一种高耐磨聚苯硫醚磁性材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及功能塑料技术领域，具体涉及一种高耐磨聚苯硫醚磁性材料及其制备方法。


背景技术：

2.磁性塑料是20世纪70年代于国外发展起来的一种新型高分子功能材料，它既具有聚合物的性能，又具有磁性物质的性能，是现代科学技术领域的重要基础材料之一。磁性塑料按组成可分为结构型和复合型两种，结构型磁性塑料是指聚合物本身具有强磁性的磁体；复合型磁性塑料是指以塑料或橡胶为粘合剂与磁性粉末混合粘接/复合加工而制成的磁体。与传统的烧结型磁性材料相比，磁性塑料具有以下优点：质轻、柔韧、成型收缩率小、制品设计灵活，可制成薄壁或复杂形状的制品，可连续成型、批量生产，可加入嵌件而不需后加工，可进行双色成型和整体成型，可通过变更磁粉含量来控制磁性能，有极好的化学稳定性。磁性塑料兼具有良好的可加工性和磁性能，在许多领域都有广泛的应用。例如，在家用电器方面可用于电视机定心环、洗衣机排水阀电极，在电子仪器方面可用于印刷机磁头、玩具电极中的定子和转子、磁轴承等设备。随着磁性塑料研究的不断深入，其应用前景将更加广泛。
3.聚苯硫醚(pps)是一种综合性能优异的热塑性特种工程塑料，它具有硬而脆、结晶度高、难燃、热稳定性好、机械强度较高、电性能优良等特性。经磁性粉末填充的pps磁性产品则具有下列优点：良好中高温稳定性，适用于-20～280℃下使用；抗吸水性好，良好的尺寸稳定性；化学稳定性良好，有优良的阻燃性；流动性好，取向度可达95％以上。因此，它可以应用于打印机磁辊、小型化的电机转子、汽车微电机转子等部件。但是，这些磁性产品在使用过程中由于频繁转动而极易受到机械磨损，导致磁性产品出现变形、裂纹等不良后果，因此，此类零部件更新频率较高，提高了其使用成本。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种高耐磨聚苯硫醚磁性材料及其制备方法，该方法通过加入耐磨助剂以改善聚苯硫醚磁性材料的磨损率，提高其耐磨性能，从而增加聚苯硫醚磁性材料零部件在电机等设备中的使用寿命和使用安全性，并节约使用成本。
5.为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种高耐磨聚苯硫醚磁性材料，包括按重量份数计的如下成分：
[0006][0007]
进一步的，所述纳米粒子为mos2、sio2或者si3n4中一种或者多种。
[0008]
进一步的，所述磁粉为铁氧体磁粉或稀土粘结磁粉。
[0009]
进一步的，所述硅烷偶联剂为氨基类偶联剂kh-540、kh-550或kh-792中的一种或多种。
[0010]
进一步的，所述pps树脂在343℃、5kg负载下的熔融指数为100～300g/10min。
[0011]
进一步的，所述抗氧剂为汽巴168、汽巴1010或汽巴195中的一种或多种。
[0012]
进一步的，所述润滑剂为聚硅氧烷、长链不饱和脂肪酸盐或乙烯硬脂酰胺中的一种或多种，所述增塑剂为邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类、脂肪酸酯类或聚酯类中的一种或多种。
[0013]
本发明另一技术方案在于公开上述高耐磨聚苯硫醚磁性材料的制备方法，该方法包括：
[0014]
预热密炼机和双螺杆挤出机；
[0015]
制备磁性母粒，其中，磁性母粒的制备过程为将pps树脂与经硅烷偶联剂接枝改性的磁粉在密炼机中密炼获得，所述磁性母粒中磁粉的含量为80-90％；
[0016]
挤出造粒高耐磨聚苯硫醚磁性材料，其中，挤出造粒的过程为将均匀混合的按重量份称取的剩余部分pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子、抗氧剂、增塑剂和润滑剂经主喂料口加入双螺杆挤出机中、磁性母粒经侧喂料口加入双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒。
[0017]
进一步的，所述磁性母粒制备时改性的磁粉的改性过程为：将磁粉置于含硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸润5-10h后，置于110℃下的烘箱中干燥，获得改性的磁粉。
[0018]
进一步的，所述挤出造粒双螺杆挤出机的各区温度如下：加料段温度小于200℃、料筒温度300-320℃、机头温度300-310℃，各区温度升到目标温度后恒温10-20分钟。
[0019]
由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：
[0020]
本发明公开的高耐磨聚苯硫醚磁性材料及其制备方法，其中，磁性材料由13.5-20.6份pps树脂、50-56份磁粉、10-14份ptfe微粉、3-4份纳米粒子、0.5-0.6份硅烷偶联剂、1-1.6份增塑剂、1-1.6份抗氧剂和1-1.6份润滑剂组成，该磁性材料的获得通过如下方法实现：首先，采用硅烷偶联剂对磁粉进行接枝改性；其次，将改性磁粉与部分pps树脂在密炼机
中进行加工，得到含量为80-90％的磁性母粒；最后，将剩余pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子、增塑剂、抗氧剂和润滑剂高速混匀后由主喂料口加入双螺杆挤出机中，将磁性塑料母粒由侧喂料口加入挤出机，熔融共混后挤出造粒。
[0021]
本发明高耐磨聚苯硫醚磁性材料制备时利用耐磨材料ptfe微粉和纳米粒子的协同作用改性聚苯硫醚磁性材料，使制得的聚苯硫醚磁性材料同时具有低的摩擦系数和磨损率，又具有良好的机械性能；制成零部件使用时，大大延长零部件使用寿命、降低更新频率和使用成本，避免设备停运。并且，该制备方法先制备磁性母粒、再以磁性母粒制备苯硫醚磁性材料，可充分降低高温挤出过程中由于磁粉直接外露氧化导致的磁性能损失。从整体而言，本发明提供的耐磨磁性塑料制备方法简单，可操作性强，易于实现工业化生产。
[0022]
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
[0023]
结合实施例从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
具体实施方式
[0024]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的具体实施例，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0025]
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0026]
基于现有复合型磁性塑料相较于传统烧结型磁性材料具有众多优良性能，因此在众多领域应用广泛，但应用时发现部分复合型磁性塑料制成的运动零部件在使用过程中由于频繁转动而极易受到机械磨损，导致磁性产品出现变形、裂纹等不良后果，因此更新频率较高，使用成本大大增加。本发明旨在于针对上述问题，提出一种高耐磨聚苯硫醚磁性材料，其制备时一方面通过加入耐磨助剂以改善聚苯硫醚磁性材料的磨损率、提高其耐磨性能，另一方面方法通过制备磁性母粒减少磁粉氧化造成的磁性能损失，保障材料的磁性能不损失。
[0027]
具体的，本发明提供的高耐磨聚苯硫醚磁性材料包括按重量份数计的如下成分：13.5-20.6份pps树脂、50-56份磁粉、10-14份ptfe微粉、3-4份纳米粒子、0.5-0.6份硅烷偶联剂、1-1.6份抗氧剂、1-1.6份润滑剂、1-1.6份增塑剂；具有上述成分的聚苯硫醚磁性材料
制备时，首先，预热密炼机和双螺杆挤出机；其次，制备磁性母粒，将pps树脂与经硅烷偶联剂接枝改性的磁粉在密炼机中密炼获得磁粉含量为80-90％的磁性母粒；最后，将均匀混合的按重量份称取的剩余部分pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子、抗氧剂、增塑剂和润滑剂经主喂料口加入双螺杆挤出机中、磁性母粒经侧喂料口加入双螺杆挤出机中，挤出造粒获得高耐磨聚苯硫醚磁性材料。
[0028]
其中，磁粉的改性过程为将磁粉置于含硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸润5-10h后，置于110℃下的烘箱中干燥，获得改性的磁粉；并且由于硅烷偶联剂接枝改性磁粉的过程时间较长，一般制备时在密炼机和挤出机预热前操作。
[0029]
上述复合材料制备时，对各组成成分的选择如下，例如，选择在343℃、5kg负载下熔融指数为100～300g/10min的pps树脂，纳米粒子选择mos2、sio2或者si3n4中一种或者多种，磁粉选择铁氧体磁粉或稀土粘结磁粉，例如各向异性粘结汝铁硼磁粉、各向异性粘结钐钴磁粉；硅烷偶联剂选择氨基类偶联剂kh-540、kh-550或kh-792中的一种或多种，抗氧剂为汽巴168、汽巴1010或汽巴195中的一种或多种，润滑剂为聚硅氧烷、长链不饱和脂肪酸盐或乙烯硬脂酰胺中的一种或多种，增塑剂为邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类、脂肪酸酯类或聚酯类中的一种或多种。
[0030]
制备时，先调整密炼机和双螺杆挤出机达到预设条件，例如，对于密炼机，按设备维护使用规程检查设备各部件是否完好，接通电源，打开加热开关，待密炼室温度恒定在300℃时，启动设备，空转时间不得低于2min，观察空载运行是否正常；对于双螺杆挤出机，检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区温度如下：加料段温度＜200℃；料筒温度300-320℃，机头温度300-310℃，待温度升到目标温度后恒温20-30分钟。
[0031]
下面结合具体实施例，对本发明公开的上述高耐磨聚苯硫醚磁性材料及其制备方法作进一步具体介绍。
[0032]
实施例1
[0033]
首先，称取15.3份pps树脂、55份铁氧体磁粉、0.6份硅烷偶联剂kh-550、12份ptfe微粉、3份纳米粒子mos2、1.3份抗氧剂汽巴168、1.4份聚硅氧烷和1.4份邻苯二甲酸酯类增塑剂；将55份铁氧体磁粉置于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸润6h后，置于110℃下的烘箱中干燥处理；其次，预热密炼机和双螺杆挤出机，改性后的铁氧体磁粉与13.75份pps树脂交替投放入密炼机中密炼，投料总量5
±
0.5kg，混练总时间5
±
2分钟，产出磁粉含量80％的磁性母粒；最后，将剩余1.55份pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子mos2、增塑剂、抗氧剂和润滑剂高速混匀后通过主喂料口加入到双螺杆挤出机，磁性母粒通过侧喂料口加入到双螺杆挤出机中，经塑化、捏合、挤出和造粒，双螺杆挤出机工作条件为加料段温度190℃、料筒温度300-320℃、机头温度310℃，获得高耐磨聚苯硫醚磁性材料。
[0034]
实施例2
[0035]
首先，称取13.5份pps树脂、50份铁氧体磁粉、0.5份硅烷偶联剂kh-550、10份ptfe微粉、3份纳米粒子si3n4、1份抗氧剂汽巴1010、1份长链不饱和脂肪酸盐润滑剂、1份磷酸酯类增塑剂；将50份铁氧体磁粉置于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸润6h后，置于110℃下的烘箱中干燥处理；其次，预热密炼机和双螺杆挤出机，改性后的铁氧体磁粉与8.8份pps树脂交替投放入密炼机中密炼，投料总量5
±
0.5kg，混练总时间5
±
2分钟，产出磁粉含量85％的磁性
母粒；最后，将剩余4.7份pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子si3n4、增塑剂、抗氧剂和润滑剂高速混匀后通过主喂料口加入到双螺杆挤出机，磁性母粒通过侧喂料口加入到双螺杆挤出机中，经塑化、捏合、挤出和造粒，双螺杆挤出机工作条件为加料段温度190℃、料筒温度300-320℃、机头温度310℃，获得高耐磨聚苯硫醚磁性材料。
[0036]
实施例3
[0037]
首先，称取15.35份pps树脂、55份各向异性粘结汝铁硼磁粉、0.6份硅烷偶联剂kh-550、12份ptfe微粉、3份纳米粒子sio2、1.3份抗氧剂汽巴195、1.4份乙烯硬脂酰胺润滑剂和1.4份脂肪酸酯类增塑剂；将55份各向异性粘结汝铁硼磁粉置于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸润8h后，置于110℃下的烘箱中干燥处理；其次，预热密炼机和双螺杆挤出机，改性后的各向异性粘结汝铁硼磁粉与13.75份pps树脂交替投放入密炼机中密炼，投料总量5
±
0.5kg，混练总时间5
±
2分钟，产出磁粉含量80％的磁性母粒；最后，将剩余1.6份pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子sio2、增塑剂、抗氧剂和润滑剂高速混匀后通过主喂料口加入到双螺杆挤出机，磁性母粒通过侧喂料口加入到双螺杆挤出机中，经塑化、捏合、挤出和造粒，双螺杆挤出机工作条件为加料段温度195℃、料筒温度300-320℃、机头温度310℃，获得高耐磨聚苯硫醚磁性材料。
[0038]
实施例4
[0039]
首先，称取15.3份pps树脂、55份各向异性粘结钐钴磁粉、0.6份硅烷偶联剂kh-550、12份ptfe微粉、1.5份纳米粒子mos2和1.5份纳米粒子sio2、1.3份抗氧剂汽巴195、1.4份乙烯硬脂酰胺润滑剂和1.4份聚酯类增塑剂；将55份各向异性粘结钐钴磁粉置于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸润8h后，置于110℃下的烘箱中干燥处理；其次，预热密炼机和双螺杆挤出机，改性后的各向异性粘结钐钴磁粉与6.1份pps树脂交替投放入密炼机中密炼，投料总量5
±
0.5kg，混练总时间5
±
2分钟，产出磁粉含量90％的磁性母粒；最后，将剩余9.2份pps树脂、ptfe微粉、纳米粒子、增塑剂、抗氧剂和润滑剂高速混匀后通过主喂料口加入到双螺杆挤出机，磁性母粒通过侧喂料口加入到双螺杆挤出机中，经塑化、捏合、挤出和造粒，双螺杆挤出机工作条件为加料段温度195℃、料筒温度300-320℃、机头温度310℃，获得高耐磨聚苯硫醚磁性材料。
[0040]
对比例1
[0041]
与实施例1制备过程相同，不同之处在于双螺杆挤出机挤出造粒时加入的ptfe微粉的重量份数是15份，无纳米粒子，其它组分种类与含量不变。
[0042]
对比例2
[0043]
与实施例1制备过程相同，不同之处在于无磁性母粒制备过程，所有原料组分按重量份比例直接加入到双螺杆挤出机中挤出造粒。
[0044]
对上述实施例1-4及对比例1、对比例2制得的高耐磨聚苯硫醚磁性材料的力学性能、磁性能以及耐磨性能进行测试，磁性能测试前须在磁场强度15000oe下定向充磁10分钟，测试结果如下表1所示。
[0045]
表1实施例材料性能检测结果
[0046][0047]
综合表1的测试结果，实施例1-4相较于对比例1首先在材料强度上，能实现提升；其次，实施例1-4增添纳米粒子显著降低材料的摩擦系数和磨损量，具体的，由对比例1中摩擦系数0.19至少降低至0.15，磨损量由0.001g降低至0.00094g；原因在于，ptfe微粉和纳米粒子能实现协同作用，对聚苯硫醚磁性材料改性，该协同作用促使聚苯硫醚磁性材料具有低摩擦系数和磨损量的同时，又具有良好的机械性能；因此，当制得的聚苯硫醚磁性材料制成运动零部件时，有效延长磁性塑料零部件的使用寿命，避免设备停运，节约使用成本。此外，结合实施例1-4及对比例2的磁性能数据知，实施例1-4制得的聚苯硫醚磁性材料均较对比例2具有更高的磁性能，表明本发明的制备方法采用制备磁性母粒避免磁粉高温氧化的方式，确实能有效保障聚苯硫醚磁性材料高磁性能的特点。
[0048]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。