一种可CT识别的金属-高分子复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属-高分子复合材料技术领域，具体涉及一种可CT识别的金属-高分子复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，汽车、航空航天等行业在发展过程中对轻量化及节能环保提出了更高要求，传统的金属材料被高分子材料部分或全部替代已成为未来发展的必然方向。因此，关于金属-高分子复合材料的研究亦成为当前企业和研究机构关注的热点。其中，金属-高分子复合材料的研究核心是阐明结构与性能关系，因此，对于金属-高分子复合材料内部结构的研究至关重要。

但目前对于金属-高分子复合材料内部界面、介观结构的研究通常是对剖面进行电子扫描观察，该方法主要存在以下不足：(1)通过一个或几个断面结构阐释整个材料的宏观性能，具有一定的随机性；(2)制备测试样品过程中会对材料的介观结构产生影响，影响准确性；(3)表征方式复杂，对设备要求较高，测试效率低。因此，在不损害或不影响复合金属-高分子复合材料内部结构的前提下，实现对其结构快速、准确、全面观察对于深入探索和准确阐释构效关系是必要的。

基于此，我们提出了采用工业计算机层析扫描成像技术简称工业CT技术(IndustrialComputedTomography)对金属-高分子复合材料进行检测。目前，将工业CT技术用于表征金属-高分子复合材料内部介观结构的相关技术未见报道，其根本原因是用CT检测金属-高分子材料时形成的CT图像衬度差异太大，不能清晰地显示其内部介观结构。因此，我们提供了一种可CT识别的金属-高分子复合材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可CT识别的金属-高分子复合材料及其制备方法，能够通过CT检测金属-高分子复合材料的内部介观结构。

本发明具体采用如下技术方案：

一种可CT识别的金属-高分子复合材料，所述金属材料与高分子材料通过注塑、压延或粘贴方式连接为一体；

按照重量份计，所述高分子材料的组分包括：基础高分子材料100份、金属和/或金属氧化物粉末10～120份、助剂0～50份、无机非金属填料0～150份；

所述高分子材料的密度大于1.5g/cm

进一步地，按照重量份计，所述高分子材料的组分包括：基础高分子材料100份、金属和/或金属氧化物粉末20～80份、助剂0～50份、无机非金属填料0～100份。

进一步地，所述基础高分子材料为聚烯烃、聚氨酯、聚酯、聚醚、环氧树脂聚合物、天然橡胶或合成橡胶中的一种或几种。

进一步地，所述金属材料为铝、镁、铜、铁、钛、镍、锡、金中的一种或几种的合金。

进一步地，所述金属和/或金属氧化物粉末为铁和/或氧化铁、钛和/或氧化钛、锌和/或氧化锌、铜和/或氧化铜、氧化镁、氧化钴、氧化镍、氧化锰一种或几种。

进一步地，所述金属和/或金属氧化物粉末的尺寸为10nm～500μm，优选地，所述金属和/或金属氧化物粉末的尺寸为10nm～100nm。

进一步地，所述无机非金属填料为陶土、二氧化硅、陶瓷粉、炭黑、碳酸钙、高岭土、云母粉、硅藻土中的一种或几种。

进一步地，所述无机非金属填料的尺寸为50～500μm。

进一步地，所述助剂为防老剂、活性剂、促进剂、防霉剂、硫化剂中的一种或几种，且每种助剂的含量为0～15份。

本发明还提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)按照比例称取高分子材料各组分，将各组分混合均匀，并在100～300℃下进行胶料混炼，得到高分子材料；

(2)将金属材料与步骤(1)所得到的高分子材料通过注塑注塑、压延或粘贴方式连接为一体，得到金属-高分子复合材料。

基于上述金属-高分子复合材料，本发明采用CT对该金属-高分子复合材料进行检测，检测步骤如下：

(a)将待测金属-高分子复合材料试样置于CT机的检测台上，设置射线源电压为80～120kV，电流为60～200μA，曝光时间为0.2～0.5s，使检测台360°旋转并每隔0.2°～0.5°采集一帧图像；

(b)将采集的所有图像用FDK算法进行三维图像重建；

(c)基于步骤(b)得到的三维图像重建数据，采用三维可视化软件Avizo对数据进行重构，得到待测试样的三维图像。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种可CT识别的金属-高分子复合材料，通过在高分子材料中添加一定量的金属粉末或金属氧化物粉末或无机非金属填料，能够降低金属材料与高分子材料之间的衬度，使得该金属-高分子复合材料能够通过CT成像技术进行材料内部介观结构的检测及观察，从而辅助对金属-高分子复合材料加工工艺进行改进研究。

附图说明

图1为实施例4的金属-高分子复合材料试样的xOy、xOz、yOz方向扫描切片；

图2为实施例4的金属-高分子复合材料试样在不同方向的三维图像；

图3为对比例1的金属-高分子复合材料试样的xOy、xOz、yOz方向扫描切片；

图4为对比例1的金属-高分子复合材料试样在不同方向的三维图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。

实施例1

本实施例1提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，所述金属材料与高分子材料通过高压覆胶的方式连接为一体；

其中，按照重量份计，所述高分子材料的组分为：

天然橡胶100份、炭黑(N326)56份、防老剂(6PPD)2份、癸酸钴1份、氧化锌8份、间甲树脂2份、不溶性硫磺4.5份、促进剂(DZ)1.4份、粘合剂(RA-65)5份，四氧化三铁粉末20份，且上述四氧化三铁粉末的尺寸为10-100nm；

所述金属材料为钢帘线3×0.20+6×0.35HT，金属材料为圆柱形。

上述高分子材料制备过程为：按照上述比例称取天然橡胶、炭黑、氧化锌树脂、防老剂、癸酸钴→一段胶使用XM370密炼机40-50r/min高速混炼，160℃排胶→二段胶加四氧化三铁粉末，35-40r/min中速混炼，混炼排胶温度145℃→终炼使用XM270密炼机，20-25r/min加硫磺、促进剂、粘合剂，排胶温度95-105℃。通过以上流程得到高分子复合材料，其密度为1.57g/cm

金属-高分子材料复合流程：将混炼得到的高分子材料使用开炼机加工预热到95℃→使用IH1560压延机在95-105℃将钢丝与高分子分子采用高压覆胶的方式将两者连接为一体，得到金属-高分子复合材料。

实施例2

本实施例2提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中，四氧化三铁的添加量为40份。

实施例3

本实施例3提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中，四氧化三铁的添加量为60份。

实施例4

本实施例4提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中，四氧化三铁的添加量为80份。

实施例5

本实施例5提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例4的区别在于，本实施例中，金属粉末采用氧化铜粉末。

实施例6

本实施例6提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例4的区别在于，本实施例中，高分子材料组分为：合成橡胶100份、炭黑(N326)56份、防老剂(6PPD)3份、癸酸钴1份、氧化锌8份、间甲树脂2份、不溶性硫磺6份、促进剂(DZ)2份、粘合剂(RA-65)5份，四氧化三铁粉末80份，且上述四氧化三铁粉末的尺寸为50-200nm；金属材料为铝合金丝。

实施例7

本实施例7提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例4的区别在于，本实施例中，高分子材料组分为：天然橡胶100份、炭黑(N326)56份、防老剂(6PPD)3份、癸酸钴1份、氧化锌8份、间甲树脂2份、不溶性硫磺6份、促进剂(DZ)2份、粘合剂(RA-65)5份，氧化铜粉末40份、四氧化三铁粉末40份，且上述氧化铜粉末及四氧化三铁粉末的尺寸为50-100nm；金属材料为铜丝。

实施例8

本实施例8提供一种可CT识别的金属-高分子复合材料，本实施例与实施例4的区别在于，本实施例中，高分子材料组分为：天然橡胶50份、PP树脂50份、炭黑(N326)56份、防老剂(6PPD)3份、癸酸钴1份、氧化锌8份、间甲树脂2份、不溶性硫磺6份、促进剂(DZ)2份、粘合剂(RA-65)5份，氧化铜粉末40份、四氧化三铁粉末40份，且上述氧化铜粉末及四氧化三铁粉末的尺寸为100-500nm；金属材料为铜丝。

对比例1

本对比例1与实施例1的区别在于，本对比例在制备高分子材料过程中，未添加四氧化三铁粉末。

对上述实施例1-5及对比例1制备得到的金属-高分子复合材料进行CT检测，具体步骤如下：

(a)将待测金属-高分子复合材料试样置于CT机的检测台上，设置射线源电压为80kV，电流为200μA，曝光时间为0.5s，使检测台360°旋转并每隔0.25°采集一帧图像，共采集1440帧图像；

(b)将采集的所有图像用FDK算法进行三维图像重建；

(c)基于步骤(b)得到的三维图像重建数据，采用三维可视化软件对数据进行重构，得到待测试样的三维图像。

上述实施例1-5及对比例1的CT检测图像结果如下表1所示：

表1

注：上述CT检测图像中I级-V级，级别越高表示伪影越明显，图像清晰度越差，尤其高分子材料部分显示越不清晰。当伪影级别达到IV级时，能够分辨出高分子材料部分，但清晰度相对较低；当伪影级别达到III级时，基本可清晰分辨高分子材料部分。

另外，为更清晰的说明实施例与对比例的CT检测图像区别，取实施例4及对比例1的CT检测图像进行对比，如图1-4所示。

其中，图1为实施例4的金属-高分子复合材料试样的xOy、xOz、yOz方向扫描切片，图2为实施例4的金属-高分子复合材料试样在不同方向的三维图像(图1、2中亮色部分为金属材料，灰色部分为高分子材料)。通过图1及图2可以观察到试样图像中除金属材料外，金属周围及金属缝隙之间的高分子材料部分也清晰可见。另外，从1、2中还能观察到金属-高分子复合材料试样中存在孔洞等缺陷。

图3为对比例1的金属-高分子复合材料试样的xOy、xOz、yOz方向扫描切片(图3中亮色部分为金属材料)，图4为对比例1的金属-高分子复合材料试样在不同方向的三维图像。通过图3及图4仅可以清晰观察到金属材料部分，而不能清晰观察到高分子材料部分，虽然图3中金属周围存在部分灰度值较低的区域，但是在数据的分析的过程中实际难以观察，无法分析高分子材料在金属-高分子复合材料中的分布情况，也无法分析复合材料的内部结构及缺陷情况。

需要说明的是，本申请中未述及的部分可通过现有技术实现。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。