出，与对比例相比，加入聚苯酸接枝马来酸酢和短切碳纤维后，随着 聚苯酸接枝马来酸酢和碳纤维含量的增加，尼龙46复合材料的拉伸强度、弯曲强度、热变形 溫度都增加，吸水率明显下降，磨损体积有所减小。当碳纤维含量超过10% W上时，本发明 制备的改性尼龙复合材料吸水率降低达50%，拉伸强度大于120MPa，磨损较小，热变形溫度 达到28(TC W上，经过高溫装载试验无破坏，具有优异的综合性能。 3 W上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进，运些都属于本发明的保 护范围。
【主权项】
1. 一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，其特征在于，包括以重量百分比 的以下组分： 尼龙 46 49,3% ~87.7%; 聚苯醚接枝马来酸酐 5%~20%;: 增韧剂 2%~5%; 短切碳纤维 5%~25%; 抗氧剂 0.1 %~0.3%; 润滑剂 0.2%~0.5%; 所述的增韧剂为氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物接枝马来酸酐（SEBS-g-MAH)〇2. 根据权利要求1所述的一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，其特征在 于，所述的短切碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈基短切碳纤维，直径为2~10微米，长度 为3~7mm〇3. 根据权利要求1所述的一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，其特征在 于，所述抗氧剂是抗氧剂1〇98[Ν，Ν-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基）己二胺]和 抗氧剂S9228[双（2，4一二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯]的混合物，其重量比为1.5:1~ 1:1.5〇4. 根据权利要求1所述的一种低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料，其特征在 于，所述润滑剂为硅酮、季戊四醇四硬脂酸酯中的一种或两种。5. 根据权利要求1~4任一项所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐高温尼龙复合材料的制备 方法，其特征在于，包括以下步骤:将干燥后的尼龙46与聚苯醚接枝马来酸酐、增韧剂、抗氧 剂和润滑剂搅拌均匀，加入双螺杆挤出机主加料口，挤出加工温度为290~320°C，短切碳纤 维通过侧喂料装置加入，经熔融挤出、冷却、切粒、干燥，得到所述低吸湿耐磨碳纤维增强耐 高温尼龙复合材料。
【文档编号】C08K7/06GK105924955SQ201610301526
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】曾幸荣, 冉进成, 刘典典, 官炳荣
【申请人】华南理工大学, 惠州市华聚塑化科技有限公司