一種粉末注射成形用粘結(jié)劑和喂料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種粉末注射成形用粘結(jié)劑和喂料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，有望成為最具前景的復(fù)合材料增強(qiáng)相。在制備碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的過程中，碳納米管在基體中的分散性和兩相的相容性是兩個關(guān)鍵的問題。因?yàn)樘技{米管與碳纖維一樣與大多數(shù)金屬不潤濕，所以很難在碳納米管與金屬基體之間形成牢固的結(jié)合界面，從而影響了碳納米管增強(qiáng)效果的發(fā)揮。采用機(jī)械或借助溶劑等比較簡單的混合方法，兩者之間尺寸和比重的差異將導(dǎo)致碳納米管團(tuán)聚和偏聚難以避免;對碳納米管進(jìn)行改性，如Cu、Ni等對碳納米管表面包覆，但由于直徑僅為納米級，在其表面進(jìn)行金屬層鍍覆難以達(dá)到均勻、致密，而大規(guī)模的鍍覆更難保證包覆層連續(xù)和致密。為了克服這個問題，人們提出了一些新的復(fù)合方法，韓國科學(xué)家通過對碳納米管的功能化，利用液相與銅離子復(fù)合，還原后采用等離子體火焰燒結(jié)工藝，楊氏模量提高了兩倍。我們課題組對解決這個問題也有較大的突破，采用靜電組裝方法通過液相預(yù)先合成微米級的碳納米管-銅復(fù)合顆粒。碳納米管被“鎖”在復(fù)合顆粒中，可極大地減少燒結(jié)過程中的偏聚；以此為原始粉末，在模具中熱壓成型，再經(jīng)熱乳，得到碳納米管分布均勻的塊體材料。不難看出，這些方法均對碳納米管進(jìn)行了功能化修飾，與基體具有良好的潤濕性。然而。對納米級尺寸的碳納米管進(jìn)行功能化處理是一個繁瑣的工作，一般需要經(jīng)過普通的酸洗純化處理后再進(jìn)行深度化學(xué)或物理修飾，即昂貴又耗時，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
[0003]利用熔滲法來制備碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料也是人們探索的技術(shù)路徑，其思路是把碳增強(qiáng)體事先分散于有機(jī)物中，通過熱處理獲得碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的多孔預(yù)制件，將高溫熔融態(tài)金屬壓入碳增強(qiáng)體預(yù)制件中。這種方法所獲得復(fù)合材料中碳納米管的分散和均勻分布的問題較容易解決，且碳納米管的體積含量也可以達(dá)20%以上，但這種方法對兩相的浸潤性要求很高，液體金屬的滲透難以充分和完全，孔洞較多，致密度難以提尚ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種通過粉末注射成形方法制備碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料所需要的粘結(jié)劑及其喂料的制備方法。這種粘結(jié)劑利用中密度聚乙烯作具有較高粘度的聚合物作為混合介質(zhì)，預(yù)先與碳納米管充分分散混合，借助聚合物熔體流動時的剪切和拉伸作用，實(shí)現(xiàn)碳納米管和金屬粉末大范圍均勻分散和銷固。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案之一是，提供一種粉末注射成形用粘結(jié)劑的制備方法，包括以下步驟:
(1)按質(zhì)量比為1:5?20:0.1?0.6的比例分別稱取碳納米管、石蠟與油酸，將石蠟加熱至熔融后加入碳納米管與油酸，保持溫度為80?85°C條件下超聲并攪拌0.5?1.5h，使碳納米管分散均勻;然后迅速冷卻至凝固，得到復(fù)合固態(tài)石蠟；
(2)將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎，按質(zhì)量份，將30?40份切碎的復(fù)合固態(tài)石蠟加入混煉機(jī)，混煉后，加入12-18份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后加入2?3份表面活性劑，再經(jīng)混煉，得到粘結(jié)劑。
[0006]進(jìn)一步地，所述碳納米管的直徑為10?30nm，長度為5?50μπι。
[0007]進(jìn)一步地，所述的表面活性劑為硬脂酸、硬脂酸丁酯和/或硬脂酸辛酯。
[0008]進(jìn)一步地，所述步驟(2)的具體過程如下:將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎，按質(zhì)量份，將30?40份切碎的復(fù)合固態(tài)石蠟加入混煉機(jī)，在轉(zhuǎn)速為25?30r/min、溫度為80?85°C條件下混煉20?40min;將混煉機(jī)的溫度調(diào)至140?150°C后，加入15份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后將轉(zhuǎn)速調(diào)至40?50r/min，加入2.5份表面活性劑，混煉40?80min，得到粘結(jié)劑。
[0009]本發(fā)明又一技術(shù)方案是，提供一種粉末注射成形用喂料的制備方法，將上述制備方法獲得的粘結(jié)劑與金屬粉末混煉，再經(jīng)擠出造粒，得到喂料。
[00?0] 進(jìn)一步地，所述金屬粉末為球形，粒徑為0.5?3μηι。
[0011]進(jìn)一步地，所述金屬粉末為銅粉或鎳粉。
[0012]進(jìn)一步地，所述粘結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:4?6。
[0013]進(jìn)一步地，所述粘結(jié)劑與金屬粉末混煉的溫度為150?160°C，所述擠出的溫度為175?185。。。
[0014]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明能使碳納米管在金屬基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻分散。將碳納米管引入到粘結(jié)劑體系中，將充分利用聚合物作為粘結(jié)劑主要組分有利于碳納米管分散和錨固，以及注射成形能獲得高致密化的優(yōu)勢。同時，碳納米管的加入既能提高粘結(jié)劑體系的力學(xué)強(qiáng)度，又能提高粘結(jié)劑體系的粘度，而且呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布的碳納米管因其大的長徑比和尚強(qiáng)尚初將進(jìn)一步有效抑制體積的收縮。此外，碳納米管的存在使我們可選擇較低分子量的中密度聚乙烯就能達(dá)到粘結(jié)劑保形性和流動性的要求，不需使用傳統(tǒng)粘結(jié)劑中所用的高密度聚乙烯，而低分子量的中密度聚乙烯更容易在后續(xù)的脫脂過程中脫出。還值得一提的是，高強(qiáng)高韌的碳納米管的存在不但可減小脫脂過程中體積的收縮，而且在后續(xù)的燒結(jié)過程中還能抑制晶粒的長大，這非常有利致密度和性能的提高。
【附圖說明】
[0015]圖1表示實(shí)施例1得到的喂料的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1:稱取2g碳納米管(直徑為10?30納米，長度為5微米到50微米)與32.5g石蠟和lg油酸加熱至80°C呈熔融態(tài)。在超聲分散作用下，攪拌混合lh。待到混合溶液大致變得均勻且大致呈黑色時，迅速取出直至凝固，將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎。
[0017]將上述切碎的石蠟加入到已升溫至80°C的混煉機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為30r/min時，混煉30min。將混煉機(jī)溫度調(diào)至145°C后加入15g中密度聚乙烯，保持轉(zhuǎn)速不變的情況下混煉60min，待中密度聚乙烯大致溶解后將轉(zhuǎn)速調(diào)至45r/min，并加入2.5g表面活性劑，在混煉機(jī)中混煉1小時，得到粘結(jié)劑；
接著，將250g銅粉(直徑為0.5微米)加入到上述粘結(jié)劑中。將混煉溫度升至155°C，攪拌速度仍保持45r/min，混煉1.5h。將所得的復(fù)合物加入雙螺桿擠出機(jī)中，擠出溫度設(shè)置為180°C，進(jìn)行擠出造粒，得到喂料。
[0018]將上述制備方法得到的喂料制樣，進(jìn)行掃描電鏡分析，其電鏡照片如圖1所示，從圖1中看出，喂料呈類球形粒子，碳納米管非常均勻地分布于粒子中，表明這一技術(shù)路線能很好地實(shí)現(xiàn)碳納米管與銅粉的均勻復(fù)合。
[0019]實(shí)施例2:稱取6g碳納米管(直徑為10?30納米，長度為5微米到50微米)與32.5g石蠟和lg油酸加熱至80°C呈熔融態(tài)。在超聲分散作用下，攪拌混合lh。待到混合溶液大致變得均勻且大致呈黑色時，迅速取出直至凝固，將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎。
[0020]將上述切碎的石蠟加入到已升溫至80°C的混煉機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為30r/min時，混煉30min。將混煉機(jī)溫度調(diào)至145°C后加入15g中密度聚乙烯，保持轉(zhuǎn)速不變的情況下混煉60min，待中密度聚乙烯大致溶解后將轉(zhuǎn)速調(diào)至45r/min，并加入2.5g表面活性劑，在混煉機(jī)中混煉1小時，得到粘結(jié)劑；
接著，將300g銅粉(直徑為2微米)加入到上述粘結(jié)劑中。將混煉溫度升至155°C，攪拌速度仍保持45r/min，混煉1.5h。將所得的復(fù)合物加入雙螺桿擠出機(jī)中，擠出溫度設(shè)置為180°C，進(jìn)行擠出造粒，得到喂料。
[0021]
實(shí)施例3:稱取4g碳納米管(直徑為10?30納米，長度為5微米到50微米)與32.5g石蠟和lg油酸加熱至80°C呈熔融態(tài)。在超聲分散作用下，攪拌混合lh。待到混合溶液大致變得均勻且大致呈黑色時，迅速取出直至凝固，將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎。
[0022]將上述切碎的石蠟加入到已升溫至80°C的混煉機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為30r/min時，混煉30min。將混煉機(jī)溫度調(diào)至145°C后加入15g中密度聚乙烯，保持轉(zhuǎn)速不變的情況下混煉60min，待中密度聚乙烯大致溶解后將轉(zhuǎn)速調(diào)至45r/min，并加入2.5g表面活性劑，在混煉機(jī)中混煉1小時，得到粘結(jié)劑；
接著，將300g銅粉(直徑為2微米)加入到上述粘結(jié)劑中。將混煉溫度升至155°C，攪拌速度仍保持45r/min，混煉1.5h。將所得的復(fù)合物加入雙螺桿擠出機(jī)中，擠出溫度設(shè)置為180°C，進(jìn)行擠出造粒，得到喂料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種粉末注射成形用粘結(jié)劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)按質(zhì)量比為1:5-20:0.1-0.6的比例分別稱取碳納米管、石蠟與油酸，將石蠟加熱至熔融后加入碳納米管與油酸，保持溫度為80?85°C條件下超聲并攪拌0.5?1.5h，使碳納米管分散均勻;然后迅速冷卻至凝固，得到復(fù)合固態(tài)石蠟； (2)將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎，按質(zhì)量份，將30?40份切碎的復(fù)合固態(tài)石蠟加入混煉機(jī)，混煉后，加入12-18份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后加入2?3份表面活性劑，再經(jīng)混煉，得到粘結(jié)劑。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管的直徑為10?30nm，長度為5 ?50μπιο3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的表面活性劑為硬脂酸、硬脂酸丁酯和/或硬脂酸辛酯。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體過程如下:將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎，按質(zhì)量份，將30?40份切碎的復(fù)合固態(tài)石蠟加入混煉機(jī)，在轉(zhuǎn)速為25?30r/min、溫度為80?85°C條件下混煉20?40min;將混煉機(jī)的溫度調(diào)至140?150°C后，加入15份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后將轉(zhuǎn)速調(diào)至40?50r/min，加入2.5份表面活性劑，混煉40?80min，得到粘結(jié)劑。5.—種粉末注射成形用喂料的制備方法，其特征在于，將權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述制備方法獲得的粘結(jié)劑與金屬粉末混煉，再經(jīng)擠出造粒，得到喂料。6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬粉末為球形，粒徑為0.5?3μπι。7.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬粉末為銅粉或鎳粉。8.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:4-6ο9.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑與金屬粉末混煉的溫度為150~160°C，所述擠出的溫度為175?185°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粉末注射成形用粘結(jié)劑和喂料的制備方法，粘結(jié)劑的制備包括以下步驟：(1)按質(zhì)量比為1︰5~20︰0.1~0.6的比例分別稱取碳納米管、石蠟與油酸，將石蠟加熱至熔融后加入碳納米管與油酸，保持溫度為80~85℃條件下超聲并攪拌0.5~1.5h，使碳納米管分散均勻；然后迅速冷卻至凝固，得到復(fù)合固態(tài)石蠟；(2)將得到的復(fù)合固態(tài)石蠟切碎，按質(zhì)量份，將30~40份切碎的復(fù)合固態(tài)石蠟加入混煉機(jī)，混煉后加入12-18份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后加入2-3份表面活性劑，再經(jīng)混煉得到粘結(jié)劑。本發(fā)明可使用容易脫出的低分子量的粘結(jié)劑，能使碳納米管在金屬基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻分散，能抑制晶粒的長大，有效抑制體積的收縮，獲得高致密化的復(fù)合材料。
【IPC分類】C22C47/06, C22C47/14, C22C121/00, C22C101/10
【公開號】CN105463347
【申請?zhí)枴緾N201610032389
【發(fā)明人】陳小華, 徐海洋, 汪次榮, 唐群力, 胡愛平
【申請人】湖南大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2016年1月19日