一種粉末注射成形用粘結劑和喂料的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種粉末注射成形用粘結劑和喂料的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管以其獨特的結構和性能，有望成為最具前景的復合材料增強相。在制備碳納米管增強金屬基復合材料的過程中，碳納米管在基體中的分散性和兩相的相容性是兩個關鍵的問題。因為碳納米管與碳纖維一樣與大多數金屬不潤濕，所以很難在碳納米管與金屬基體之間形成牢固的結合界面，從而影響了碳納米管增強效果的發揮。采用機械或借助溶劑等比較簡單的混合方法，兩者之間尺寸和比重的差異將導致碳納米管團聚和偏聚難以避免;對碳納米管進行改性，如Cu、Ni等對碳納米管表面包覆，但由于直徑僅為納米級，在其表面進行金屬層鍍覆難以達到均勻、致密，而大規模的鍍覆更難保證包覆層連續和致密。為了克服這個問題，人們提出了一些新的復合方法，韓國科學家通過對碳納米管的功能化，利用液相與銅離子復合，還原后采用等離子體火焰燒結工藝，楊氏模量提高了兩倍。我們課題組對解決這個問題也有較大的突破，采用靜電組裝方法通過液相預先合成微米級的碳納米管-銅復合顆粒。碳納米管被“鎖”在復合顆粒中，可極大地減少燒結過程中的偏聚；以此為原始粉末，在模具中熱壓成型，再經熱乳，得到碳納米管分布均勻的塊體材料。不難看出，這些方法均對碳納米管進行了功能化修飾，與基體具有良好的潤濕性。然而。對納米級尺寸的碳納米管進行功能化處理是一個繁瑣的工作，一般需要經過普通的酸洗純化處理后再進行深度化學或物理修飾，即昂貴又耗時，難以實現規模化生產。
[0003]利用熔滲法來制備碳納米管增強金屬基復合材料也是人們探索的技術路徑，其思路是把碳增強體事先分散于有機物中，通過熱處理獲得碳納米管三維網絡骨架結構的多孔預制件，將高溫熔融態金屬壓入碳增強體預制件中。這種方法所獲得復合材料中碳納米管的分散和均勻分布的問題較容易解決，且碳納米管的體積含量也可以達20%以上，但這種方法對兩相的浸潤性要求很高，液體金屬的滲透難以充分和完全，孔洞較多，致密度難以提尚ο
【發明內容】
[0004]本發明解決的技術問題是，針對現有技術存在的缺陷，提供一種通過粉末注射成形方法制備碳納米管增強金屬基復合材料所需要的粘結劑及其喂料的制備方法。這種粘結劑利用中密度聚乙烯作具有較高粘度的聚合物作為混合介質，預先與碳納米管充分分散混合，借助聚合物熔體流動時的剪切和拉伸作用，實現碳納米管和金屬粉末大范圍均勻分散和銷固。
[0005]本發明的技術方案之一是，提供一種粉末注射成形用粘結劑的制備方法，包括以下步驟:
(1)按質量比為1:5?20:0.1?0.6的比例分別稱取碳納米管、石蠟與油酸，將石蠟加熱至熔融后加入碳納米管與油酸，保持溫度為80?85°C條件下超聲并攪拌0.5?1.5h，使碳納米管分散均勻;然后迅速冷卻至凝固，得到復合固態石蠟；
(2)將得到的復合固態石蠟切碎，按質量份，將30?40份切碎的復合固態石蠟加入混煉機，混煉后，加入12-18份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后加入2?3份表面活性劑，再經混煉，得到粘結劑。
[0006]進一步地，所述碳納米管的直徑為10?30nm，長度為5?50μπι。
[0007]進一步地，所述的表面活性劑為硬脂酸、硬脂酸丁酯和/或硬脂酸辛酯。
[0008]進一步地，所述步驟(2)的具體過程如下:將得到的復合固態石蠟切碎，按質量份，將30?40份切碎的復合固態石蠟加入混煉機，在轉速為25?30r/min、溫度為80?85°C條件下混煉20?40min;將混煉機的溫度調至140?150°C后，加入15份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后將轉速調至40?50r/min，加入2.5份表面活性劑，混煉40?80min，得到粘結劑。
[0009]本發明又一技術方案是，提供一種粉末注射成形用喂料的制備方法，將上述制備方法獲得的粘結劑與金屬粉末混煉，再經擠出造粒，得到喂料。
[00?0] 進一步地，所述金屬粉末為球形，粒徑為0.5?3μηι。
[0011]進一步地，所述金屬粉末為銅粉或鎳粉。
[0012]進一步地，所述粘結劑與金屬粉末的質量比為1:4?6。
[0013]進一步地，所述粘結劑與金屬粉末混煉的溫度為150?160°C，所述擠出的溫度為175?185。。。
[0014]本發明的有益效果是，本發明能使碳納米管在金屬基復合材料中實現穩定均勻分散。將碳納米管引入到粘結劑體系中，將充分利用聚合物作為粘結劑主要組分有利于碳納米管分散和錨固，以及注射成形能獲得高致密化的優勢。同時，碳納米管的加入既能提高粘結劑體系的力學強度，又能提高粘結劑體系的粘度，而且呈網絡結構布的碳納米管因其大的長徑比和尚強尚初將進一步有效抑制體積的收縮。此外，碳納米管的存在使我們可選擇較低分子量的中密度聚乙烯就能達到粘結劑保形性和流動性的要求，不需使用傳統粘結劑中所用的高密度聚乙烯，而低分子量的中密度聚乙烯更容易在后續的脫脂過程中脫出。還值得一提的是，高強高韌的碳納米管的存在不但可減小脫脂過程中體積的收縮，而且在后續的燒結過程中還能抑制晶粒的長大，這非常有利致密度和性能的提高。
【附圖說明】
[0015]圖1表示實施例1得到的喂料的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0016]實施例1:稱取2g碳納米管(直徑為10?30納米，長度為5微米到50微米)與32.5g石蠟和lg油酸加熱至80°C呈熔融態。在超聲分散作用下，攪拌混合lh。待到混合溶液大致變得均勻且大致呈黑色時，迅速取出直至凝固，將得到的復合固態石蠟切碎。
[0017]將上述切碎的石蠟加入到已升溫至80°C的混煉機中，在轉速為30r/min時，混煉30min。將混煉機溫度調至145°C后加入15g中密度聚乙烯，保持轉速不變的情況下混煉60min，待中密度聚乙烯大致溶解后將轉速調至45r/min，并加入2.5g表面活性劑，在混煉機中混煉1小時，得到粘結劑；
接著，將250g銅粉(直徑為0.5微米)加入到上述粘結劑中。將混煉溫度升至155°C，攪拌速度仍保持45r/min，混煉1.5h。將所得的復合物加入雙螺桿擠出機中，擠出溫度設置為180°C，進行擠出造粒，得到喂料。
[0018]將上述制備方法得到的喂料制樣，進行掃描電鏡分析，其電鏡照片如圖1所示，從圖1中看出，喂料呈類球形粒子，碳納米管非常均勻地分布于粒子中，表明這一技術路線能很好地實現碳納米管與銅粉的均勻復合。
[0019]實施例2:稱取6g碳納米管(直徑為10?30納米，長度為5微米到50微米)與32.5g石蠟和lg油酸加熱至80°C呈熔融態。在超聲分散作用下，攪拌混合lh。待到混合溶液大致變得均勻且大致呈黑色時，迅速取出直至凝固，將得到的復合固態石蠟切碎。
[0020]將上述切碎的石蠟加入到已升溫至80°C的混煉機中，在轉速為30r/min時，混煉30min。將混煉機溫度調至145°C后加入15g中密度聚乙烯，保持轉速不變的情況下混煉60min，待中密度聚乙烯大致溶解后將轉速調至45r/min，并加入2.5g表面活性劑，在混煉機中混煉1小時，得到粘結劑；
接著，將300g銅粉(直徑為2微米)加入到上述粘結劑中。將混煉溫度升至155°C，攪拌速度仍保持45r/min，混煉1.5h。將所得的復合物加入雙螺桿擠出機中，擠出溫度設置為180°C，進行擠出造粒，得到喂料。
[0021]
實施例3:稱取4g碳納米管(直徑為10?30納米，長度為5微米到50微米)與32.5g石蠟和lg油酸加熱至80°C呈熔融態。在超聲分散作用下，攪拌混合lh。待到混合溶液大致變得均勻且大致呈黑色時，迅速取出直至凝固，將得到的復合固態石蠟切碎。
[0022]將上述切碎的石蠟加入到已升溫至80°C的混煉機中，在轉速為30r/min時，混煉30min。將混煉機溫度調至145°C后加入15g中密度聚乙烯，保持轉速不變的情況下混煉60min，待中密度聚乙烯大致溶解后將轉速調至45r/min，并加入2.5g表面活性劑，在混煉機中混煉1小時，得到粘結劑；
接著，將300g銅粉(直徑為2微米)加入到上述粘結劑中。將混煉溫度升至155°C，攪拌速度仍保持45r/min，混煉1.5h。將所得的復合物加入雙螺桿擠出機中，擠出溫度設置為180°C，進行擠出造粒，得到喂料。
【主權項】
1.一種粉末注射成形用粘結劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)按質量比為1:5-20:0.1-0.6的比例分別稱取碳納米管、石蠟與油酸，將石蠟加熱至熔融后加入碳納米管與油酸，保持溫度為80?85°C條件下超聲并攪拌0.5?1.5h，使碳納米管分散均勻;然后迅速冷卻至凝固，得到復合固態石蠟； (2)將得到的復合固態石蠟切碎，按質量份，將30?40份切碎的復合固態石蠟加入混煉機，混煉后，加入12-18份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后加入2?3份表面活性劑，再經混煉，得到粘結劑。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管的直徑為10?30nm，長度為5 ?50μπιο3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的表面活性劑為硬脂酸、硬脂酸丁酯和/或硬脂酸辛酯。4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體過程如下:將得到的復合固態石蠟切碎，按質量份，將30?40份切碎的復合固態石蠟加入混煉機，在轉速為25?30r/min、溫度為80?85°C條件下混煉20?40min;將混煉機的溫度調至140?150°C后，加入15份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后將轉速調至40?50r/min，加入2.5份表面活性劑，混煉40?80min，得到粘結劑。5.—種粉末注射成形用喂料的制備方法，其特征在于，將權利要求1?4任一項所述制備方法獲得的粘結劑與金屬粉末混煉，再經擠出造粒，得到喂料。6.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬粉末為球形，粒徑為0.5?3μπι。7.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬粉末為銅粉或鎳粉。8.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述粘結劑與金屬粉末的質量比為1:4-6ο9.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述粘結劑與金屬粉末混煉的溫度為150~160°C，所述擠出的溫度為175?185°C。
【專利摘要】本發明公開了一種粉末注射成形用粘結劑和喂料的制備方法，粘結劑的制備包括以下步驟：(1)按質量比為1︰5~20︰0.1~0.6的比例分別稱取碳納米管、石蠟與油酸，將石蠟加熱至熔融后加入碳納米管與油酸，保持溫度為80~85℃條件下超聲并攪拌0.5~1.5h，使碳納米管分散均勻；然后迅速冷卻至凝固，得到復合固態石蠟；(2)將得到的復合固態石蠟切碎，按質量份，將30~40份切碎的復合固態石蠟加入混煉機，混煉后加入12-18份中密度聚乙烯，待中密度聚乙烯溶解后加入2-3份表面活性劑，再經混煉得到粘結劑。本發明可使用容易脫出的低分子量的粘結劑，能使碳納米管在金屬基復合材料中實現穩定均勻分散，能抑制晶粒的長大，有效抑制體積的收縮，獲得高致密化的復合材料。
【IPC分類】C22C47/06, C22C47/14, C22C121/00, C22C101/10
【公開號】CN105463347
【申請號】CN201610032389
【發明人】陳小華, 徐海洋, 汪次榮, 唐群力, 胡愛平
【申請人】湖南大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2016年1月19日