專利名稱：一種鑄型尼龍復合材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鑄型尼龍復合材料，特別是采用石墨烯改性的鑄型尼龍復合材料，高分子復合材料技術領域。
背景技術：
鑄型尼龍(monomer casting nylon，即MC尼龍)，是在常壓下將熔融的原料己內酰胺單體用強堿性的物質作催化劑，與助催化劑一起，直接注入預熱到一定溫度的模具中，物料在模具內很快的進行聚合反應，凝結成堅韌的固體制件。鑄型尼龍聚合度高，分子量與結晶度大，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合材料，研究表明所得復合材料具有優(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、改性劑十二內酰胺的鑄型尼龍復合材料， 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合材料的制備方法，沖擊強度隨聚氨酯預聚體用量的增加而增大，摩擦學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)組成的兩維點陣結構，不僅有優(yōu)異的電學性能，質量輕，導熱性好，比表面積大，而且它的楊氏模量(ITPa)和內在強度 (130GPa)非常高，適合用作填料獲得性能優(yōu)良的復合材料，近年來已經成為研究熱點。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合材料，所得鑄型尼龍復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)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯改性的鑄型尼龍復合材料，在保持復合材料機械性能的前提下，進一步提高復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)明所采用的技術方案是一種鑄型尼龍復合材料， 是由摻有石墨烯的己內酰胺催化聚合而成，其中己內酰胺與石墨烯的重量比為100 0.005-0. 095。己內酰胺與石墨烯的重量比優(yōu)選為100 0. 035-0. 075。己內酰胺與石墨烯的重量比優(yōu)選為100 0. 045-0. 06。
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的制備方法如下將己內酰胺加熱至70 130°C，使之熔化，將己內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酰胺分散液加入反應瓶中，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 ；其中催化劑與己內酰胺的單體的重量比為0. 1 1 :100 ；
按照助催化劑與己內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合材料。即最終得到的鑄型尼龍復合材料中含有己內酰胺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?；簝弱０?、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)有技術的2-4倍，體積磨損率為現(xiàn)有技術的7. 7%-26. 8%。從而能用此復合材料制備出應用范圍更廣的制件。
具體實施例方式實施例1
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 005的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度100°C使己內酰胺熔化，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合材料。實施例2
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 025的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度110°C使己內酰胺熔化，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合材料。實施例3
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 035的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度110°C使己內酰胺熔化，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合材料。實施例4
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 045的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度115°C使己內酰胺熔化，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合材料。實施例5
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100:0. 05的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度120°C使己內酰胺熔化，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
實施例6
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100:0. 06的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度120°C使己內酰胺熔化，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合材料。實施例7
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 075的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度100°C使己內酰胺熔化，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合材料。實施例8
本發(fā)明的鑄型尼龍復合材料的一種具體實施例如下
采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 095的技術方案在己內酰胺中摻入石墨烯，催化聚合制成鑄型尼龍復合材料，具體制備方法如下
將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度120°C使己內酰胺熔化，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)有技術對比例
將100份己內酰胺加入反應釜中，于溫度100°C使己內酰胺熔化，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采用己內酰胺與石墨烯重量比為100 0. 8為最接近現(xiàn)有技術的對比例 將100份己內酰胺加入帶有持續(xù)攪拌條件下的超聲裝置的反應釜中，于溫度110°C 使己內酰胺熔化，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。具體的測定結果如下表所示。表1性能參數(shù)表
權利要求
1.一種鑄型尼龍復合材料，其特征在于是由摻有石墨烯的己內酰胺催化聚合而成， 其中己內酰胺與石墨烯的重量比為100 0. 005-0. 095。
2.根據(jù)權利要求1所述的鑄型尼龍復合材料，其特征在于己內酰胺與石墨烯的重量比為 100 0. 035-0. 075。
3.根據(jù)權利要求1所述的鑄型尼龍復合材料，其特征在于己內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合材料，是由摻有石墨烯的己內酰胺催化聚合而成，其中己內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)有技術的2-4倍，體積磨損率為現(xiàn)有技術的7.7%-26.8%。從而能用此復合材料制備出應用范圍更廣的制件。
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