CN103360767A - 一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料、制备工艺及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括下列组分：聚苯硫醚：10～50份；碳化硅：20～70份；碳纤维：5～20份；聚醚醚酮：4～30份；偶联剂：2～10份；其制造工艺包括以下步骤：S1、混料；S2、模具成型；S3、干燥；S4、高温热处理；S5、退火热处理；S6、机加工，所述的偶联剂为硅烷、钛酸酯、磷酸酯、铬络合物或锆类偶联剂中的至少一种；基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料用于制造工业用泵的泵体、叶轮或泵护板。本发明的优点在于：化学稳定性好、机械性能好、制造成本低和使用寿命长，解决了冶金和化工行业用泵的材料问题和PPS、PEEK工程材料难加工成型的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别是一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料、制备工艺及其用途。
背景技术
工业用泵特别是化工和冶金用泵，由于其工况条件和介质的特殊性，在有腐蚀和磨损的工况条件下一般为双相不锈钢、陶瓷或者氟塑料等作为泵过流部件的材料，尽管以上材料在工业用泵材料中已经普遍使用，但存在着很多不足，316L、CD4MCU、CR30、F33、A05等不锈钢材料由于其主要成分为有色金属，价格高昂，并且在稀硫酸、含氯离子等卤族元素的强氧化介质中同样发生腐蚀，不能满足工矿条件的需要，使用寿命也很短。工业陶瓷材料尽管很硬，也耐磨损和酸性介质的腐蚀，但此材料很脆，不耐大颗粒物的冲击，在设备检修过程中也容易造成过流部件的损坏，从而限制了陶瓷材料在工业用泵行业的运用。氟塑料、高分子量的聚乙烯等工程塑料材料尽管有优异的耐腐蚀性能，但本身材料机械强度不高，一般是和金属材料进行复合使用，由于此类材料和金属材料的热膨胀系数不一样，在温度比较高的介质中会造成塑料和金属材料的剥离，从而也会使泵零件损坏，这就限制了此材料的使用温度。并且塑料材料本身较软，不能用于含固体颗粒物较多的介质使用。
聚苯硫醚(英文名为Polyphenylene Sulfide，缩写为PPS）是一种热固性树脂的白色或米黄色粉状物，其结构为苯环和硫的重复相连，结构式为（C6H4S）n，密度1.34～1.36g/cm3，熔点280～290℃，连续使用温度200℃～240℃，分解温度为>400℃。
碳化硅材料是在高温状态下，以SiO2存在形式的Si和碳结合形成碳化硅，其相对金刚石硬度为9.7(金刚石硬度=10)。由于颗粒大小不一，本身很高的硬度值，用碳化硅作为硬质相制备的复合材料就具备了很高的耐磨性，碳化硅＋SIN制成的工业陶瓷材料已经在陶瓷泵和铸铝行业耐热管的零件上运用，但因此类工业陶瓷材料本身很脆，几乎没有韧性，几乎不耐大颗粒物的冲击，这也限制了工业陶瓷材料在冶金和化工行业泵类的开发和利用。
如前所述，由于以上工程材料都成在一定的不足，不能完全满足冶金和化工领域的需求，那么能不能找到一种材料，此材料既要耐化学介质的强氧化腐蚀，又要耐介质中含固体颗粒物的冲刷磨损，并且还能适合较高的使用温度，在使用寿命上比原有材料成倍增加，从而有很高性价比的工程材料投入工业泵的生产，这将使我们从事材料研究和泵类设计生产者不懈追求的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种化学稳定性好、机械性能好、制造成本低和使用寿命长的基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺及其用途，解决了冶金和化工行业用泵的材料问题和PPS、PEEK工程材料难加工成型的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括以下组分：聚苯硫醚：10～50份；碳化硅：20～70份；碳纤维：5～20份；聚醚醚酮4～30份；偶联剂2～10份。
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持5h～7h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置24h～38h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至360℃～380℃，然后保温10h～14h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到250℃～270℃，保温24h～36h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
所述的偶联剂为硅烷、钛酸酯、磷酸酯、铬络合物或锆类偶联剂中的至少一种。
基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料用于制造工业用泵的泵体、叶轮或泵护板。
本发明具有以下优点：
1、聚苯硫醚中硫原子与苯环交互整齐排列，由于苯环结构的刚性和耐热性以及苯环与硫之间化学键的稳定性，赋予其分子高度稳定的化学键特性，并易于堆积成热安定性较强的结晶格子，具有优良的化学稳定性。
2、采用碳化硅、聚苯硫醚、碳纤维和偶联剂进行复合，其刚性极强，表面硬度高，洛氏硬度>100HR，拉伸强度>170MPa，弯曲强度>220MPa，缺口冲击强度>16MPa，弯曲模量>3.5×104，并具有优异的耐蠕变性和耐疲劳性。
3、聚苯硫醚和碳化硅制成的复合材料生产的泵型其使用寿命是CD4MCU材料的三倍，其过流部件材料完全能抵抗磷酸料浆的腐蚀和冲刷，其综合性价比为CD4MCU材料的两倍以上。
附图说明
图1为本发明应用于小型工业泵的结构示意图；
图2为本发明应用于大型工业泵的结构示意图；
图中：1-泵体，2-叶轮A，3-机封室A，4-主轴A，5-机体，6-壳体，7-衬里，8-主轴B，9-机封室B，10-叶轮B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
【实施例1】：
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括下列组分：聚苯硫醚：10份；碳化硅：70份；碳纤维：5份；聚醚醚酮4份；磷酸酯偶联剂2份。
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持5h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置38h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至380℃，然后保温10h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到250℃，保温36h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
【实施例2】：
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括下列组分：聚苯硫醚：30份；碳化硅：45份；碳纤维：15份；聚醚醚酮17份；铬络合物偶联剂6份。
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持6h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置31h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至370℃，然后保温12h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到260℃，保温30h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
【实施例3】：
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括下列组分：聚苯硫醚：35份；碳化硅：40份；碳纤维：12份；聚醚醚酮15份；钛酸酯偶联剂8份。
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持6.5h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置32h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至375℃，然后保温13h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到265℃，保温28h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
【实施例4】：
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括下列组分：聚苯硫醚：50份；碳化硅：20份；碳纤维：20份；聚醚醚酮30份；硅烷偶联剂10份。
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持7h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置24h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至360℃，然后保温14h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到270℃，保温24h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
【实施例5】：
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，它包括下列组分：聚苯硫醚：50份；碳化硅：20份；碳纤维：20份；聚醚醚酮30份；锆类偶联剂10份。
一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持7h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置24h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至360℃，然后保温14h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到270℃，保温24h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
本发明所选聚苯硫醚为国产聚苯硫醚普通的注塑级颗粒料，对含有浓硫酸等强氧化性介质的应选用氧化聚苯硫醚颗粒料，其最大颗粒度不超过2毫米，技术要求见下表：
PPS NMT品级的一般物性
SIC材料为黑色碳化硅粉，其颗粒细度为10微米级。由于PPS对SIC材料有较好的润湿作用和粘结性，可以将SIC粉作为PPS材料的改性填充剂使用。改性后的PPS作为工程材料，具有耐磨性好、加工性好、耐高温和耐化学腐蚀、对填料的粘接力强、力学性能优良等特性。SIC的添加有利于在对零件摩面上形成转移物，而且随着SIC含量的增加，材料的硬度和耐磨损系数明显增强，但材料韧性和抗冲击能力却是成下降趋势，而SIC的粒度变化对材料的性能也有大的影响，若使用大颗粒的SIC材料，由于PPS难以进行完全包裹，其材料韧性和抗冲击性能也明显下降。根据综合的经济性能分析，选用10微米级的SIC材料较为妥当。
以上是本发明的两种主要材料，为了增强此工程材料的机械强度，还添加了短切碳纤维，也添加了部分PEEK（聚醚醚酮）以增强机械性能和耐热、耐化学腐蚀性能。
在此高性能复合材料中，PPS和PEEK作为SIC的联接体，将SIC晶粒充分包裹，使之形成交联状态，同时也作为材料中的软质相成在，PPS和PEEK加入碳纤维后，其韧性好、蠕变率低且耐高温。SIC作为此材料中的硬质相，其硬度本身很高，以晶粒状态镶嵌在PPS和PEEK机体中，成为此材料的主体即硬质相，具有很高的耐磨性。在耐化学腐蚀方面，由于PPS和PEEK本身具有很强的耐化学腐蚀性能，使用此材料几乎能耐所有的化学腐蚀，在强氧化介质中，应将PPS改为氧化聚苯硫醚使用和添加。
分别用在不同的行业、不同的工位和CD4MCU、工业陶瓷、高分子量聚乙烯为过流部件材料的泵进行比较和测试，结论如下：
1）PPS+SIC复合材料和CD4MCU双相不锈钢性能比较
用相同设计参数两种不同材料的泵型安装在某磷化工厂，输送介质为萃取磷酸料浆进行测试，结果表明PPS+SIC材料生产的泵型其使用寿命是CD4MCU材料的三倍，其过流部件材料完全能抵抗磷酸料浆的腐蚀和冲刷，其综合性价比为CD4MCU材料的两倍以上。
2）PPS+SIC复合材料和工业陶瓷材料性能比较
现在我国生产的工业陶瓷材料一般为SIC+SIN两种材料进行烧结而成，此材料据有很高的硬度值（HRA达70以上），但其一个最大的不足就是很难解决此材料的韧性问题。我们制造了一台技术参数和现有陶瓷材料一样的泵在某电解锌厂进行测试使用，结果如下：
泵技术参数：流量Q=80m3/h，扬程H=50m，电机功率W=37KW，介质：电解锌萃取液，含固量：35%，最大颗粒物：3毫米，PH=1～3。在同样的工位上两台泵进行运转试验，其过流部件材料为陶瓷的寿命为185天，损坏形式为磨损和检修损坏。过流部件为SIC+PPS的泵使用寿命为420天，主要损坏形式为磨损。由此可以看出SIC+PPS的工程材料在含高腐蚀和高磨损的冶金行业用泵上比陶瓷材料有明显的优势。其最大的特点是解决了陶瓷材料的脆性问题。
3）PPS+SIC复合材料和高分子量聚乙烯性能比较
高分子量聚乙烯材料也用于工业用泵的过流部件材料生产，一般为模压和注塑成型，由于其主要机体为塑料，能耐一般的化学介质腐蚀，但其耐磨性和耐温性却不如不锈钢和陶瓷材料。我们选择了一处磷酸介质温度为125℃的工位进行对比试验，结果表明：高分子量聚乙烯生产的泵类在此温度下有明显的蠕变和机械性能的下降，和原金属壳体有明显的剥离现象，基本处于失效状态。而PPS+SIC生产的泵类零件却完好无损，由此验证了此工程材料可以在125℃的较高温度下正常使用。
通过以上三种材料的对比试验我们可以看出，PPS+SIC复合材料用于工业用泵，尤其在需耐磨损和腐蚀的冶金和化学工业用泵上比现在的不锈钢、陶瓷和高分子量聚乙烯材料有明显的优势，在综合性价比上远远高于以上三种材料，是一种值得在泵行业推广和运用的新型材料，由于其制造工艺的特殊性，使PPS+SIC复合材料的单件、大型化零件生产变得成为可能。
如图1所示，基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料应用于工业泵中，泵体1为本发明所述的聚苯硫醚和碳化硅复合材料制成，主轴A4的端部安装叶轮A2，叶轮A2位于泵体1内部，采用机封室A3将泵体1和主轴A4密封起来，主轴A4安装在机体5上，具有腐蚀性的物料在被泵输送时，只与泵体1接触，其化学稳定性、机械性能良好，使泵体1的使用寿命大幅度提高。
如图2所示，对物料冲击力较大的工业泵来讲，仅仅用聚苯硫醚和碳化硅复合材料来作为壳体，其强度还是无法满足强度要求的，因此对大型工业泵采用这样的结构：壳体6的内壁上设置有衬里7，壳体6的中心处还安装有主轴B8，主轴B8与壳体6之间还设置有机封室B9，主轴B8的端部伸入衬里7的内部，主轴B8的端部安装有叶轮B10，这样叶轮B10在转动时，物料的离心力作用在衬里7上，衬里7外部有壳体6支撑，达到强度要求，物料直接与衬里7接触，衬里7采用本发明的复合材料制成，具有优异的化学稳定性，又满足耐腐蚀性要求。
Claims (4)
1.一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料，其特征在于：它包括下列组分：聚苯硫醚：10～50份；碳化硅：20～70份；碳纤维：5～20份；聚醚醚酮4～30份；偶联剂2～10份。
2.一种如权利要求1所述的基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、混料：将上述比例量的聚苯硫醚、碳化硅、碳纤维和聚醚醚酮进行充分搅拌，混合均匀后加入比例量的偶联剂，至湿润状态；
S2、模具成型：将上述混合均匀的混合物加入木模中，充分夯实，并在室温环境下保持5h～7h，充分定型；
S3、干燥：将零件从木模中取出，在室温环境下放置24h～38h，至零件充分干燥；
S4、高温热处理：将步骤S4得到的零件放入热处理炉中，加热至360℃～380℃，然后保温10h～14h，聚苯硫醚和聚醚醚酮充分熔化，并与碳纤维和碳化硅的硬质相形成包裹和交联状态后，取出缓慢冷却至室温；
S5、退火热处理：将经过高温热处理的零件加热到250℃～270℃，保温24h～36h，至聚苯硫醚形成交联状态后取出；
S6、机加工：按照工艺要求，对步骤S6所得到的零件进行机械加工。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的制备工艺，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷、钛酸酯、磷酸酯、铬络合物或锆类偶联剂中的至少一种。
4.如权利要求1、2或3所述的一种基于聚苯硫醚和碳化硅复合材料的用途，其特征在于：它用于制造工业用泵的泵体、叶轮或泵护板。
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