一种高强度耐磨复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及复合材料，具体涉及一种高强度耐磨复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、机床作为现代工业中的核心设备之一，其性能直接决定了加工件的精度和效率。机床床身导轨及底座类导轨零件作为机床的关键部件，对其材料的要求极高，不仅需要具备高强度、高耐磨性，还要有良好的耐油、耐酸碱和热稳定性。现阶段，机床的床身、底座等部件主要是通过将金属铸件焊接制造而成，这种金属铸件质量较大，安装和运输均不便捷，实际应用存在较大困难，因此，开发新型复合材料，替代传统的金属材料，对于机床的长期发展具有重要意义。

2、复合材料一般是由指胶剂和填料两部分组成，其中胶剂一般是由环氧树脂等高分子材料和固化剂组成，填料一般可采用砂、石等，由于复合材料能够具有两者共同的特点，因此相较于单纯的高分子材料或者无机材料来说更具优势，但是，胶剂和填料本身属于不同相的两种物质，彼此之间存在一定的界面问题，因此在机械力学性能方面的表现相对较差，无法满足机床的高强度要求，基于此，本发明提供了一种高强度耐磨复合材料，可解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度耐磨复合材料及其制备方法和应用。

3、（二）技术方案

4、一种高强度耐磨复合材料，包括按照重量份数计的下列原料：

5、粗骨料                                           50-60份；

6、细集料                                           40-50份；

7、改性纤维复合增强料                               3-6份；

8、环氧树脂                                         20-35份；

9、固化剂                                           5-15份；

10、消泡剂                                           0.5-1.5份；

11、填料                                             5-10份。

12、作为本发明的进一步方案，所述粗骨料选自粒度为10-15mm的碎石；所述细集料选自粒度≤5mm的机制砂或者河砂。

13、作为本发明的进一步方案，所述改性纤维复合增强料的制备方法如下所示：

14、将玻璃短纤维超声分散在体积分数为60-70%的乙醇水溶液中，形成均匀分散液，接着加入架桥试剂，加毕，控制升温速度为2-4℃/min，将温度升高至60-70℃，保温处理2-4h，然后将温度降低至50-55℃，继续加入纳米氧化锆，超声分散20-30min，再将温度升高至70-80℃，保温搅拌处理4-8h后，降温出料，分离出固体物料，经洗涤、干燥处理，即可制得改性纤维复合增强料。

15、在上述技术方案中，首先使用架桥试剂对玻璃短纤维进行表面修饰，再利用架桥试剂结构中的剩余硅氧烷基团水解产生的硅羟基，对纳米氧化锆进行固载，制得表面负载有纳米氧化锆的玻璃纤维，即改性纤维复合增强料。

16、作为本发明的进一步方案，所述架桥试剂的制备方法如下所示：

17、步骤一、将卤代硅烷偶联剂和二乙醇胺加入至无水甲苯中，加完后，搅拌均匀，在氮气保护条件下，将温度升高至60-70℃，保温反应2-4h后，蒸发去除溶剂，收集产物，制得硅烷中间体；

18、步骤二、将硅烷中间体加入至n,n-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，倒入聚合釜中，通入氮气保护，在搅拌条件下，再将9,9-双(3,4-二羧基苯基)芴二酸酐和催化剂加入至聚合釜中，加毕，将温度升高至60-80℃，持续搅拌保温8-12h后，蒸发溶剂，降温出料，即可制得架桥试剂。

19、作为本发明的进一步方案，步骤一中，所述卤代硅烷偶联剂为3-氯丙基三甲氧基硅烷、3-氯丙基三乙氧基硅烷、3-溴丙基三甲氧基硅烷或者3-溴丙基三乙氧基硅烷中的任一种。

20、作为本发明的进一步方案，步骤二中，所述催化剂为三氟化硼乙醚络合物或者对甲苯磺酸。

21、作为本发明的进一步方案，所述玻璃短纤维和纳米氧化锆的质量比为1:0.1-0.2。

22、在上述技术方案中，首先使用卤代硅烷偶联剂和二乙醇胺为反应物，经取代反应，制得结构中含有两当量活性羟基取代基的硅烷衍生物，即硅烷中间体，接着，通过使用催化剂进行催化，硅烷中间体结构中的羟基取代基可以与9,9-双(3,4-二羧基苯基)芴二酸酐结构中的酸酐取代基进行连续不间断的开环酯化缩合，进而形成交替连接的大分子聚合物，即架桥试剂。

23、作为本发明的进一步方案，所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂；所述固化剂为酸酐类固化剂；所述消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷；所述填料为气相二氧化硅、滑石粉、钛酸钙或者钛白粉中的任一种。

24、一种高强度耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

25、第一步、将各原料按照重量份数称量好，备用；

26、第二步、将粗骨料、细集料、改性纤维复合增强料、填料加入至环氧树脂中，于300-500r/min的搅拌速率下机械搅拌混合10-20min，形成前驱料；

27、第三步、调整转速为100-200r/min，接着向前驱料中加入消泡剂，搅拌30-60min，停止搅拌，静置消泡，形成混合料；

28、第四步、将固化剂加入至混合料中，搅拌均匀，然后倒入模具中，振捣密实，待其完全固化后，脱模，即可制得复合材料。

29、一种高强度耐磨复合材料的应用，将所述高强度耐磨复合材料应用于机床中。

30、（三）有益的技术效果

31、本发明通过制备表面负载有纳米氧化锆的玻璃纤维作为改性纤维复合增强料，首先，由于连接纳米氧化锆和玻璃纤维的架桥试剂结构中含有大量的刚性苯环结构，可以与环氧树脂产生π-π共轭，从而使改性纤维复合增强料能够与胶剂环氧树脂具有良好的界面连接力，同时，架桥试剂结构中还有大量未参与反应的硅氧烷基团，同样能够与复合材料中的粗骨料、细集料等产生良好的相互作用，因此，改性纤维复合增强料可以充当胶料和填料之间的相容剂，使彼此之间能够产生良好的界面结合力，进而使复合材料能够表现出更加优异的力学强度，而且，该种连接结构实际上能够使玻璃纤维的增强优势有效发挥，进一步增强复合材料的力学性能。除此之外，纳米氧化锆被固载在玻璃纤维表面，能够产生轻微滑移，形成滚珠效果，因此还能改善复合材料的耐磨性能。

技术特征：

1.一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，包括按照重量份数计的下列原料：

2.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，所述粗骨料选自粒度为10-15mm的碎石；所述细集料选自粒度≤5mm的机制砂或者河砂。

3.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，所述架桥试剂的制备方法如下所示：

4.根据权利要求3所述的一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，步骤一中，所述卤代硅烷偶联剂为3-氯丙基三甲氧基硅烷、3-氯丙基三乙氧基硅烷、3-溴丙基三甲氧基硅烷或者3-溴丙基三乙氧基硅烷中的任一种。

5.根据权利要求3所述的一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，步骤二中，所述催化剂为三氟化硼乙醚络合物或者对甲苯磺酸。

6.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，所述玻璃短纤维和纳米氧化锆的质量比为1:0.1-0.2。

7.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨复合材料，其特征在于，所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂；所述固化剂为酸酐类固化剂；所述消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷；所述填料为气相二氧化硅、滑石粉、钛酸钙或者钛白粉中的任一种。

8.一种如权利要求1所述的高强度耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.一种如权利要求1所述的高强度耐磨复合材料的应用，其特征在于，将所述高强度耐磨复合材料应用于机床中。

技术总结
本发明涉及复合材料技术领域，公开了一种高强度耐磨复合材料及其制备方法和应用，该种复合材料是以粗骨料、细集料以及环氧树脂作为主要原料，与改性纤维复合增强料等辅料经混合、固化形成，其中改性纤维复合增强料为表面负载有纳米氧化锆的玻璃纤维，连接纳米氧化锆和玻璃纤维的架桥试剂结构中含有大量的刚性苯环结构和硅氧烷基团，可以充当胶料和填料之间的相容剂，使彼此之间能够产生良好的界面结合力，同时发挥玻璃纤维自身的增强优势，使复合材料能够表现出更加优异的力学强度，除此之外，纳米氧化锆被固载在玻璃纤维表面，能够产生轻微滑移，形成滚珠效果，因此还能改善复合材料的耐磨性能。

技术研发人员：刘辉
受保护的技术使用者：陕西庄臣环保科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/16