CN105602190A - 一种耐摩擦peek复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐摩擦peek复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐摩擦PEEK复合材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域，所述的耐摩擦PEEK复合材料中各个组分的添加比例为：玻纤1-50份、聚四氟乙烯1-40份、PEEK？40-90份、聚芳醚酮偶联剂1-10份、其他填料1-40份，其制备方法的具体步骤为：1）采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥；2）采用高速混合机将配方量的各个组分混合均匀；3）使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，风冷至常温，进行切粒；4）将切出的颗粒物料进行干燥处理；5）采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料制成符合要求的形状。本发明解决常规填充物分散不佳及基体间界面结合力低的问题，有效地降低PEEK摩擦系数，同时提高了力学性能，提供了一种品质较优，成本低的PEEK复合材料。

Description

一种耐摩擦PEEK复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体地说，涉及一种耐摩擦PEEK复合材料及其制备方法。
背景技术
材料、能源、信息是现代科学技术的三大支柱，新材料是发展高新技术的先导，世界各工业发达国家都把新材料及相关技术放在突出地位，列入国家关键技术之中。“复合材料是一个连续相与一个分散相的复合，两个或多个连续相与一个或多个分散相在每个连续相中复合的材料”。目前，人们已经充分认识到组合两种或更多种的物质来提高材料在摩擦学性能上的质量或改善材料的结构、成分来满足现实社会的各种需求。于是，复合材料的发展受到人们的普遍关注。
PEEK复合材料因其良好的综合性能，已经在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。目前，为了进一步改善PEEK的摩擦性能，通常对PEEK进行改性，改性的方式有纤维增强、无机矿物填充以及和其他有机物的共混改性，降低材料的成本，从而扩大了PEEK的使用范围。
纤维改善PEEK材料摩擦性能方面主要是短碳纤维增强PEEK复合材料，由于碳纤维增强效应抵消树脂的热软化以及形成强度非常高的转移膜，有效保护接触区域，CF/PEEK复合材料的摩擦系数与比磨损率明显比纯PEEK低。从而达到改善PEEK材料摩擦性能的目的。无机填料填充聚合物不仅起到承载、减小变形作用，还可以使高聚物薄膜转移，改善转移膜的附着强度，减小摩擦，降低磨损，形成自润滑复合材料。目前，应用无机填料改善PEEK材料摩擦性能的无机填料种类主要有CuS、CuF2、Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3和TiO2等。
但是，纤维表面光滑、惰性与基体的粘合力差，因而单纯的纤维改善PEEK复合材料界面粘合强度低，当材料受外力作用时，纤维容易从基体中拔出，负荷不能有效的通过界面传递。无机填料填充和有机高分子材料改性PEEK材料时，容易出现分散不佳及基体间界面结合力低的问题，同时无机填料填充和有机高分子材料不能有效的降低PEEK复合材料的成本。
发明内容
针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，通过加入玻纤、聚四氟乙烯、聚芳醚酮偶联剂及其他填料对PEEK进行改性，改善其摩擦性能，降低复合材料的成本，使复合材料能更广泛的应用到汽车、航空航天、加工制造等领域。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种耐摩擦PEEK复合材料，所述的耐摩擦PEEK复合材料由玻纤(GF)、聚四氟乙烯(PTFE)、PEEK、聚芳醚酮偶联剂及其他填料混合构成，其中各个组分的添加比例为：玻纤为1-50份、聚四氟乙烯为1-40份、PEEK为40-90份、聚芳醚酮偶联剂为1-10份、其他填料为1-40份。
作为优选，所述玻纤的纤维长度为0.3～0.6mm。
作为优选，所述的聚芳醚酮偶联剂为自制偶联剂，主要成分为硅烷偶联剂和聚芳醚酮液晶；所述的其他填料的主要成分为石墨颗粒、玻纤相容剂、耐高温抗氧剂。
作为优选，所述的耐摩擦PEEK复合材料各个组成成分的最优配比为：玻纤为20份、聚四氟乙烯为10份、PEEK为60份、聚芳醚酮偶联剂为2份、其他填料为10份。
一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)一次干燥：采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥，温度设置为60～200℃，干燥时间为0.5～10h；
2)高速混合：采用高速混合机将配方量的玻纤、聚四氟乙烯、PEEK、聚芳醚酮偶联剂及其他填料进行混料，使其混合均匀；
3)挤出造粒：使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，挤出机的参数设置为一区温度为350～400℃，二区温度为350～400℃，三区温度为350～400℃，四区温度为350～400℃，五区温度为350～400℃，机头温度为350～400℃，主机频率为100～400Hz，喂料频率为10～40Hz；将挤出的料条风冷至常温后，进行切粒，切出的颗粒为1～10mm长的圆柱形颗粒物料；
4)二次干燥：将切出的颗粒物料进行干燥处理，温度设置为60～200℃，干燥时间为0.5～10h；
5)注塑成型：采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料制成符合要求的形状，其中，注塑机的参数设置为注塑温度为350～400℃，注塑压力为30～120MPa，储料压力为30～120MPa，关模压力为20～60MPa，模具温度为60～200℃，螺杆转速为20～160r/min。
步骤1)中，优选的一次干燥条件为：温度150℃，干燥时间2h。
步骤3)中，优选的挤出机参数设置为一区温度为370℃，二区温度为375℃，三区温度为375℃，四区温度为375℃，五区温度为375℃，机头温度为380℃，主机频率为20Hz，喂料频率为10Hz；切出的颗粒优选为3mm长的圆柱形颗粒物料。
步骤4)中，优选的二次干燥条件为：温度150℃，干燥时间2h。
步骤5)中，优选的注塑机参数设置为：注塑温度为380℃，注塑压力为90MPa，储料压力为110MPa，关模压力为33MPa，模具温度为180℃，螺杆转速为80r/min。
本发明的有益效果：
(1)本发明在PEEK复合材料中，加入了自制的聚芳醚酮偶联剂，能使GF及其他填料更好的分散在PEEK树脂中，解决常规填充物分散不佳及基体间界面结合力低的问题；
(2)本发明在PEEK中加入GF、PTFE、PEEK、聚芳醚酮偶联剂及其他填料，其中聚四氟乙烯的光滑分子结构有助于使转移膜更光滑，固体润滑效果也更好，能有效地降低聚醚醚酮(PEEK)摩擦系数，同时提高了力学性能；
(3)本发明在PEEK树脂中加入的填料及玻纤加入量约40％，大大降低了所制备PEEK复合材料的成本，一定程度上解决了PEEK产品成本高、价格昂贵的因素，使其能更广泛的应用到汽车、航空航天、加工制造等领域。
(4)本发明在制备过程中，复合材料加工的温度、双螺杆挤出机的控制参数及注塑机的控制参数与复合材料配比整体配合，制得产品性能较好，品质更优的PEEK复合材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)一次干燥：采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥，温度设置为100℃，干燥时间为10h；
2)高速混合：采用高速混合机将配方量的玻纤25份、聚四氟乙烯5份、PEEK60份、聚芳醚酮偶联剂2份及其他填料8份进行混料，使其混合均匀，其中，玻纤的纤维长度为0.3～0.6mm；
3)挤出造粒：使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，挤出机的参数设置为一区温度为350℃，二区温度为350℃，三区温度为350℃，四区温度为350℃，五区温度为350℃，机头温度为350℃，主机频率为240Hz，喂料频率为12Hz；将挤出的料条风冷至常温后，进行切粒，切出的颗粒为1mm长的圆柱形颗粒物料；
4)二次干燥：将切出的颗粒物料进行干燥处理，温度设置为120℃，干燥时间为10h；
5)注塑成型：采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料制成符合要求的形状，其中，注塑机的参数设置为注塑温度为350℃，注塑压力为30MPa，储料压力为30MPa，关模压力为20MPa，模具温度为60℃，螺杆转速为20r/min。
实施例2
一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)一次干燥：采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥，温度设置为150℃，干燥时间为2h；
2)高速混合：采用高速混合机将配方量的玻纤20份、聚四氟乙烯10份、PEEK60份、聚芳醚酮偶联剂2份及其他填料10份进行混料，使其混合均匀，其中，玻纤的纤维长度为0.3～0.6mm；
3)挤出造粒：使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，挤出机的参数设置为一区温度为370℃，二区温度为375℃，三区温度为375℃，四区温度为375℃，五区温度为375℃，机头温度为380℃，主机频率为200Hz，喂料频率为30Hz；将挤出的料条风冷至常温后，进行切粒，切出的颗粒为3mm长的圆柱形颗粒物料；
4)二次干燥：将切出的颗粒物料进行干燥处理，温度设置为150℃，干燥时间为2h；
5)注塑成型：采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料制成符合要求的形状，其中，注塑机的参数设置为注塑温度为380℃，注塑压力为90MPa，储料压力为110MPa，关模压力为33MPa，模具温度为180℃，螺杆转速为80r/min。
实施例3
一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)一次干燥：采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥，温度设置为200℃，干燥时间为10h；
2)高速混合：采用高速混合机将配方量的玻纤50份、聚四氟乙烯40份、PEEK90份、聚芳醚酮偶联剂10份及其他填料40份进行混料，使其混合均匀，其中，玻纤的纤维长度为0.3～0.6mm；
3)挤出造粒：使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，挤出机的参数设置为一区温度为400℃，二区温度为400℃，三区温度为400℃，四区温度为400℃，五区温度为400℃，机头温度为400℃，主机频率为400Hz，喂料频率为40Hz；将挤出的料条风冷至常温后，进行切粒，切出的颗粒为10mm长的圆柱形颗粒物料；
4)二次干燥：将切出的颗粒物料进行干燥处理，温度设置为200℃，干燥时间为0.5h；
5)注塑成型：采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料制成符合要求的形状，其中，注塑机的参数设置为注塑温度为400℃，注塑压力为120MPa，储料压力为120MPa，关模压力为60MPa，模具温度为200℃，螺杆转速为160r/min。
实施例4
一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)一次干燥：采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥，温度设置为200℃，干燥时间为10h；
2)高速混合：采用高速混合机将配方量的玻纤1份、聚四氟乙烯1份、PEEK40份、聚芳醚酮偶联剂1份及其他填料1份进行混料，使其混合均匀，其中，玻纤的纤维长度为0.3～0.6mm；
3)挤出造粒：使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，挤出机的参数设置为一区温度为400℃，二区温度为400℃，三区温度为400℃，四区温度为400℃，五区温度为400℃，机头温度为400℃，主机频率为100Hz，喂料频率为10Hz；将挤出的料条风冷至常温后，进行切粒，切出的颗粒为10mm长的圆柱形颗粒物料；
4)二次干燥：将切出的颗粒物料进行干燥处理，温度设置为200℃，干燥时间为0.5h；
5)注塑成型：采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料制成符合要求的形状，其中，注塑机的参数设置为注塑温度为400℃，注塑压力为120MPa，储料压力为120MPa，关模压力为60MPa，模具温度为200℃，螺杆转速为160r/min。
实验分析
以下数据为实施例2的性能数据，并与一般PEEK性能做出了比较，本配方不但保持了PEEK复合材料的弯曲性能，同时冲击性能得到了很大程度的提高。
本发明在PEEK复合材料中，加入了自制的聚芳醚酮偶联剂，聚芳醚酮偶联剂不但具有传统偶联剂的特点，还能起到降低聚醚醚酮树脂粘度的作用，能使GF及其他填料更好的分散在PEEK树脂中，解决常规填充物分散不佳及基体间界面结合力低的问题；本发明在PEEK中加入GF、PTFE、聚芳醚酮偶联剂及其他填料，其中聚四氟乙烯的光滑分子结构有助于使转移膜更光滑，固体润滑效果也更好，能有效地降低PEEK摩擦系数，同时提高了力学性能；本发明在PEEK树脂中加入的填料及玻纤加入量约40％，大大降低了所制备PEEK复合材料的成本，一定程度上解决了PEEK产品成本高、价格昂贵的因素，使其能更广泛的应用到汽车、航空航天、加工制造等领域；本发明在制备过程中，复合材料加工的温度、双螺杆挤出机的控制参数及注塑机的控制参数与复合材料配比整体配合，制得产品性能较好，品质更优的PEEK复合材料。
最后说明，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种耐摩擦PEEK复合材料，其特征在于：所述的耐摩擦PEEK复合材料由玻纤、聚四氟乙烯、PEEK、聚芳醚酮偶联剂及其他填料混合构成，其中各个组分的添加比例为：玻纤为1-50份、聚四氟乙烯为1-40份、PEEK为40-90份、聚芳醚酮偶联剂为1-10份、其他填料为1-40份。
2.根据权利要求1所述的一种耐摩擦PEEK复合材料，其特征在于：所述玻纤的纤维长度为0.3～0.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种耐摩擦PEEK复合材料，其特征在于：所述的聚芳醚酮偶联剂为自制偶联剂，主要成分为硅烷偶联剂和聚芳醚酮液晶；所述的其他填料的主要成分为石墨颗粒、玻纤相容剂、耐高温抗氧剂。
4.根据权利要求1所述的一种耐摩擦PEEK复合材料，其特征在于：所述的耐摩擦PEEK复合材料各个组成成分的最优配比为：玻纤为20份、聚四氟乙烯为10份、PEEK为60份、聚芳醚酮偶联剂为2份、其他填料为10份。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)一次干燥：采用干燥箱对PEEK粉末进行干燥，温度设置为60～200℃，干燥时间为0.5～10h；
2)高速混合：采用高速混合机将配方量的玻纤、聚四氟乙烯、PEEK、聚芳醚酮偶联剂及其他填料进行混料，使其混合均匀；
3)挤出造粒：使用双螺杆配混挤出机对混合后的物料进行挤出造粒，挤出机的参数设置为一区温度为350～400℃，二区温度为350～400℃，三区温度为350～400℃，四区温度为350～400℃，五区温度为350～400℃，机头温度为350～400℃，主机频率为100～400Hz，喂料频率为10～40Hz；将挤出的料条风冷至常温后，进行切粒，切出的颗粒为1～10mm长的圆柱形颗粒物料；
4)二次干燥：将切出的颗粒物料进行干燥处理，温度设置为60～200℃，干燥时间为0.5～10h；
5)注塑成型：采用常规注塑方法，将二次干燥处理后的颗粒物料注塑成型，其中，注塑机的参数设置为注塑温度为350～400℃，注塑压力为30～120MPa，储料压力为30～120MPa，关模压力为20～60MPa，模具温度为60～200℃，螺杆转速为20～160r/min。
6.根据权利要求5所述的一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，优选的一次干燥条件为：温度150℃，干燥时间2h。
7.根据权利要求5所述的一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，优选的挤出机参数设置为一区温度为370℃，二区温度为375℃，三区温度为375℃，四区温度为375℃，五区温度为375℃，机头温度为380℃，主机频率为20Hz，喂料频率为10Hz；切出的颗粒优选为3mm长的圆柱形颗粒物料。
8.根据权利要求5所述的一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其特征在于：步骤4)中，优选的二次干燥条件为：温度150℃，干燥时间2h。
9.根据权利要求5所述的一种耐摩擦PEEK复合材料的制备方法，其特征在于：步骤5)中，优选的注塑机参数设置为：注塑温度为380℃，注塑压力为90MPa，储料压力为110MPa，关模压力为33MPa，模具温度为180℃，螺杆转速为80r/min。
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