多尺度SiC顆粒混雜增強聚氨酯複合材料及其製備方法與流程

2023-10-22 09:15:17

本發明屬於複合鍍層製備技術領域，具體涉及一種基於多尺度SiC顆粒混雜增強聚氨酯複合材料及其製備方法。

背景技術：

模具作為現代工業生產不可缺少的工裝，在生產中起著決定性的作用。目前的模具大多採用金屬材質，金屬模具的質量和壽命都很高，但其製作成本昂貴，尤其有一些外形複雜，存在機械加工困難、製造周期長，成本高和效率低的問題。

樹脂基複合材料具備許多優異的性能，如優良的化學穩定性，優良的耐腐蝕、耐疲勞性能，良好的粘接性能和較高的機械強度等。基於這些優點，樹脂基複合材料在化工、機械、電子和宇航等領域被廣泛應用。隨著化工工業的飛速發展，樹脂基複合材料強度和精度等方面不斷提高，使其製品的應用範圍也在不斷擴大，樹脂基複合材料製品所佔比例不斷增加。相對於金屬材料而言，樹脂基複合材料製作成本低廉，易成型，加工周期短，修復時間短，這些優點使得它在模具領域具有巨大的應用潛力。

而現有技術中通常使用的單一或兩種SiC顆粒增強樹脂基複合材料存在硬度低，而且分布不均勻、摩擦係數高易磨損，使具有高硬度、耐腐蝕的SiC顆粒的性能得不到充分發揮，降低了複合材料的使用壽命。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種多尺度SiC顆粒混雜增強聚氨酯複合材料及其製備方法，在聚氨酯基體中，添加不同尺寸、不同含量的SiC顆粒，製備出硬度高、摩擦係數低的樹脂基複合材料。

為了解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下：

一種多尺度SiC顆粒混雜增強聚氨酯複合材料，其組分及配比如下：

樹脂：100份；

SiC顆粒：20~40份；

所述的樹脂為聚氨酯和固化劑，且兩者的質量比為5:1。

所述SiC顆粒的粒徑分布為32~6000目，具體配比為：

粒徑32目 5~10wt%；

粒徑280目 10~15wt%；

粒徑500目 30~35wt%；

粒徑800目 30~35wt%；

粒徑6000目 5~10 wt%。

所述固化劑優選為多異氰酸酯，更優選為HDI三聚體。

本發明還公開了上述複合材料的製備方法，具體步驟如下：

A）粉末混合：採用水浴鍋，將稱量好的聚氨酯加熱到45℃，以降低聚氨酯的粘度；根據SiC顆粒的尺寸，從小到大依次加入到聚氨酯中；首先加入小尺寸顆粒，攪拌至小顆粒充分均勻分散後，按照顆粒尺寸從小到大，依次加入SiC顆粒，進行充分攪拌，使其均勻分散；按照聚氨酯：固化劑=5:1的要求添加固化劑，攪拌5min後，調製完成，整個過程溫度都維持在45℃；

B）塗覆：把調製好的複合材料，使用刷子，手工塗覆在事先準備的模樣表面，直至要求的厚度；採用刷子塗覆複合材料，可破壞在攪拌時捲入的空氣泡，減少複合材料內部的氣孔；

C）室溫固化：將塗覆好的模樣在室溫下固化24h，或在60℃下加熱固化。

本發明採用多尺度SiC顆粒混雜增強聚氨酯複合材料，的SiC顆粒尺寸級配組成上和現有的SiC顆粒增強聚氨酯基複合材料有很大的差異，在複合材料製備過程中，SiC顆粒尺寸從毫米級到微米級的不同含量的添加，大尺寸毫米級顆粒起整體強化作用，微米顆粒強化微米尺寸顆粒作用的基體，其局部強化作用，毫米、微米SiC顆粒對聚氨酯樹脂的整體、局部強化的協同作用，提高了複合材料整體的硬度和降低了摩擦係數，緻密性好。而且所述聚氨酯、固化劑都採用已有的市售商品，無需改性處理。

附圖說明

圖1為本發明實施例1與單一級配SiC複合材料的摩擦係數對比圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發明作進一步說明。

實施例1

首先，採用水浴鍋，取75g市售聚氨酯加熱到45℃，等到聚氨酯的粘度降低後。分別稱量SiC顆粒：32目1.25g、280目2.5g、500目7.5g、800目7.5g、6000目1.25g；從6000目到32目，依次將上述SiC顆粒加入的聚氨酯基體中，攪拌均勻，使其充分分散。然後，添加15g HDI三聚體，攪拌5min 後，調製完成，整個過程溫度都維持在45℃。把調製好的複合材料，使用刷子，手工塗覆在事先準備的模樣表面，直至要求的厚度；最後，將塗覆好的模樣在室溫下固化24h。

實施例2

首先，採用水浴鍋，取75g聚氨酯加熱到45℃，等到聚氨酯的粘度降低後。分別稱量SiC顆粒：32目3.8g、280目5.6g、500目13.4g、800目13.4g、6000目3.8g；從6000目到32目，依次將上述SiC顆粒加入的聚氨酯基體中，攪拌均勻，使其充分分散。然後，添加15g市售固化劑，攪拌5min 後，調製完成，整個過程溫度都維持在45℃。把調製好的複合材料，使用刷子，手工塗覆在事先準備的模樣表面，直至要求的厚度；最後，將塗覆好的模樣在60℃下加熱固化6h。

對比例1

分別稱量SiC顆粒：32目8.0g、280目5.6g、500目12.4g、800目12.4g、6000目1.25g；從6000目到32目，依次將上述SiC顆粒加入的聚氨酯基體中，攪拌均勻，使其充分分散。按實施例1的固化工藝進行固化，製備複合材料。通過對複合材料截面觀察發現，不同尺度的SiC顆粒在複合材料內部分布不均勻，32目SiC顆粒主要分布在複合材料的底部，顆粒之間幾乎沒有其他尺度的SiC顆粒，這是由於32目SiC顆粒尺寸大，在樹脂固化前沉降快。

對比例2

分別稱量SiC顆粒：32目1.25g、280目2.5g、500目7.5g、800目7.5g、6000目6.5g；從6000目到32目，依次將上述SiC顆粒加入的聚氨酯基體中，攪拌均勻，使其充分分散。按實施例1的固化工藝進行固化，製備複合材料。通過對複合材料截面觀察發現，6000目SiC顆粒在複合材料的內部局部呈團聚態分布，這是由於6000目SiC顆粒尺寸過小，在攪拌過程中，不能完全破碎小尺寸的SiC顆粒團，在樹脂固化過程中就留在複合材料內部。

下表1為本發明多尺度SiC顆粒混雜增強的聚氨酯複合材料，與單一SiC顆粒增強聚氨酯複合材料的邵氏硬度和摩擦係數對比。本發明實施例1製備得到的複合材料進行摩擦力測試，與單一級配SiC增強複合材料對比，在100N載荷下，幹摩擦，滑動時間20min。

如圖1所示，本發明多尺度SiC顆粒混雜增強的聚氨酯複合材料，與單一SiC顆粒增強聚氨酯複合材料相比較，摩擦係數最高降低約50%。