[发明专利]高模、高强、高耐热聚甲醛复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其是一种高模、高强、高耐热聚甲醛复合材料及其制备方法。

背景技术

聚甲醛是一种具有较高机械强度、良好耐腐蚀性、自润滑性、耐磨性、低吸水性、抗蠕变性等性能的工程塑料，已应用于汽车、电子电气、化工等领域。但随着聚甲醛的应用领域的逐渐拓展，对其模量、力学强度、尺寸稳定性、耐热性等提出了更高的要求。

为了进一步提高聚甲醛的力学强度、刚度、耐热性、尺寸稳定性等性能，多采用纤维作为增强体，与聚甲醛复合提高材料性能，比如中国专利CN 102161812B以碳纤维作为增强体制备用于耐磨聚甲醛齿轮材料，CN 202820021U以碳纤维或玻璃纤维为辅助材料与聚甲醛、聚碳酸酯复合制备行李箱塑料拉杆。现有碳纤维增强聚甲醛专利多针对摩擦、强度、刚性中的某种性能或应用的发明，且多以短切纤维为主。碳纤维具有超高模量、力学强度及耐热性能，因此，其加入到聚甲醛基体内可提高材料的拉伸、弯曲、抗冲击强度、弹性模量，改善耐热性。但是聚甲醛分子链显弱极性且规整度高，与纤维增强体相容性极差，当纤维含量达到一定程度时，在基体中容易产生团聚，难以实现均匀分散，容易造成缺陷或诱导裂纹的产生，致使复合材料的性能随着纤维含量增加而下降，对冲击强度影响较大，尤其是碳纤维与玻璃纤维复合应用时，很难制备综合性能较好的复合材料。此外，聚甲醛有着较快的结晶速度及较高的结晶度，易于形成大球晶，因而韧性差，缺口冲击强度低，制品收缩率大，不利于精密成型。因此，以传统工艺制备强度、模量、耐热性能都大幅提高的聚甲醛复合材料极难实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种综合性能优越的高模、高强、高耐热聚甲醛复合材料；本发明还提供了一种高模、高强、高耐热聚甲醛复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其各组分的质量百分含量为：聚甲醛51～76%、经表面处理的增强纤维23～48%、抗氧剂0.5～1%、成核剂0.5～1%。

本发明所述增强纤维为碳纤维或碳纤维与玻璃纤维的复合纤维，碳纤维和玻璃纤维均经偶联剂表面处理。所述碳纤维采用异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯表面处理；所述的玻璃纤维采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷表面处理。所述碳纤维在聚甲醛复合材料中的质量百分含量13～28%。

本发明所述成核剂选自氮化硼、碳酸钙或聚酰胺。

本发明所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维长丝，纤维直径5.0～7.0μm，抗拉伸强度为3.5～7.0GPa，弹性模量＞200GPa；所述玻璃纤维为长玻璃纤维，纤维直径6～20μm。

本发明所述聚甲醛为共聚聚甲醛，熔融指数为9～28g/10min。

本发明所述抗氧剂为二缩三乙二醇双[β-（3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基]丙酸酯、四[β-（3-5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯中的一种或几种。

本发明方法采用上述的原料配比，该方法步骤为：（1）对碳纤维长丝进行表面处理：首先在350℃～450℃有氧条件下高温处理10～60min，再将钛酸酯偶联剂溶液涂覆在碳纤维表面，最后在真空干燥；

（2）对玻璃纤维进行表面处理：将玻璃纤维浸泡在预先配制的硅烷偶联剂溶液内，偶联剂溶液各组分的体积比为乙醇:水:硅烷偶联剂=90:7:3，浸泡20～60min后，真空干燥；

（3）将聚甲醛真空干燥后，与抗氧剂、成核剂混合并在高速搅拌机中搅拌均匀，得到聚甲醛预混料；

（4）将聚甲醛预混料放入双螺杆挤出机主喂料槽，经表面处理后的长纤维在双螺杆挤出机自然排气口加入，进行挤出、拉条、冷却、造粒，真空干燥后得到聚甲醛复合材料粒料。

本发明方法所述步骤（4）中，双螺杆挤出机的料筒各段温度控制在160～175℃，机头温度为170℃；螺杆转速110～130r·min^-1，主喂料转数15～30r·min^-1。