CN102134372A - 三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法。以聚醚醚酮纤维与碳纤维按碳纤维为原料，按碳纤维体积含量为18-54％的三维五向混合编织碳纤维增强聚醚醚酮复合而成。采用纤维混编加热压的组合技术进行制备，其工艺过程包括将聚醚醚酮纤维与碳纤维进行三维混合编织，将混合织物进行溶液氧化预处理，然后用蒸馏水反复冲洗，干燥后放入模具内进行热压成型。本发明可以有效克服聚醚醚酮的热塑性性质给三维编织复合材料制备所带来的困难，从而得到纤维浸渍充分且力学性能优异的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。

Description

三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法。

背景技术

三维编织复合材料是近二十年来兴起的一种新型复合材料，它从根本上克服了传统层合板层间剪切强度低、易分层的缺点，已广泛应用于航空、航天、医疗、体育等领域。例如，传统的层合板复合材料具有难以克服的固有缺陷：沿厚度方向的刚度和强度性能差，面内剪切和层间剪切强度较低，易分层，冲击韧性和损伤容限水平低等，因而在许多场合下不能满足使用要求。复合材料与纺织技术结合产生的三维编织碳纤维复合材料克服了传统层合板复合材料的缺点，并以其优异的性能成为航空、航天和武器装备不可缺少的新型高性能材料。同时，三维编织碳纤维复合材料具有很高的弯曲强度，极高的疲劳强度和抗损伤性能，高的冲击韧性。此外，三维编织体可方便地改变形状，复合体无需二次加工，所以，三维编织碳纤维复合材料极适于制备骨科植入物，是一种很有发展潜力的新型生物材料。三维编织纤维与医用聚合物组成的复合材料有望完全替代金属骨植入物材料。本发明申请人与国外几乎同时开展了三维编织复合材料用于骨科植入物的研究，但由于三维编织复合材料的制备难度大，目前仅能制备三维编织纤维增强某些热固性聚合物基复合材料，而三维编织碳纤维增强热塑性复合材料的制备难度很大。本专利发明人公开了三维编织碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯(简作PMMA)的制备方法(专利号ZL200610016187.X)，是该领域值得注意的技术进步。

与聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚醚醚酮(简作PEEK)的性能更加优越，是一种新型的半晶态芳香族热塑性工程材料，具有极其出色的物理和力学性能，在航空、机械、石油、化工、核电、轨道交通、医疗等众多领域有着广泛的应用。连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料最初主要应用于航空航天领域和特殊需求的工业品，近几年开始在汽车、建筑、体育休闲等民用领域应用。但由于聚醚醚酮的性质显著区别于聚甲基丙烯酸甲酯，因此，无法采用专利ZL200610016187.X公开的技术制备三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料制备。为此，需要独辟蹊径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法。该方法以纤维混编加热压的组合技术制备三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，再采用独特的热压工艺，可以有效克服聚醚醚酮的热塑性性质给三维编织复合材料制备所带来的困难，从而得到力学性能优异的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。

本发明提供的一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是以聚醚醚酮纤维与碳纤维按碳纤维为原料，按碳纤维体积含量为18-54％的三维五向混合编织碳纤维增强聚醚醚酮复合而成，制备步骤：将聚醚醚酮纤维与碳纤维按所需体积含量进行三维混合编织，将混合织物进行溶液氧化预处理，水洗，干燥，模具热压成型。

所述的碳纤维包括聚丙烯腈(PAN)、粘胶基及沥青基碳纤维，碳纤维束的尺寸包括1K、3K、6K、12K和24K，碳纤维单丝的直径为5～20微米。

所述的聚醚醚酮以纤维的形式使用，其直径为5～40微米。

本发明提供的一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)将聚醚醚酮纤维与碳纤维进行三维五向混合编织，碳纤维体积含量为18-54％；

2)将混合织物进行溶液氧化处理(如：在3-6wt％(NH₄)₂HPO₄溶液中煮30-60min)，然后用水反复冲洗，干燥后再放入模具内；

3)将已放置纤维织物的模具置于真空热压机内，加热至150℃，开始持续抽真空，并在此温度下保温2h，然后以10-20℃/min的速度升至360-400℃，保温40min；加压0.3-0.7MPa，去除真空，继续保持温度30-60min；缓慢降温，在制品温度低于100℃时进行脱模。

本发明的优点在于，可以有效克服聚醚醚酮的热塑性性质给三维编织复合材料制备所带来的困难，实施三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的热压工艺，选用独特的工艺参数可以得到束内单根纤维与基体均能充分浸润的三维编织复合材料，并使该复合材料沿纤维编织方向的弯曲强度可达500MPa，织物经过溶液氧化预处理后进行热压可进一步使该复合材料弯曲强度提高10％以上，从而得到纤维浸渍充分且力学性能优异的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，具有广泛的应用。

附图说明

图1是碳纤维与聚醚醚酮纤维三维混合织物实物照片(a-碳纤维体积含量为18％，b-碳纤维体积含量为54％)。

图2是三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料最终成型试样的表面组织照片(a-碳纤维体积含量为18％，b-碳纤维体积含量为54％)。

图3是三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料最终成型试样截面金相照片(a-碳纤维体积含量为18％，b-碳纤维体积含量为54％)。

具体实施方式

实例1

将聚醚醚酮纤维(英国ZYEX公司生产，纤维直径30微米)与6K聚丙烯腈基碳纤维(由山西煤化所提供，纤维直径7微米)按碳纤维体积含量18％进行三维五向混合编织(图1a)，将混合织物在5wt％(NH₄)₂HPO₄溶液中煮沸40min后，用蒸馏水反复冲洗、干燥，将混合织物放入模具，置于真空热压机内，加热至150℃，开始持续抽真空，并在此温度下保温2h，然后以15℃/min的速度升温至370℃，保温40min，加压0.3MPa，去除真空，继续保持温度30min，缓慢降温，在制品温度低于100℃时脱模，所得复合材料沿纤维编织方向的弯曲强度为252MPa，其表面组织照片和最终成型试样截面金相照片示于图2a和图3a。

实例2

将聚醚醚酮纤维(英国ZYEX公司生产，纤维直径30微米)与碳纤维12K聚丙烯腈基(由山西煤化所提供，纤维直径7微米)按碳纤维体积含量54％进行三维五向混合编织，将混合织物在5wt％(NH₄)₂HPO₄溶液中煮沸40min后，用蒸馏水反复冲洗、干燥，将混合织物放入模具，置于真空热压机内，加热至150℃，开始持续抽真空，并在此温度下保温2h，然后以15℃/min的速度升至370℃，保温40min，加压0.6MPa，去除真空，继续保持温度60min，缓慢降温，在制品温度低于100℃时脱模，所得复合材料沿纤维编织方向的弯曲强度达501MPa。

实例3

将聚醚醚酮纤维(英国ZYEX公司生产，纤维直径30微米)与碳纤维6K聚丙烯腈基(由山西煤化所提供，纤维直径7微米)按碳纤维体积含量54％进行三维五向混合编织(图1b)，将混合织物在5wt％(NH₄)₂HPO₄溶液中煮沸40min后，用蒸馏水反复冲洗、干燥，将该织物放入模具，置于真空热压机内，加热至150℃，开始持续抽真空，并在此温度下保温2h，然后以15℃/min的速度升至370℃，保温40min，加压0.6MPa，去除真空，继续保持温度60min，缓慢降温，在制品温度低于100℃时脱模，所得复合材料沿纤维编织方向的弯曲强度达556MPa，其表面组织照片和最终成型试样截面金相照片示于图2a和图3a。

Claims (5)

1.一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，其特征在于它是以聚醚醚酮纤维与碳纤维按碳纤维为原料，按碳纤维体积含量为18-54％的三维五向混合编织碳纤维增强聚醚醚酮复合而成，制备步骤：将聚醚醚酮纤维与碳纤维按所需体积含量进行三维混合编织，将混合织物进行溶液氧化预处理，水洗，干燥，模具热压成型。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的碳纤维为聚丙烯腈(PAN)、粘胶基及沥青基碳纤维，碳纤维束的尺寸为1K、3K、6K、12K或24K，碳纤维单丝的直径为5～20微米。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的聚醚醚酮以纤维的形式使用，其直径为5～40微米。

4.一种权利要求1所述的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将聚醚醚酮纤维与碳纤维按碳纤维体积含量18-54％进行三维五向混合编织；

2)将混合织物氧化处理，然后用水反复冲洗，干燥后再放入模具内；

3)将已放置纤维织物的模具置于真空热压机内，加热至150℃，开始持续抽真空，并在此温度下保温2h，然后以10-20℃/min的速度升至360-400℃，保温40min；加压0.3-0.7MPa，去除真空，继续保持温度30-60min；缓慢降温，在制品温度低于100℃时进行脱模。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的氧化处理的条件为：将混合织物在3-6wt％(NH₄)₂HPO₄溶液中煮30-60min。

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