本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种高强螺丝及其制备方法。
背景技术：
螺丝是利用物体的斜面圆形旋转和摩擦力的物理学和数学原理，循序渐进地紧固器物机件的工具，是日常生活中不可或缺的工业必需品之一。随着经济的发展、我国装备制造业的进步和实现可持续发展战略的推进，人们对螺丝的产品重量、技术水平要求越来越高。
目前，螺丝的材质大多为铁系金属，铁系金属制成的螺丝具有高强度、比重大、可吸磁、易电镀、易锻造加工等优点，但也存在着易生锈、密合度差、无法防松等缺点。作为对铁系金属材质的螺丝的改进，塑料材质螺丝引起了研究者们的广泛关注。塑料材质螺丝具有铁质金属螺丝没有的弹性，易注射成型，但其不能被磁性工具吸引，从而使得装配不方便，另外其强度没有铁质螺丝大。
作为对以上两种材质螺丝的改进，中国发明专利CN 103185056B公开了一种塑料铁质复合材质螺丝，这种螺丝兼具铁质螺丝和塑料螺丝的优点，但其仍然存在着塑料质部分耐高温、耐老化性能差且强度小，铁质部分易腐蚀等缺陷，且头芯部与螺纹部在使用时由于塑料老化有可能存在相对滑动。另外，利用现有技术中的生产方法生产出来螺丝强度差，容易损坏，使用寿命短，使用效果差。本发明人考虑，开发一种耐高温耐老化的高强螺丝，使其满足特殊环境下螺丝使用所需的指标。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种高强螺丝及其制备方法，制备的高强螺丝具有良好的耐高温、耐老化的性能，具有较高的强度。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种高强螺丝的制备方法，包括以下步骤：将50-60重量份环氧基改性的聚苯并咪唑、10-17.5重量份表面改性的玻璃纤维、10-17.5重量份表面改性的二氧化铬磁粉和5-10重量份4，4’-二羟基二苯甲酮置于高速混合机中混合，注塑成型，得到螺丝预制体；将所述螺丝预制体在5000-8000A/m的磁场中取向，得到高强螺丝。
优选的，所述环氧基改性的聚苯并咪唑按照如下方法制备：将聚苯并咪唑溶于第一溶剂中形成聚苯并咪唑溶液；在60-80℃搅拌条件下，向所述聚苯并咪唑溶液中加入KOH和环氧氯丙烷，反应4-8小时后，在去离子水中聚沉，离心分离，洗涤，真空干燥，得到环氧基改性的聚苯并咪唑。
优选的，所述第一溶剂选自二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一种。
优选的，所述聚苯并咪唑、第一溶剂、KOH和环氧氯丙烷的重量比为5∶(25-40)∶5∶(3-4)。
优选的，所述表面改性的玻璃纤维按照如下方法制备：将环氧基偶联剂KH560加入乙醇中，超声震荡，分批次等量加入至装有玻璃纤维的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性，真空干燥后得到表面改性的玻璃纤维。
优选的，超声震荡的时间为20-30分钟，真空干燥的温度为70-90℃，真空干燥的时间为30-40小时。
优选的，所述表面改性的二氧化铬磁粉按照如下方法制备：将环氧基偶联剂KH560加入乙醇中，超声震荡，分批次等量加入至装有二氧化铬磁粉的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性，真空干燥后得到表面改性的二氧化铬磁粉。
优选的，超声震荡的时间为20-30分钟，真空干燥的温度为70-90℃，真空干燥的时间为30-40小时。
相应的，本发明还提供一种高强螺丝，采用如下原料制备：50-60重量份环氧基改性的聚苯并咪唑、10-17.5重量份表面改性的玻璃纤维、10-17.5重量份表面改性的二氧化铬磁粉和5-10重量份4，4’-二羟基二苯甲酮。
优选的，所述环氧基改性的聚苯并咪唑按照如下方法制备：将聚苯并咪唑溶于第一溶剂中形成聚苯并咪唑溶液；在60-80℃搅拌条件下，向所述聚苯并咪唑溶液中加入KOH和环氧氯丙烷，反应4-8小时后，在去离子水中聚沉，离心分离，洗涤，真空干燥，得到环氧基改性的聚苯并咪唑。
本发明提供一种高强螺丝及其制备方法，包括以下步骤：将50-60重量份环氧基改性的聚苯并咪唑、10-17.5重量份表面改性的玻璃纤维、10-17.5重量份表面改性的二氧化铬磁粉和5-10重量份4，4’-二羟基二苯甲酮置于高速混合机中混合，注塑成型，得到螺丝预制体；将所述螺丝预制体在5000-8000A/m的磁场中取向，得到高强螺丝。与现有技术相比，由于4，4’-二羟基二苯甲酮具有共轭化学结构，能吸收太阳或萤光中的紫外线，使制备的高强螺丝具有较高的抗老化性能。第二，由于4，4’-二羟基二苯甲酮的加入，在制备材料分子结构中引入交联结构，使其具有极好的耐高温耐热性能和强度。第三，制备的高强螺丝为玻璃钢复合材料，不含容易腐蚀的金属单质，有较好的耐腐蚀性能。第四，本发明提供的高强螺丝，制造工艺简单、原料易得、容易操作、对设备的要求不高，成本低廉。因此，本发明制备的高强螺丝具有良好的耐高温、耐老化的性能，具有较高的强度。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
本发明提供一种高强螺丝的制备方法，包括以下步骤：将50-60重量份环氧基改性的聚苯并咪唑、10-17.5重量份表面改性的玻璃纤维、10-17.5重量份表面改性的二氧化铬磁粉和5-10重量份4，4’-二羟基二苯甲酮置于高速混合机中混合，注塑成型，得到螺丝预制体；将所述螺丝预制体在5000-8000A/m的磁场中取向，得到高强螺丝。
环氧基改性的聚苯并咪唑作为树脂相具有较好的耐高温和机械性能，玻璃纤维具有较好的拉伸性能，本发明在树脂中加入玻璃纤维增强，形成玻璃钢复合材料，此复合材料具有比树脂更好的耐高温和机械性能，具有类似钢铁一样的强度，且其不含有容易腐蚀的金属单质，有较好的耐腐蚀性能。
作为优选方案，所述环氧基改性的聚苯并咪唑按照如下方法制备：将聚苯并咪唑溶于第一溶剂中形成聚苯并咪唑溶液；在60-80℃搅拌条件下，向所述聚苯并咪唑溶液中加入KOH和环氧氯丙烷，反应4-8小时后，在去离子水中聚沉，离心分离，洗涤，真空干燥，得到环氧基改性的聚苯并咪唑。所述第一溶剂优选选自二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一种。在环氧基改性的聚苯并咪唑制备过程中，洗涤次数优选为3-5次，真空干燥的温度优选为60-80℃，真空干燥的时间优选为18-30小时。所述聚苯并咪唑、第一溶剂、KOH和环氧氯丙烷的重量比优选为5∶(25-40)∶5∶(3-4)。
作为优选方案，所述表面改性的玻璃纤维按照如下方法制备：将环氧基偶联剂KH560加入乙醇中，超声震荡，分批次等量加入至装有玻璃纤维的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性，真空干燥后得到表面改性的玻璃纤维。在表面改性的玻璃纤维的制备过程中，超声震荡的时间优选为20-30分钟，真空干燥的温度优选为70-90℃，真空干燥的时间优选为30-40小时。
作为优选方案，所述表面改性的二氧化铬磁粉按照如下方法制备：将环氧基偶联剂KH560加入乙醇中，超声震荡，分批次等量加入至装有二氧化铬磁粉的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性，真空干燥后得到表面改性的二氧化铬磁粉。在表面改性的二氧化铬磁粉的制备过程中，超声震荡的时间优选为20-30分钟，真空干燥的温度优选为70-90℃，真空干燥的时间优选为30-40小时。
本发明在制备高强螺丝过程中加入了二氧化铬磁粉，使得螺丝具有磁性，能吸引铁质工具，有利于安装方便。并且，在磁粉及玻璃纤维表面修饰有含有环氧基的硅烷偶联剂，有利于粒子分散，有利于无机粒子与有机成分的相容。另外，环氧基参与交联，使得材料分子结构更加紧凑，提高了螺丝制作材料的耐高温耐热性能及其强度。
本发明以4，4’-二羟基二苯甲酮作为原料，在制备材料分子结构中引入交联结构，使其具有极好的耐高温耐热性能和强度。此外，螺丝组成中含环氧基结构的物质与4，4’-二羟基二苯甲酮中的羟基发生相互作用，使得螺丝组成材料间形成三维网络结构，使得分子结构更加紧凑，分子间相对移动受到束缚，从而提高了聚合物材料的机械性能和耐高温性能。
作为优选方案，本发明优选采用如下原料：环氧基改性的聚苯并咪唑50-55重量份、表面改性的玻璃纤维12-15重量份、表面改性的二氧化铬磁粉12-15重量份、4，4’-二羟基二苯甲酮6-10重量份。
从以上方案可以看出，第一，由于4，4’-二羟基二苯甲酮具有共轭化学结构，能吸收太阳或萤光中的紫外线，使制备的高强螺丝具有较高的抗老化性能。第二，由于4，4’-二羟基二苯甲酮的加入，在制备材料分子结构中引入交联结构，使其具有极好的耐高温耐热性能和强度。第三，制备的高强螺丝为玻璃钢复合材料，不含有容易腐蚀的金属单质，有较好的耐腐蚀性能。第四，本发明提供的高强螺丝，制造工艺简单、原料易得、容易操作、对设备的要求不高，成本低廉。因此，本发明制备的高强螺丝具有良好的耐高温、耐老化的性能，具有较高的强度。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
本发明下述实施例中所使用的原料来自于上海泉昕进出口贸易有限公司。
实施例1
环氧基改性的聚苯并咪唑的制备方法，是通过如下步骤实现的：将50g聚苯并咪唑溶于250g二甲亚砜中形成溶液，再在60℃搅拌条件下向溶液中加入KOH 50g和环氧氯丙烷30g，反应5小时后，在去离子水中聚沉，再离心，后用丙酮洗涤3次，在真空干燥箱中60℃下干燥18小时即可。
一种耐高温耐老化的高强螺丝的制备方法，是通过如下步骤实现的：
1)玻璃纤维的表面改性：将15g环氧基偶联剂KH560加入乙醇15g中，在超声仪下超声20分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有玻璃纤维100g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入70℃的真空干燥箱中干燥30小时，装入自封袋备用，得到表面改性的玻璃纤维。
2)二氧化铬磁粉的表面改性：将15g环氧基偶联剂KH560加入乙醇15g中，在超声仪下超声20分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有二氧化铬磁粉100g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入70℃的真空干燥箱中干燥30小时，装入自封袋备用，得到表面改性的二氧化铬磁粉。
3)高强螺丝的成型：将环氧基改性的聚苯并咪唑500g、表面改性的玻璃纤维115g、表面改性的二氧化铬磁粉115g和4，4’-二羟基二苯甲酮50g置于高速混合机中混合8min后，将混合料加入塑料注射成型机进行注塑成型，模具温度控制在250℃，得到高强螺丝。
4)高强螺丝磁化：将经步骤3)制备得到的高强螺丝在5000A/m的磁场中取向。
实施例2
环氧基改性的聚苯并咪唑的制备方法，是通过如下步骤实现的：将50g聚苯并咪唑溶于N-甲基吡咯烷酮300g中形成溶液，再在70℃搅拌条件下向溶液中加入KOH 50g和环氧氯丙烷40g，反应6小时后，在去离子水中聚沉，再离心，后用丙酮洗涤4次，在真空干燥箱中70℃下干燥28小时即可。
一种耐高温耐老化的高强螺丝的制备方法，是通过如下步骤实现的：
1)玻璃纤维的表面改性：将20g环氧基偶联剂KH560加入乙醇20g中，在超声仪下超声25分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有玻璃纤维120g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入75℃的真空干燥箱中干燥35小时，装入自封袋备用，得到表面改性的玻璃纤维。
2)二氧化铬磁粉的表面改性：将20g环氧基偶联剂KH560加入乙醇20g中，在超声仪下超声25分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有二氧化铬磁粉120g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入76℃的真空干燥箱中干燥36小时，装入自封袋备用，得到表面改性的二氧化铬磁粉。
3)高强螺丝的成型：将环氧基改性的聚苯并咪唑550g、表面改性的玻璃纤维140g、表面改性的二氧化铬磁粉140g和4，4’-二羟基二苯甲酮70g置于高速混合机中混合9mi n后，将混合料加入塑料注射成型机进行注塑成型，模具温度控制在230℃，得到高强螺丝。
4)高强螺丝磁化：将经步骤3)制备得到的高强螺丝在6000A/m的磁场中取向。
实施例3
环氧基改性的聚苯并咪唑的制备方法，是通过如下步骤实现的：将50g聚苯并咪唑溶于N，N-二甲基甲酰胺400g中形成溶液，再在80℃搅拌条件下向溶液中加入KOH 50g和环氧氯丙烷40g，反应7小时后，在去离子水中聚沉，再离心，后用丙酮洗涤5次，在真空干燥箱中75℃下干燥25小时即可。
一种耐高温耐老化的高强螺丝的制备方法，是通过如下步骤实现的：
1)玻璃纤维的表面改性：将25g环氧基偶联剂KH560加入乙醇20g中，在超声仪下超声28分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有玻璃纤维130g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入80℃的真空干燥箱中干燥37小时，装入自封袋备用，得到表面改性的玻璃纤维。
2)二氧化铬磁粉的表面改性：将25g环氧基偶联剂KH560加入乙醇20g中，在超声仪下超声29分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有二氧化铬磁粉140g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入86℃的真空干燥箱中干燥38小时，装入自封袋备用，得到表面改性的二氧化铬磁粉。
3)高强螺丝的成型：将环氧基改性的聚苯并咪唑550g、表面改性的玻璃纤维155g、表面改性的二氧化铬磁粉165g和4，4’-二羟基二苯甲酮80g置于高速混合机中混合10min后，将混合料加入塑料注射成型机进行注塑成型，模具温度控制在260℃，得到高强螺丝。
4)高强螺丝磁化：将经步骤3)制备得到的高强螺丝在7000A/m的磁场中取向。
实施例4
环氧基改性的聚苯并咪唑的制备方法，是通过如下步骤实现的：将50g聚苯并咪唑溶于二甲亚砜340g中形成溶液，再在68℃搅拌条件下向溶液中加入50g KOH和环氧氯丙烷38g，反应5小时后，在去离子水中聚沉，再离心，后用丙酮洗涤5次，在真空干燥箱中77℃下干燥26小时即可。
一种耐高温耐老化的高强螺丝的制备方法，是通过如下步骤实现的：
1)玻璃纤维的表面改性：将15g环氧基偶联剂KH560加入乙醇25g中，在超声仪下超声30分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有玻璃纤维140g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入70-90℃的真空干燥箱中干燥36小时，装入自封袋备用，得到表面改性的玻璃纤维。
2)二氧化铬磁粉的表面改性：将15g环氧基偶联剂KH560加入乙醇25g中，在超声仪下超声28分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有二氧化铬磁粉100g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入84℃的真空干燥箱中干燥37小时，装入自封袋备用，得到表面改性的二氧化铬磁粉。
3)高强螺丝的成型：将环氧基改性的聚苯并咪唑600g、表面改性的玻璃纤维155g、表面改性的二氧化铬磁粉115g和4，4’-二羟基二苯甲酮80g置于高速混合机中混合9min后，将混合料加入塑料注射成型机进行注塑成型，模具温度控制在270℃，得到高强螺丝。
4)高强螺丝磁化：将经步骤3)制备得到的高强螺丝在7500A/m的磁场中取向。
实施例5
环氧基改性的聚苯并咪唑的制备方法，是通过如下步骤实现的：将50g聚苯并咪唑溶于N-甲基吡咯烷酮400g中形成溶液，再在80℃搅拌条件下向溶液中加入50gKOH和环氧氯丙烷40g，反应8小时后，在去离子水中聚沉，再离心，后用丙酮洗涤5次，在真空干燥箱中80℃下干燥30小时即可。
一种耐高温耐老化的高强螺丝的制备方法，是通过如下步骤实现的：
1)玻璃纤维的表面改性：将25g环氧基偶联剂KH560加入乙醇25g中，在超声仪下超声30分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有玻璃纤维150g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入90℃的真空干燥箱中干燥40小时，装入自封袋备用，得到表面改性的玻璃纤维。
2)二氧化铬磁粉的表面改性：将25g环氧基偶联剂KH560加入乙醇25g中，在超声仪下超声30分钟，再将其每隔20分钟分9次等量加入到装有二氧化铬磁粉150g的圆底烧瓶中，并利用机械搅拌器作为打散装置进行干法表面改性3小时。后将其放入90℃的真空干燥箱中干燥40小时，装入自封袋备用，得到表面改性的二氧化铬磁粉。
3)高强螺丝的成型：将环氧基改性的聚苯并咪唑600g、表面改性的玻璃纤维175g、表面改性的二氧化铬磁粉175g和4，4’-二羟基二苯甲酮100g置于高速混合机中混合10min后，将混合料加入塑料注射成型机进行注塑成型，模具温度控制在280℃，得到高强螺丝。
4)高强螺丝磁化：将经步骤3)制备得到的高强螺丝在8000A/m的磁场中取向。
以市场上的PVC材质螺丝作为对比例。
分别对本发明实施例制备的高强螺丝和对比例的螺丝的性能进行测试，结果如表1所示。
表1本发明各实施例性能测试结果
从表1可知，本发明各实施例提供的螺丝具有较优异热稳定性、抗紫外老化性能和强度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。