本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用表面改性硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚碳酸酯(PC)是分子鏈中含有碳酸酯鏈節(jié)的線型高分子化合物。根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)類型，可將聚碳酸酯分為脂肪族、芳香族和脂肪族-芳香族三種類型。目前，具有使用價(jià)值并已工業(yè)化生產(chǎn)的聚碳酸酯為雙酚A型。作為五大工程塑料中唯一的透明產(chǎn)品，聚碳酸酯具有合成原料價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單及優(yōu)異的耐沖擊性、尺寸穩(wěn)定性、電絕緣性、耐高低溫、自熄阻燃性以及無(wú)毒性等性能，使其廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳遞(變速齒輪、齒條、渦輪、蝸桿等)、電器(如電風(fēng)扇、冰箱、電視顯示器部件等)、醫(yī)療器械(表面皿、注射器等)、汽車(燈罩、車窗等)、航空航天(座艙罩、擋風(fēng)玻璃等)及建筑行業(yè)等領(lǐng)域。然而，聚碳酸酯也存在熔體流動(dòng)性能差、加工困難、容易發(fā)生應(yīng)力開裂、缺口沖擊性能差、易磨損、耐化學(xué)藥品性能差、價(jià)格比較高等缺點(diǎn)，從而使聚碳酸酯的市場(chǎng)應(yīng)用受到一定的影響。為此，采用增強(qiáng)填充材料與聚碳酸酯共混改性，是提高聚碳酸酯加工性能、使用性能并且降低其價(jià)格的有效手段之一。
晶須是指在人工控制條件下以單晶形式生長(zhǎng)而成的一種纖維材料，其直徑非常小(微米數(shù)量級(jí))，不含有通常材料中存在的晶界、位錯(cuò)等缺陷，其原子排列高度有序，因而其強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值。此外，由于其尺寸小、膨脹系數(shù)低，作為改性增強(qiáng)材料使用時(shí)幾乎不影響復(fù)合材料的熔體流動(dòng)性，因而易于制備出具有極高尺寸精度和表面光潔度的晶須增強(qiáng)塑料制品。長(zhǎng)度和直徑分別為20～50μm和0.5～2.0μm的硼酸鎂晶須具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣性好及成本低廉等優(yōu)異性能，是一種可廣泛應(yīng)用于聚合物基、金屬基、陶瓷基等復(fù)合材料的新型增強(qiáng)材料。例如，中國(guó)專利(專利號(hào)：201110384285.X)應(yīng)用專利技術(shù)“一種硼酸酯偶聯(lián)劑表面改性硼酸鎂晶須的方法”(專利號(hào)：201110303566.8)對(duì)硼酸鎂晶須進(jìn)行表面改性，制備出了具有優(yōu)異力學(xué)性能的硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料。
一種硫酸鈣晶須改性聚碳酸酯復(fù)合材料及其制備工藝(專利號(hào)：201110095178.5)公開了一種硫酸鈣晶須改性聚碳酸酯復(fù)合材料及其制備工藝，該硫酸鈣晶須改性聚碳酸酯復(fù)合材料由以下重量份數(shù)的原料制成：聚碳酸酯100份，聚苯乙烯15～20份，硫酸鈣晶須15～25份，抗氧劑1010 0.1～0.4份，聚四氟乙烯1～4份，鈦酸酯偶聯(lián)劑1～3份。其制備方法是，將硫酸鈣晶須和鈦酸酯偶聯(lián)劑于高速混合機(jī)中活化處理3～6min；再將所述其余原料與改性硫酸鈣晶須在高速混合機(jī)中混合6～8min；然后將所得混合物通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出造粒。該專利的缺點(diǎn)是：
1.現(xiàn)有技術(shù)利用干混合法活化處理硫酸鈣晶須，可能引起鈦酸酯偶聯(lián)劑在硫酸鈣晶須表面包覆不均勻及硫酸鈣晶須的斷裂。
2.現(xiàn)有技術(shù)缺少真空干燥步驟，混合料中的殘留微量水分容易導(dǎo)致聚碳酸酯分子鏈在雙螺桿熔融擠出過(guò)程中的催化裂解。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料的制備方法，采用晶須表面改性、真空干燥、預(yù)混合、雙螺桿熔融共混擠出等步驟，制備出晶須分布均勻、晶須與基體界面結(jié)合狀態(tài)良好的高性能硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料。
本發(fā)明所述改性硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
(1)硼酸鎂晶須表面改性：
在40～60℃條件下，用適量無(wú)水乙醇充分溶解質(zhì)量份數(shù)為2～4份的硼酸酯偶聯(lián)劑，然后加入經(jīng)120～140℃烘干4h的質(zhì)量份數(shù)為96～98份的硼酸鎂晶須均勻混合1～2h，抽濾、洗滌后在90～120℃條件下烘干4～6h，得到表面改性硼酸鎂晶須；
(2)真空干燥：
聚碳酸酯粒料和步驟(1)獲得的改性硼酸鎂晶須均在100～120℃條件下真空干燥10～12h。
(3)預(yù)混合：
將步驟(2)獲得的聚碳酸酯粒料和改性硼酸鎂晶須按比例加入高速混合機(jī)中混合10～20min；
(4)熔融共混擠出：
將步驟(3)獲得的混合物通過(guò)料斗加入雙螺桿擠出機(jī)熔融共混擠出。料筒各段溫度控制在230～260℃，機(jī)頭出口溫度為250～260℃，螺桿轉(zhuǎn)速為120～130r/min。將擠出的熔體拉條、水冷、造粒后，在100～120℃條件下真空干燥4～6h，獲得半成品粒料；
(5)注塑成型：
將步驟(4)干燥后的半成品粒料加入注塑機(jī)中注塑成型，即可獲得硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料。注塑機(jī)各段溫度為210℃～270℃，模具溫度為70～80℃，注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間1～2s，保壓壓力30～65MPa，保壓時(shí)間10～18s；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所述的硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料制備方法，工藝簡(jiǎn)便、成本低廉、無(wú)污染，所得復(fù)合材料中硼酸鎂晶須分布均勻、與基體界面結(jié)合狀態(tài)良好，進(jìn)而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
附圖說(shuō)明
表1為實(shí)例1～5制備的硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料的力學(xué)性能；
圖1為實(shí)例5制備的硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料的掃描電鏡照片；
具體實(shí)施方式
對(duì)比例：
本對(duì)比例采用注塑成型法制備聚碳酸酯材料，工藝步驟如下：
(1)真空干燥：
將聚碳酸酯粒料置于真空干燥箱中，在100℃條件下真空干燥12h；
(2)注塑機(jī)模具加熱：
將一模雙腔模具安裝到注塑機(jī)上，并將其加熱到80℃；
(3)注塑機(jī)注射筒加熱：
將注射筒第一至第三段分別加熱到210℃、256℃和270℃，注射嘴加熱到270℃；
(4)注塑機(jī)注射成型：
將步驟(1)獲得的聚碳酸酯粒料添加到注塑機(jī)的注射筒中，加熱到熔融狀態(tài)后，通過(guò)注射噴嘴注射到模具中，制備出啞鈴形和矩形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條；注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間為1.05s；保壓壓力30～65MPa，保壓時(shí)間12～18s；
將對(duì)比例中獲得的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條分別按GB/T 1040.2-2006、GB/T9341-2008、GB/T 1043.1-2008進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試，其結(jié)果見附表1。
實(shí)施例1：
本實(shí)例制備硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料，工藝步驟如下：
(1)硼酸鎂晶須表面改性：
將裝有質(zhì)量份數(shù)為4份硼酸酯偶聯(lián)劑的燒瓶置于水溫為40～50℃的超聲波震蕩器中，用無(wú)水乙醇溶解后，加入經(jīng)120～140℃烘干4h質(zhì)量份數(shù)為96份的硼酸鎂晶須，電動(dòng)攪拌同時(shí)超聲波震蕩1～2h，抽濾、洗滌后在90～120℃條件下烘干4～6h，得到表面改性硼酸鎂晶須；
(2)真空干燥：
將99份聚碳酸酯粒料和1份步驟(1)獲得的改性硼酸鎂晶須置于真空干燥箱中，在100℃條件下真空干燥12h；
(3)預(yù)混合：
將步驟(2)獲得的聚碳酸酯粒料和改性硼酸鎂晶須加入高速混合機(jī)內(nèi)混合10min；
(4)雙螺桿擠出機(jī)料筒加熱：
將雙螺桿擠出機(jī)料筒第一至七段分別加熱到230℃、230℃、240℃、255℃，260℃、255℃和255℃，機(jī)頭出口加熱到255℃；
(5)熔融共混擠出：
將步驟(3)獲得的混合物通過(guò)料斗加入雙螺桿擠出機(jī)熔融、擠出，再將擠出的熔體拉條經(jīng)水槽冷卻、切粒機(jī)造粒得到粒料，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為120r/min；
(6)真空干燥
將步驟(5)獲得的粒料置于真空干燥箱120℃條件下干燥4h，得到復(fù)合材料半成品粒料；
(7)注塑機(jī)模具加熱：
將一模雙腔模具安裝到注塑機(jī)上，并將其加熱到80℃；
(8)注塑機(jī)注射筒加熱：
將注塑機(jī)的注射筒第一至三段分別加熱到210℃、256℃和270℃，注射嘴加熱到270℃；
(9)注塑機(jī)注塑成型：
將步驟(6)獲得的半成品粒料添加到注塑機(jī)注射筒中，加熱到熔融狀態(tài)后通過(guò)注射噴嘴注射到模具中，制備出啞鈴形和矩形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條；注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間為1.05s；保壓壓力為30～65MPa，保壓時(shí)間為12～18s；
將實(shí)施例1中獲得的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條分別按GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T 1043.1-2008進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試，其結(jié)果見附表1。
實(shí)施例2：
本實(shí)例制備硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料，工藝步驟如下：
(1)硼酸鎂晶須表面改性：
硼酸鎂晶須的表面改性方法同實(shí)例1。
(2)真空干燥：
將97份聚碳酸酯粒料和3份步驟(1)獲得的改性硼酸鎂晶須置于真空干燥箱中，在110℃條件下真空干燥12h；
(3)預(yù)混合：
將步驟(2)獲得的聚碳酸酯粒料和改性硼酸鎂晶須加入高速混合機(jī)內(nèi)混合15min；
(4)雙螺桿擠出機(jī)料筒加熱：
將雙螺桿擠出機(jī)料筒第一至七段分別加熱到230℃、235℃、240℃、250℃，255℃、260℃和255℃，機(jī)頭出口加熱到255℃；
(5)熔融共混擠出：
將步驟(3)獲得的混合物通過(guò)料斗加入雙螺桿擠出機(jī)熔融、擠出，再將擠出的熔體拉條經(jīng)水槽冷卻、切粒機(jī)造粒得到粒料，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為120r/min；
(6)真空干燥
將步驟(5)獲得的粒料置于真空干燥箱120℃條件下干燥4h，得到復(fù)合材料半成品粒料；
(7)注塑機(jī)模具加熱：
將一模雙腔模具安裝到注塑機(jī)上，并將其加熱到80℃；
(8)注塑機(jī)注射筒加熱：
將注塑機(jī)的注射筒第一至三段分別加熱到210℃、256℃和270℃，注射嘴加熱到270℃；
(9)注塑機(jī)注塑成型：
將步驟(6)獲得的半成品粒料添加到注塑機(jī)注射筒中，加熱到熔融狀態(tài)后通過(guò)注射噴嘴注射到模具中，制備出啞鈴形和矩形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條；注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間為1.05s；保壓壓力為30～65MPa，保壓時(shí)間為12～18s s；
將實(shí)施例2中獲得的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條分別按GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T 1043.1-2008進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試，其結(jié)果見附表1。
實(shí)施例3：
本實(shí)例制備硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料，工藝步驟如下：
(1)硼酸鎂晶須表面改性：
硼酸鎂晶須的表面改性方法同實(shí)例1。
(2)真空干燥：
將95份聚碳酸酯粒料和5份步驟(1)獲得的改性硼酸鎂晶須置于真空干燥箱中，在120℃條件下真空干燥10h；
(3)預(yù)混合：
將步驟(2)獲得的聚碳酸酯粒料和改性硼酸鎂晶須加入高速混合機(jī)內(nèi)混合15min；
(4)雙螺桿擠出機(jī)料筒加熱：
將雙螺桿擠出機(jī)料筒第一至七段分別加熱到230℃、230℃、245℃、255℃，260℃、255℃和255℃，機(jī)頭出口加熱到255℃；
(5)熔融共混擠出：
將步驟(3)獲得的混合物通過(guò)料斗加入雙螺桿擠出機(jī)熔融、擠出，再將擠出的熔體拉條經(jīng)水槽冷卻、切粒機(jī)造粒得到粒料，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為130r/min；
(6)真空干燥
將步驟(5)獲得的粒料置于真空干燥箱120℃條件下干燥4h，得到復(fù)合材料半成品粒料；
(7)注塑機(jī)模具加熱：
將一模雙腔模具安裝到注塑機(jī)上，并將其加熱到70℃；
(8)注塑機(jī)注射筒加熱：
將注塑機(jī)的注射筒第一至三段分別加熱到220℃、260℃和270℃，注射嘴加熱到270℃；
(9)注塑機(jī)注塑成型：
將步驟(6)獲得的半成品粒料添加到注塑機(jī)注射筒中，加熱到熔融狀態(tài)后通過(guò)注射噴嘴注射到模具中，制備出啞鈴形和矩形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條；注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間為1.05s；保壓壓力為30～65MPa，保壓時(shí)間為12～18s；
將實(shí)施例3中獲得的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條分別按GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T 1043.1-2008進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試，其結(jié)果見附表1。
實(shí)施例4：
本實(shí)例制備硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料，工藝步驟如下：
(1)硼酸鎂晶須表面改性：
硼酸鎂晶須的表面改性方法同實(shí)例1。
(2)真空干燥：
將93份聚碳酸酯粒料和7份步驟(1)獲得的改性硼酸鎂晶須置于真空干燥箱中，在100℃條件下真空干燥12h；
(3)預(yù)混合：
將步驟(2)獲得的聚碳酸酯粒料和改性硼酸鎂晶須加入高速混合機(jī)內(nèi)混合20min；
(4)雙螺桿擠出機(jī)料筒加熱：
將雙螺桿擠出機(jī)料筒第一至七段分別加熱到230℃、235℃、240℃、255℃，255℃、260℃和255℃，機(jī)頭出口加熱到250℃；
(5)熔融共混擠出：
將步驟(3)獲得的混合物通過(guò)料斗加入雙螺桿擠出機(jī)熔融、擠出，再將擠出的熔體拉條經(jīng)水槽冷卻、切粒機(jī)造粒得到粒料，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為130r/min；
(6)真空干燥
將步驟(5)獲得的粒料置于真空干燥箱120℃條件下干燥4h，得到復(fù)合材料半成品粒料；
(7)注塑機(jī)模具加熱：
將一模雙腔模具安裝到注塑機(jī)上，并將其加熱到70℃；
(8)注塑機(jī)注射筒加熱：
將注塑機(jī)的注射筒第一至三段分別加熱到220℃、260℃和270℃，注射嘴加熱到270℃；
(9)注塑機(jī)注塑成型：
將步驟(6)獲得的半成品粒料添加到注塑機(jī)注射筒中，加熱到熔融狀態(tài)后通過(guò)注射噴嘴注射到模具中，制備出啞鈴形和矩形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條；注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間為1.05s；保壓壓力為30～65MPa，保壓時(shí)間為12～18s；
將實(shí)施例4中獲得的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條分別按GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T 1043.1-2008進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試，其結(jié)果見附表1。
實(shí)施例5：
本實(shí)例制備硼酸鎂晶須增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料，工藝步驟如下：
(1)硼酸鎂晶須表面改性：
硼酸鎂晶須的表面改性方法同實(shí)例1。
(2)真空干燥：
將93份聚碳酸酯粒料和7份步驟(1)獲得的改性硼酸鎂晶須置于真空干燥箱中，在100℃條件下真空干燥12h；
(3)預(yù)混合：
將步驟(2)獲得的聚碳酸酯粒料和改性硼酸鎂晶須加入高速混合機(jī)內(nèi)混合20min；
(4)雙螺桿擠出機(jī)料筒加熱：
將雙螺桿擠出機(jī)料筒第一至七段分別加熱到230℃、235℃、240℃、255℃，255℃、260℃和255℃，機(jī)頭出口加熱到250℃；
(5)熔融共混擠出：
將步驟(3)獲得的混合物通過(guò)料斗加入雙螺桿擠出機(jī)熔融、擠出，再將擠出的熔體拉條經(jīng)水槽冷卻、切粒機(jī)造粒得到粒料，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為130r/min；
(6)真空干燥
將步驟(5)獲得的粒料置于真空干燥箱120℃條件下干燥4h，得到復(fù)合材料半成品粒料；
(7)注塑機(jī)模具加熱：
將一模雙腔模具安裝到注塑機(jī)上，并將其加熱到70℃；
(8)注塑機(jī)注射筒加熱：
將注塑機(jī)的注射筒第一至三段分別加熱到220℃、260℃和270℃，注射嘴加熱到270℃；
(9)注塑機(jī)注塑成型：
將步驟(6)獲得的半成品粒料添加到注塑機(jī)注射筒中，加熱到熔融狀態(tài)后通過(guò)注射噴嘴注射到模具中，制備出啞鈴形和矩形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條；注射壓力為70～80MPa，注射時(shí)間為1.05s；保壓壓力為30～65MPa，保壓時(shí)間為12～18s；
將實(shí)施例4中獲得的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條分別按GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T 1043.1-2008進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試，其結(jié)果見附表1。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或者替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
表1