本發明涉及塑膠原料領域，特別是涉及基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料及其制備方法。

背景技術：

PA6，即聚酰胺-6、尼龍6，是由已內酰胺開環縮聚而成的一種半透明或不透明的乳白色結晶熱塑性聚合物，是工程塑料中開發最早也是目前尼龍類聚合物中產量最大的品種之一。

PA6具有耐化學腐蝕、耐有機溶劑、摩擦系數小、韌性好、耐油和加工流動性好等諸多優異的性能，在化工、汽車、電子、紡織、交通和機械等領域都有廣泛的應用。但由于PA6中大量的酰胺基團具有較強的吸水性，水分子的存在會導致PA6的尺寸不穩定，從而導致PA6機械性能降低，無法適用于尺寸精度要求高的場合，也無法適用于耐磨性要求高的場合。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種性質穩定、機械性能好、使用壽命長的基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料。

本發明所采用的技術方案是：基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料，包括以下重量份數的組分，PA6 63-80份、改性玄武巖纖維12-35份、增韌劑5-10份、憎水材料1-4份、相容劑2-5份、抗氧劑1-4份、偶聯劑1-4份。

對上述技術方案的進一步改進為，所述改性玄武巖纖維為經10％的鹽酸浸泡1h的連續玄武巖纖維，且所述改性玄武巖纖維的長徑比為1600。

對上述技術方案的進一步改進為，所述偶聯劑為濃度為5％的氨基硅烷偶聯劑。

對上述技術方案的進一步改進為，所述增韌劑為馬來酸酐接枝改性的乙烯辛烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或乙烯丙烯酸共聚物中的一種或多種。

對上述技術方案的進一步改進為，所述相容劑為苯乙烯與馬來酸酐的共聚物。

對上述技術方案的進一步改進為，所述憎水材料為聚乙烯和苯二甲酸乙二醇酯的混合物。

基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料的制備方法，包括以下步驟，a.制備改性玄武巖纖維；b、將步驟a中的改性玄武巖纖維用濃度為5％的氨基硅烷偶聯劑處理；c、稱取配方量的步驟b中的改性玄武巖纖維，及PA6、增韌劑、憎水材料、相容劑、抗氧劑，混合均勻；d.將步驟a中的各組分導入螺桿擠出機內進行擠出得到料條；e.對料條進行水冷、風干處理；f.取步驟e中冷卻干燥的料條進行切粒。

對上述技術方案的進一步改進為，步驟d中，螺桿擠出機擠出溫度為225℃～250℃，螺桿轉速為160r/m-180r/m，改性玄武巖纖維的牽引速率為5mm/s～35mm/s。

本發明的有益效果為：

1、一方面，本發明的基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料，含有改性玄武巖纖維，玄武巖纖維是一種高強、高模的無機礦物纖維，而且耐高溫，耐腐蝕等性能優秀，是一種綠色無污染的理想材料，并且，玄武巖纖維抗拉強度突出，玄武巖纖維能顯著增大PA6的抗拉強度，制備的復合材料彎曲強度高、拉伸強度高、沖擊強度好且化學性質穩定、便于回收利用，使用壽命長，能適用于耐磨性要求高的場合。第二方面，本發明的配方中含有憎水材料，可降低PA6的吸濕性，從而提高其制品的尺寸穩定性，能適用于尺寸精度要求高的場合。

2、改性玄武巖纖維為經10％的鹽酸浸泡1h的連續玄武巖纖維，且所述改性玄武巖纖維的長徑比為1600，一方面，選用連續玄武巖纖維，使得玄武巖纖維最小保留尺度較大，分散均勻，并且在復合材料內部，連續玄武巖纖維可形成纖維互相纏繞的三維網絡結構，使得纖維增強效應更加明顯，進一步有利于提高復合材料的強度。另外，纖維端部的應力集中點也是裂紋引發點，容易造成應力開裂，從而造成韌性下降。由于連續纖維復合材料樣品中的纖維最小保留長度較長，端部數量則會顯著減少，從而保持有較好的沖擊性能。第二方面，玄武巖纖維為經鹽酸改性的玄武巖纖維，鹽酸能有效的腐蝕玄武巖纖維的表面，增加纖維表面的粗糙度，從而提高玄武巖纖維與PA6的物理結合力，改善復合材料界面，進一步提高復合材料的力學性能。實驗證明，當鹽酸濃度為10％，處理時間為1h時，復合材料的力學性能提升最大，拉伸強度和沖擊強度分別比未經鹽酸處理的復合材料提高了8.94％和23.02％。

3、偶聯劑為濃度為5％的氨基硅烷偶聯劑，由于玄武巖纖維模量較高，PA6把玄武巖纖維粘接起來后作為一個整體來承受載荷，如玄武巖纖維和PA6的界面粘接強度不高，則復合材料的強度增強不明顯，因此，本發明中加入了偶聯劑，通過偶聯劑提高玄武巖纖維和PA6之間的粘接強度，有利于提高復合材料整體的抗拉強度，具體為，硅烷偶聯劑的引入有效連接非極性的無機纖維和帶有極性基團的PA6基體，使得玄武巖纖維與PA6間通過化學鍵結合在一起，從而大幅度提高復合材料的力學性能。其中KH550對復合材料的界面改善效果最好，使復合材料的拉伸強度和沖擊強度比未加偶聯劑時分別提高了17.46％和30.52％。偶聯劑加入后，能在玄武巖纖維表面形成一均勻的偶聯劑涂層，若偶聯劑的濃度過低，偶聯劑涂層無法完全覆蓋玄武巖纖維表面，玄武巖纖維在偶聯劑的作用下完全與PA6結合，復合材料機械強度有待進一步提升，若偶聯劑濃度過低，此時玄武巖纖維表面形成了過厚的偶聯劑層，由于偶聯劑分子層間結合力并不強，在外力作用下易產生層間剪切脫黏現象，造成復合材料的性能下降，只有當偶聯劑濃度為5％時，此時，玄武巖纖維表面形成了均勻的單分子層，此時玄武巖纖維與PA6的結合性最好，復合材料的機械強度最優。

4、增韌劑為馬來酸酐接枝改性的乙烯辛烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或乙烯丙烯酸共聚物中的一種或多種。相對于其他增韌劑，本發明選用的增韌劑具有優異的耐溫、耐老化性能，簡單易加工，無需硫化即可使用，無毒環保，同時具有良好的流動性，可改善玄武巖纖維的分散效果，能夠顯著提高復合材料韌性，進一步提高復合材料的各項機械性能。

5、相容劑為苯乙烯與馬來酸酐的共聚物，相容劑能與PA6中的極性基團反應，提高PA6和玄武巖纖維的粘接強度，進一步有利于提高復合材料的彎曲強度、拉伸強度和沖擊強度。

6、憎水材料為聚乙烯和苯二甲酸乙二醇酯的混合物，在PA6中加入聚乙烯和苯二甲酸乙二醇酯的混合物，能顯著降低PA6的吸濕性，從而提高其制品的尺寸穩定性。

7、基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料的制備方法，事先對玄武巖纖維進行了鹽酸改性，然后在改性玄武巖纖維表面形成偶聯劑涂層，通過鹽酸改性，能增加纖維表面的粗糙度，從而提高玄武巖纖維與PA6的物理結合力，改善復合材料界面，進一步提高復合材料的力學性能，通過事先涂覆偶聯劑涂層，能增加玄武巖纖維與PA6的界面結合力，進一步提高復合材料的力學性能。

8、制備過程中，螺桿擠出機擠出溫度為225℃～250℃，以保證各組分的充分混合，制備的復合材料一致性好；改性玄武巖纖維的牽引速率為5mm/s～35mm/s，該牽引速率能保證玄武巖纖維與浸漬物料浸漬均勻，進一步提高復合材料的一致性；螺桿轉速為160r/m-180r/m，若轉速過大，會導致復合材料所受剪切力大，玄武巖纖維被絞斷，平均纖維長度減小，抗拉強度降低，若轉速過小，會導致復合材料中的各組分無法均勻混合，致使得到的料條不均勻，當轉速為170r/m時，得到的復合材料拉伸強度最高。

具體實施方式

下面將結合實施例對本發明作進一步的說明。

具體實施例1：

基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料，包括以下重量份數的組分，PA6 74份、改性玄武巖纖維12份、增韌劑8份、憎水材料1.5份、相容劑2.5份、抗氧劑1.5份、偶聯劑1.5份。

具體實施例2：

基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料，包括以下重量份數的組分，PA6 71份、改性玄武巖纖維15份、增韌劑8份、憎水材料1.5份、相容劑2.5份、抗氧劑1.5份、偶聯劑1.5份。

具體實施例3：

基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料，包括以下重量份數的組分，PA6 66份、改性玄武巖纖維20份、增韌劑8份、憎水材料1.5份、相容劑2.5份、抗氧劑1.5份、偶聯劑1.5份。

對照組：

高強度PA6復合材料，包括以下重量份數的組分，PA6 89份、增韌劑8份、憎水材料1.5份、抗氧劑1.5份。

上述各實施例中，改性玄武巖纖維為經10％的鹽酸浸泡1h的連續玄武巖纖維，且改性玄武巖纖維的長徑比為1600。偶聯劑為濃度為5％的氨基硅烷偶聯劑。增韌劑為馬來酸酐接枝改性的乙烯辛烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或乙烯丙烯酸共聚物的混合物。相容劑為苯乙烯與馬來酸酐的共聚物。憎水材料為聚乙烯和苯二甲酸乙二醇酯的混合物。

上述各實施例中，基于玄武巖纖維增強的高強度PA6復合材料的制備方法，包括以下步驟，a.制備改性玄武巖纖維；b、將步驟a中的改性玄武巖纖維用濃度為5％的氨基硅烷偶聯劑處理；c、稱取配方量的步驟b中的改性玄武巖纖維，及PA6、增韌劑、憎水材料、相容劑、抗氧劑，混合均勻；d.將步驟a中的各組分導入螺桿擠出機內進行擠出得到料條；e.對料條進行水冷、風干處理；f.取步驟e中冷卻干燥的料條進行切粒。步驟d中，螺桿擠出機擠出溫度為235℃，螺桿轉速為170r/m，改性玄武巖纖維的牽引速率為20mm/s。

采用各具體實施例和對照組的材料，制成相同厚度、相同大小、相同性質的板狀產品，在相同的環境條件下，采用相同的測量儀器和測量方法，測量各組材料的物理性質，測量結果見表1。

從表1可見，具體實施例2的機械性能優于具體實施例3的機械性能，優于具體實施例1的機械性能，優于對照組的機械性能。

一方面，本發明的復合材料中，加入改性玄武巖纖維后能顯著提升材料的彎曲強度、拉伸強度、沖擊強度等物理性質，同時降低材料的摩擦系數和磨損率，整體提升復合材料的機械性能，改善其耐磨性，且能顯著降低復合材料的吸水率，降低其吸濕性。第二方面，當玄武巖纖維含量為15％左右時，纖維增強效果最明顯，這是由于纖維含量過低，會造成部分PA6不能與玄武巖纖維結合，其機械性能有待進一步提升，當纖維含量過高時，纖維過剩，部分纖維裸露，導致機械性能下降，當纖維含量為15％，纖維增強效果最明顯，復合材料機械性能改善得最好。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。