[发明专利]高含量纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚甲醛复合材料及其制备方法，尤其是一种高含量纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法。 

背景技术

聚甲醛（Polyoxymethylene），简称POM，是分子主链中含有-CH₂O-链节的热塑性树脂。聚甲醛在20世纪60年代制得，是世界五大工程塑料之一，产量排在尼龙和聚碳酸酯之后，居第三位。聚甲醛分子链由C-O交替排列并扭转成螺旋状，规则的分子链结构使聚甲醛熔融加工时结晶速度快，结晶度高（约60～80%），具有较高的拉伸强度、弯曲强度，比强度和比刚性接近于金属，故有金属塑料之称，可替代金属，特别是铜、铝、锌、锡等有色金属及合金制品。聚甲醛虽然是综合性能较好的工程塑料，但为了进一步改善其耐热性、刚性、尺寸稳定性和力学性能，往往对其进行复合增强，以满足各种特殊用途的使用要求。 

为了得到力学性能更好地聚甲醛复合材料，通常将玻璃纤维和聚甲醛进行混合，利用纤维增强聚甲醛。中国专利申请CN 101343396A、CN 102329471A、CN 1605456A以短切玻璃纤维、长玻璃纤维、连续玻璃纤维与聚甲醛制得聚甲醛增强复合材料，使聚甲醛的拉伸强度和弯曲强度提高了2～3倍。然而，由于聚甲醛分子链呈弱极性，分子链上无支链也无极性基团，其结构的高规整性决定了它与改性剂之间的相容性极差，因而很难与增强材料相容。解决聚甲醛与增强材料的相容性，必须通过偶联剂预处理增强材料。偶联剂是一种表面处理剂，其分子中含有两部分性质不同的基团，一种基团可与无机物的表面的化学基团反应，形成化学键；另一种基团能与有机分子反应或物理缠绕，从而把不同性质的两种材料紧密地结合起来，所以偶联剂被称为“分子桥”，能有效地改善无机物与有机物之间的界面作用，从而提高复合材料的性能，如力学性能、电性能、光性能等。常用的偶联剂有硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、锆酸酯类偶联剂等。中国专利申请CN 102173602 A用硅烷偶联剂处理玻璃纤维表面，与玻璃纤维表面形成表面化学结合。偶联剂处理后的玻璃纤维能与聚甲醛有更好地相容性和粘合性，但是由于聚甲醛的高结晶性，聚甲醛球晶排斥纤维，纤维只能分布在无定形区，所以纤维不能均匀地分布在树脂中，在双螺杆挤出机共混挤出连续玻璃纤维增强聚甲醛复合材料的加工中，流动性差、纤维团聚等问题阻碍了纤维含量地提高，纤维含量一般只能增加到30%。 

与玻璃纤维增强POM比较，碳纤维的增强作用更为显著，是制造高强度POM的首选材料。中国专利申请CN 102161812 A利用处理的短切碳纤维增强聚甲醛的同时，还提高了聚甲醛复合材料的耐磨性，但是单独使用碳纤维增加了聚甲醛提高了生产成本，而且由于碳纤维密度小，连续纤维增强聚甲醛树脂的加工过程中，要提高碳纤维的含量更为困难，在传统碳纤维增强聚甲醛的复合材料中碳纤维含量一般只能提高到20%，并且碳纤维分布不均，形成团聚，同时因为聚甲醛的高结晶，大幅降低了碳纤维增强聚甲醛复合材料缺口冲击强度。 

连续玄武岩纤维是一种新型优质的增强材料，与玻璃纤维一样，是用于复合材料的无机增强材料。玄武岩纤维是用单一的玄武岩矿石为原料制造出来的，主要成分为SiO₂、Al₂O₃，、CaO、MgO、Fe₂O₃、FeO、Na₂O、K₂O等氧化物，属于硅铝酸盐系纤维。目前，增强聚甲醛树脂的纤维种类仅限于玻璃纤维和碳纤维两种，而玄武岩纤维是目前唯一的无环境污染的高性能纤维，具有一系列性能上的优势，在增强树脂复合材料的应用上，玄武岩纤维制成的单向增强复合材料在强度方面与无碱玻璃纤维相当，但杨氏模量在各种纤维中具有明显优势，与塑料的相容性也优于玻璃纤维，它可以代替玻璃纤维乃至价格昂贵的碳纤维。并且这种材料是可以与人体长期接触的，是一种绿色纤维。玄武岩纤维增强树脂也越来越受到关注，中国专利申请CN 102615886 A用玄武岩纤维增强聚丙烯，制备的玄武岩短纤维聚丙烯复合材料具有优良的物理和力学性能。中国专利申请CN 101531806A用玄武岩纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯，制得的复合材料具有良好的加工性能和优异的力学性能。将连续玄武岩长纤维加入到聚甲醛中采用熔融挤出的方式进行增强改性鲜有报道。