CN104419206A - 一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料及其制备方法，包括百分比的组分：聚苯硫醚树脂45-65%、高性能纤维20-40%、空心玻璃微珠10-20%、相容剂3-5%、偶联剂0.5-1.5、润滑剂0.3-1%、母粒2-4%。本实验的优点在于：通过高性能的纤维增强和特殊的增韧体系和复合技术，大幅度的提升材料的耐高抗冲击强度、耐腐蚀性和韧性等性能。利用该复合材料，采用模压成型工艺和注塑成型工艺制备耐高抗冲击、耐腐蚀的组件。

Description

一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料的制备，特别是涉及一种可用于耐高抗冲击强度、耐腐蚀的聚苯硫醚复合材料及其制备方法，可以解决聚苯硫醚用做涡轮叶片高抗冲击强度断裂、耐腐蚀的问题。

背景技术

聚苯硫醚（PPS）具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高绝缘、阻燃等特点，而获得广泛的应用，是高性能工程塑料中工业化程度最高的材料。PPS主链上大量存在的苯环增加了刚性，但使其冲击韧性不高；并且无定型相的玻璃化转变温度较低（Tg=85℃），使其应用受到一定的限制，通常将其与纤维进行复合，以获得更高的强度和高温稳定性，PPS复合材料是目前用于涡轮叶片最理想的高性能工程塑料。在工业应用中，组件的耐高冲击强度要求很高是困扰涡轮叶片制造者的难题，目前采用的方法有：1.选用国外进口的高强度高韧性材料，但进口材料的价格偏高。2.选用添加了大量增韧剂的复合材料，虽然产品韧性上能够满足，但材料流动性差，难以保证成型工艺的稳定性。

工业上先后采用了各种耐腐蚀材料或耐腐蚀处理方法来制造耐腐蚀涡轮叶片，主要包括：直接采用不锈钢制作组件，在组件的表面衬陶瓷、衬橡胶或衬聚四氟乙烯等耐腐蚀塑料，这些方法无疑极大地改善了组件的耐腐蚀性能，但同时也存在着各自的缺点：不锈钢制作组件原料价格成本高，且耐腐蚀性能力不高；衬胶或衬塑组件，由于表面衬材与铸铁热胀系数的差别，在受热或受冷的过程中易造成表面衬层的分离或脱落；陶瓷组件或衬陶瓷组件韧性不足，易破坏，且制造工艺过程过于复杂。

开发高性能聚苯硫醚全塑组件，利用聚苯硫醚材料固有的耐腐蚀性，是解决组件耐腐蚀问题的一个重点。全塑料叶片是指叶片的过流组件都有工程塑料制造，全塑料叶片主要有以下优点：塑料成型过程生产率高，节约能源；可以实现进型成型，后加工量很少；材料价格低；耐腐蚀能力强，在某些情况下可代替或超过不锈钢和铜；与表面涂耐腐蚀层的金属叶片相比，不存在涂层磨损和脱层的问题，耐腐蚀寿命更长。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料，并在此基础上提出了应用该复合材料制备组件连接处易开裂断裂和材料耐腐蚀叶片过流组件的工艺。

本发明的目的是通过下列技术方案实现的。

一、实验配方组分配比

一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料，包括下列重量百分子的组分：聚苯硫醚树脂45-65%、高性能纤维20-40%、空心玻璃微珠10-20%、相容剂3-5%、偶联剂0.5-1.5、润滑剂0.3-1%、母粒2-4%。

二、物料的选择

本实验高性能纤维包括：短切碳纤维、短切玻纤、长纤维、天然纤维、石英纤维。

本实验相容剂为无定型苯乙烯-丁二烯共聚物（SB）、接枝型马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯/苯乙烯嵌段共聚物、嵌段型丁苯共聚物（SBS）、苯乙烯三段嵌段共合物弹性体中的一种或多种复配。

本实验偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、有机铬络合物偶联剂和其他类型偶联剂中的一种或多种复配。

三、空心玻璃微珠的选择和作用

本发明采用空心玻璃微珠作为润滑填料。空心玻璃微珠坚硬耐磨，且表观密度大。大小均匀，完全规则的球形玻璃微珠将可以更有效地提高复合材料的摩擦性能，由于聚苯硫醚对空心玻璃微珠有很好的润滑性及粘结性，与其他耐磨塑料相比，聚苯硫醚/空心玻璃微珠复合材料的相界面结构发生了很大的变化，填料与基体的结合强度较高，不易从摩擦面上脱落，耐摩性得到很大的提高。

由于空心玻璃微珠是微小的圆球，在液体的树脂中要比片状、针状或不规则形状的填料更具有良好的流动性，所以充模性能优异。更重要的是这种小微珠是各向同性的，因此不会产生因取向造成不同部位收缩率不一致的弊病，保证了产品的尺寸稳定。

由于“刚性粒子增韧效应”，空心玻璃微珠对提高聚苯硫醚的冲击强度也有很明显的作用。

三、高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法如下

将聚苯硫醚树脂45-65%、空心玻璃微珠10-20%、相容剂3-5%和偶联剂0.5-1.5先加入高混机中，低速搅拌1分钟，再将润滑剂0.3-1%和母粒2-4%加入高混机中，高速搅拌2-3分钟；将物料置入双螺杆挤出机中，挤出温度控制在260-320℃，通过挤拉包覆口模时添加高性能纤维；挤出料经风冷、切粒得到一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料颗粒。

由于温度低于260℃易造成流动性不好造成塑化不均匀，温度高于320℃易造成原料热分解加速所以，挤出机控制温度在260-320℃。

四、成型工艺

本发明诉述的一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料，可以采用模压成型工艺和注塑成型工艺。

注塑成型工艺为：将聚苯硫醚复合材料干燥处理后，在螺杆注塑机中注塑成型，注塑过程中料筒温度为290-350℃，注塑压力60-150MPa，模具温度控制在110-150℃，低于110℃，熔体冷却过速易导致冲模不完全，高于150℃则产品出模后收缩变形严重。

模压成型工艺为：将聚苯硫醚复合材料粒料干燥处理；干燥后的聚苯硫醚复合材料粒料加入模具中，加热到130℃后进行一次压，压力为3-5MPa；将模具加热到310-360℃后，加压到10-30MPa进行二次压制。模具冷却到130℃后，卸压出模，即制的成型胚件。

本工艺干燥处理条件为150℃下干燥2-4h。当温度低于310℃，聚苯硫醚复合材料熔体流动性不好，高于360℃，则长时间加热导致聚苯硫醚复合材料流体分解严重。模具温度必须降到130℃出模，否则产品收缩变形严重。采用模压成型的工艺，不但容易成型大型厚壁的制件，而且产品尺寸精度高。

从本发明的上述技术特征可以看出，本发明的优点在于：通过用高性能的纤维增强和特殊的增韧体系和复合技术，大幅度的提升材料的耐高抗冲击强度、耐腐蚀性和韧性等性能。利用该复合材料，采用模压成型工艺和注塑成型工艺制备耐腐蚀涡轮叶片的组件。另外，本发明一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料的熔体流动性好易注塑成型。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明涉及的技术方案进行一步描述，但不作为对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种高性能纤维复合材料采用下列重量百分比的组分:聚苯硫醚树脂50%、空心玻璃微珠12%、马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯/苯乙烯嵌段共聚物3%、硅烷偶联剂（KH550）0.8%、硅酮母粒（ST-LS100）0.5%和母粒4%。

按照上述配比称取相应的原料，其中，聚苯硫醚应于120℃鼓风干燥处理4h，空心玻璃微珠大小为2微米，用硅烷偶联剂（KH550）处理干燥。聚苯硫醚树脂、空心玻璃微珠、相容剂和偶联剂先加入高混机中，低速搅拌1分钟，再将润滑剂和母粒加入高混机中，高速搅拌2-3分钟；将物料置入双螺杆挤出机中经熔融挤出造粒，挤出工艺为：一段温度295℃、二段温度300℃、三段温度305℃、四段温度315℃、五段温度315℃、机头温度320℃。主机频率：40Hz；喂料频率：10Hz；从侧喂料口加入高性能纤维，含量控制在35%、切粒机转速：450r/min；将挤出的物料冷却，送入切粒机中切粒，将切好的粒子打包，即得到一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料。

应用上述聚苯硫醚复合材料，采用注塑成型工艺制备耐腐蚀、耐高抗冲击涡轮叶片过流组件，其过程为：将聚苯硫醚复合材料置于干燥箱中在150℃下干燥2h后，在螺杆注塑机中注塑成型，注塑过程中料筒温度为：300℃，螺杆转速为75ppm，注塑压力为130MPa，模具温度控制在130℃。

实施例2

一种高性能纤维复合材料采用下列重量百分比的组分:聚苯硫醚树脂62%、空心玻璃微珠15%、马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯/苯乙烯嵌段共聚物4%、硅烷偶联剂（KH550）0.6%、硅酮母粒（ST-LS100）0.6%和母粒4%。

按照上述配比称取相应的原料，其中，聚苯硫醚应于120℃鼓风干燥处理4h，空心玻璃微珠大小为18微米，用硅烷偶联剂（KH550）处理干燥。聚苯硫醚树脂、空心玻璃微珠、相容剂和偶联剂先加入高混机中，低速搅拌1分钟，再将润滑剂和母粒加入高混机中，高速搅拌2-3分钟；将物料置入双螺杆挤出机中经熔融挤出造粒，挤出工艺为：一段温度295℃、二段温度300℃、三段温度305℃、四段温度315℃、五段温度315℃、机头温度320℃。主机频率：40Hz；喂料频率：10Hz；从侧喂料口加入高性能纤维，含量控制在25%、切粒机转速：450r/min；将挤出的物料冷却，送入切粒机中切粒，将切好的粒子打包，即得到一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料。

应用上述聚苯硫醚复合材料，采用模压成型工艺制备耐高抗冲击强度、耐腐蚀性涡轮叶片过流组件，主要包括以下步骤：

将聚苯硫醚复合材料在150℃下干燥2h；干燥后的聚苯硫醚复合材料料粒加入模具中，加热到130℃后进行一次压，压力为3MPa；将模具加热到320℃后，加压到15MPa进行二次压制。模具冷却到130℃后，卸压出模，即制的成型肧件。

实施例3

一种高性能纤维复合材料采用下列重量百分比的组分:聚苯硫醚树脂45%、空心玻璃微珠10%、马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯/苯乙烯嵌段共聚物5%、硅烷偶联剂（KH550）1.0%、硅酮母粒（ST-LS100）0.8%和母粒3%。

按照上述配比称取相应的原料，其中，聚苯硫醚应于120℃鼓风干燥处理4h，空心玻璃微珠大小为32微米，用硅烷偶联剂（KH550）处理干燥。聚苯硫醚树脂、空心玻璃微珠、相容剂和偶联剂先加入高混机中，低速搅拌1分钟，再将润滑剂和母粒加入高混机中，高速搅拌2-3分钟；将物料置入双螺杆挤出机中经熔融挤出造粒，挤出工艺为：一段温度300℃、二段温度305℃、三段温度310℃、四段温度315℃、五段温度320℃、机头温度325℃。主机频率：40Hz；喂料频率：10Hz；从侧喂料口加入高性能纤维，含量控制在40%、切粒机转速：450r/min；将挤出的物料冷却，送入切粒机中切粒，将切好的粒子打包，即得到一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料。

应用上述聚苯硫醚复合材料，采用注塑成型工艺制备耐腐蚀、耐高抗冲击涡轮叶片过流组件，其过程为：将聚苯硫醚复合材料置于干燥箱中在150℃下干燥4h后，在螺杆注塑机中注塑成型，注塑过程中料筒温度为：290℃，螺杆转速为80ppm，注塑压力为140MPa，模具温度控制在140℃。

实施例4

一种高性能纤维复合材料采用下列重量百分比的组分:聚苯硫醚树脂60%、空心玻璃微珠10%、马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯/苯乙烯嵌段共聚物4%、硅烷偶联剂（KH550）0.8%、硅酮母粒（ST-LS100）1.0%和母粒3%。

按照上述配比称取相应的原料，其中，聚苯硫醚应于120℃鼓风干燥处理4h，空心玻璃微珠大小为32微米，用硅烷偶联剂（KH550）处理干燥。聚苯硫醚树脂、空心玻璃微珠、相容剂和偶联剂先加入高混机中，低速搅拌1分钟，再将润滑剂和母粒加入高混机中，高速搅拌2-3分钟；将物料置入双螺杆挤出机中经熔融挤出造粒，挤出工艺为：一段温度295℃、二段温度300℃、三段温度305℃、四段温度315℃、五段温度315℃、机头温度320℃。主机频率：35Hz；喂料频率：13Hz；从侧喂料口加入高性能纤维，含量控制在30%、切粒机转速：480r/min；将挤出的物料冷却，送入切粒机中切粒，将切好的粒子打包，即得到一种高性能纤维聚苯硫醚复合材料。

应用上述聚苯硫醚复合材料，采用模压成型工艺制备耐高抗冲击强度、耐腐蚀性涡轮叶片过流组件，主要包括以下步骤：

将聚苯硫醚复合材料在150℃下干燥4h；干燥后的聚苯硫醚复合材料料粒加入模具中，加热到150℃后进行一次压，压力为4MPa；将模具加热到310℃后，加压到18MPa进行二次压制。模具冷却到150℃后，卸压出模，即制的成型肧件。

Claims (5)

1.一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征在于包括下列重量百分比的组分：聚苯硫醚树脂45-65%、高性能纤维20-40%、玻璃微珠10-20%、相容剂3-5%、偶联剂0.5-1.5%、润滑剂0.3-1%、母粒2-4%。

2.如权利要求1所述的一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征在于：所述的高性能纤维包括：短切碳纤维、短切玻纤、长纤维、天然纤维、石英纤维。

3.如权利要求1所述的一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征在于：所述的相容剂为无定型苯乙烯-丁二烯共聚物（SB）、接枝型马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯/苯乙烯嵌段共聚物、嵌段型丁苯共聚物（SBS）、苯乙烯三段嵌段共合物弹性体中的一种或多种复配。

4.如权利要求1所述的一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、有机铬络合物偶联剂和其他类型偶联剂中的一种或多种复配。

5.如权利要求1所述的一种高性能纤维增强聚苯硫醚复合材料的应用，其特征在于：该聚苯硫醚复合材料用于制备耐高抗冲击强度、耐腐蚀的组件。