CN100341942C - 聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法 - Google Patents

聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法，先在室温下对聚苯撑苯并噁唑PBO纤维进行稀土改性剂表面处理，然后将处理后的短切PBO纤维同聚酰亚胺粉料、二硫化钼进行机械共混，控制PBO纤维的质量百分比为混合料的10～15%，然后将混合料放入马福炉中制成复合材料。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，采用本发明的工艺方法制得的复合材料具有很好的力学性能和摩擦学性能。

Description

聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种稀土改性聚苯撑苯并噁唑(PBO)纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法，采用经过稀土表面处理的PBO纤维填充聚酰亚胺复合材料，以获得比较高的界面结合力，获得高性能的复合材料。
背景技术
热固性聚酰亚胺是耐高温聚合物，在550℃能短期保持主要的物理性能，能长期在接近330℃下使用。在耐高温的工程塑料中，它是最有价值的品种之一。聚酰亚胺可耐极低温，如在-269℃的液态氦中仍不会脆裂。聚酰亚胺还具有良好的机械性能、尺寸和氧化稳定性、耐化学药品性和耐辐照性能，以及良好的韧性和柔软性，而且在高温、高压和高速等苛刻境下具有优异的减摩抗磨性能。聚酰亚胺在极高的真空下放气量很少，为自熄性聚合物，发烟率低，无毒。聚酰亚胺可广泛用于航空航天、电气电子、机车、汽车、精密机械、食品工业、医疗器械和自动办公机械等领域。
PBO是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途的一个成员，具有十分优异的物理机械性能和化学性能，其强力、模量为Kevlar(凯夫拉)纤维的2倍并兼有间位芳纶耐热阻燃的性能，而且物理化学性能完全超过迄今在高性能纤维领域处于领先地位的Kevlar纤维。PBO纤维在强度和模量、耐热、难燃性、及轻量化上的优点，使得人们期待着开发更高性能的轻质高强先进复合材料，以便在21世纪的新型高速交通工具上、宇宙空间器材上、深层海洋开发上得到应用。其中航天材料用于火箭发动机隔热、绝缘、燃料油箱、太空中架线、行星探索气球等场合，性能非常优越。
虽然PBO纤维之机械及耐热性极佳，但由于PBO拥有硬直及高度之分子规则排列性，其表面活性很差，为求改善与高分子基材间之界面性质，必须研发适当的表面处理技术，其目的在于使纤维表面产生易与树脂等基材产生化学键结的官能基，使树脂与纤维间因增加有效接触而强化界面，也藉着界面层与纤维之间的化学物理相容性吸收震波，增加冲击能量的吸收能力，使韧性增加。
目前，主要应用表面等离子处理、偶联剂和电晕处理的方法来改善PBO纤维与聚合物基体的界面结合力，以改善与热固性环氧树脂或热塑性高分子基材之界面特性，来提高PBO纤维增强聚合物复合材料的综合性能。经等离子体处理的PBO纤维，虽然界面剪切强度有所提高，但是PBO纤维的强度略有下降，电晕处理方法对于改善纤维与基体界面性能不明显，偶联剂法在一定程度上改善了界面相的结合力，但是对于应用于高温下的PBO纤维，对偶联剂的耐热性能提出了更高的要求。因此，如何有效地增强纤维与树脂间的界面而满足其高温工作性能，成为纤维补强材料界面处理的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法，具有工艺简单，低成本高效率的特点，能很好的改善PBO纤维和聚酰亚胺基体的界面结合力，从而提高复合材料的综合性能。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，先在室温下采用稀土改性剂对PBO纤维进行表面改性处理，然后将处理后的PBO纤维烘干后同聚酰亚胺复合，经过热模压成型得到稀土改性PBO纤维/聚酰亚胺复合材料，再通过机械加工制成PBO纤维/聚酰亚胺复合材料试样或零件。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。
本发明的方法具体步骤为：
先将PBO纤维在室温下浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.1～2％，乙醇95～97％，乙二胺四乙酸0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％。其中所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
然后将聚酰亚胺、处理后的PBO纤维、二硫化钼按照一定比例混合，进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料随模具放入马福炉中成型，将炉温直接升至380～420℃左右，保持60分钟，使混合粉料成型，将成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，制得PBO纤维/聚酰亚胺复合材料。最后再通过机械加工成PBO纤维/聚酰亚胺复合材料试样或零件。
其中，复合材料的各原料成分的重量百分比如下：
聚酰亚胺：80％～85％，
短切PBO纤维：10％～15％，
二硫化钼：5％。
本发明适用于各种PBO纤维增强聚酰亚胺复合材料，其中聚酰亚胺为热固性聚酰亚胺。
本发明可以解决PBO纤维/聚酰亚胺复合材料界面结合力差的问题，提高复合材料的力学性能和摩擦学性能，工艺方法简单，成本低。采用经过稀土表面处理的PBO纤维填充聚酰亚胺制成的复合材料和普通的同类材料相比，具有更好的力学性能和摩擦学性能。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但不构成对本发明的限定。
实施例1：
所用的原材料包括：聚酰亚胺树脂粉末，中国科学院化学研究所开发的PMR型KH-304热固性聚酰亚胺。PBO纤维：由日本东洋纺公司生产。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.1％，乙醇97％，乙二胺四乙酸0.05％，氯化铵0.1％，硝酸0.02％，尿素0.03％。
原材料各组分重量百分比如下：
聚酰亚胺：80％
短切PBO纤维(3～15mm)：15％
二硫化钼：5％
先对PBO纤维进行预处理，将PBO纤维在室温下浸入上述稀土改性剂中，浸泡2小时，过滤后烘干。
将聚酰亚胺、PBO纤维及辅助材料二硫化钼按照上述比例混合，然后进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料随模具放入马福炉中成型，将炉温直接升至380左右，保持60分钟，使混合粉料成型，将成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，按照上述制得的复合材料按照标准测得其拉伸强度为140MPa。
作为对照例，在相同的纤维含量及复合材料制备工艺条件下，未处理的PBO纤维增强聚酰亚胺复合材料拉伸强度为100MPa，经等离子处理的PBO纤维增强聚酰亚胺复合材料拉伸强度为120MPa，可以看出，稀土改性剂处理对于复合材料拉伸性能提高最明显。
实施例2：
所用的原材料包括：聚酰亚胺树脂粉末，中国科学院化学研究所开发的PMR型KH-304热固性聚酰亚胺。PBO纤维：由日本东洋纺公司生产。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物1.5％，乙醇96％，乙二胺四乙酸0.2％，氯化铵0.8％，硝酸0.5％，尿素1％。
原材料各组分重量百分比如下：
聚酰亚胺：85％
短切PBO纤维(3～15mm)：10％
二硫化钼：5％
先将PBO纤维在室温下浸入上述稀土改性剂中浸泡4小时，过滤后烘干。然后将聚酰亚胺、PBO纤维、二硫化钼按照上述比例混合，进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料随模具放入马福炉中成型，将炉温直接升至400℃左右，保持60分钟，使混合粉料成型，将成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，制得PBO纤维/聚酰亚胺耐磨复合材料。将上述材料机械加工成冲击试验样品和摩擦试验样品。冲击试验在万能材料试验机上进行，摩擦磨损试验在M-2000摩擦磨损试验机上进行，测试结果：冲击强度为40KJ/m2，摩擦系数0.18，载荷在300牛顿时，磨损量为170m/mg。
实施例3：
采用的原料同实施例1，只改变稀土改性剂的配比：稀土化合物2％，乙醇95％，乙二胺四乙酸0.5％，氯化铵1％，硝酸0.5％，尿素1％。先对PBO纤维进行预处理，采用上述稀土改性剂处理，将PBO纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡3小时，过滤后，烘干。
将聚酰亚胺、PBO纤维、二硫化钼按照实施例1的比例混合，然后进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料随模具放入马福炉中成型，将炉温直接升至380℃左右，保持60分钟，使混合粉料成型，将成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，制得PBO纤维/聚酰亚胺耐磨复合材料。
将上述材料机械加工成复合材料试样，复合材料摩擦系数和磨损量的测定在MPV200型摩擦磨损试验机上进行，每次试验前，将样品及对偶环表面用丙酮棉球擦洗干净。试验结果：摩擦系数为0.2左右，比磨损率为1.2×10-14m3(Nm)-1。

Claims (2)

1、一种聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于先将聚苯撑苯并噁唑纤维在室温下浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干；将处理后的聚苯撑苯并噁唑纤维按重量百分比10～15％同80～85％的聚酰亚胺粉料、5％的二硫化钼进行机械共混，搅拌均匀后将混合粉料随模具放入马福炉中成型，将炉温直接升至380～420℃，保持60分钟，使混合粉料成型，将成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，制得聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺耐磨复合材料；其中所述稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.1～2％，乙醇95～97％，乙二胺四乙酸0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％；所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
2、如权利要求1的聚苯撑苯并噁唑纤维/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于所述的聚酰亚胺为热固性聚酰亚胺。
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