CN107286571A - 一种可注塑耐高温耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 30～85份，碳纤维10～40份，改性纳米氮化硼空心微球5～30份；所述改性纳米氮化硼空心微球的制备步骤为：将纳米氮化硼空心微球、全氟聚醚加入高速搅拌机中，80℃下搅拌均匀得到改性纳米氮化硼空心微球。本发明还提供了该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法。本发明所提供的可注塑耐高温耐磨复合材料不需要二次加工，加工简易，产品质量稳定，能应用于要求高PV(压力*速度)和高温度的场合。

Description

一种可注塑耐高温耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可注塑耐高温耐磨复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，在高速、高压、高温等极端耐磨应用环境下所使用的耐磨塑料齿轮、轴承、轴衬或者轴承保持架大多选用氟塑料或全芳香族聚酰亚胺树脂等制造，然而氟塑料或全芳香族聚酰亚胺树脂等不能注塑，机械性能较差，耐疲劳、耐蠕变性能差，使得这类塑料轴承、轴衬的使用受到一定的限制。故开发在高速、高压、高温等极端耐磨应用环境下使用的、能注塑成型的耐磨高分子复合材料成为一个新技术、新课题。
目前，一般认为热塑性塑料是无法满足要求高PV(压力*速度)和高温度的应用场合。这种想法导致大多情况下只能选用氟塑料或全芳香族聚酰亚胺树脂等昂贵的材料解决方案，这些材料需要从毛坯件开始制造，或者需要进行大量二次加工处理，同时它们的机械性能较差，耐疲劳、耐蠕变性能差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可注塑耐高温耐磨复合材料，不需要二次加工，加工简易，产品质量稳定，能应用于要求高PV(压力*速度)和高温度的场合。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 30～85份，碳纤维10～40份，改性纳米氮化硼空心微球5～30份；
所述改性纳米氮化硼空心微球的制备步骤为：
将纳米氮化硼空心微球、全氟聚醚加入高速搅拌机中，80℃下搅拌均匀得到改性纳米氮化硼空心微球。
优选地，所述纳米氮化硼空心微球、全氟聚醚的重量比为99:1。
优选地，所述高速搅拌机的搅拌转速为450转/min。
优选地，所述可注塑耐高温耐磨复合材料由以下重量份数的组分制备而成：PEEK55份，碳纤维25份，改性纳米氮化硼空心微球20份。
本发明要解决的另一技术问题是提供上述可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法。
为解决上述技术问题，技术方案是：
一种可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照重量份数称取各组分，将PEEK、改性纳米氮化硼空心微球混合均匀后得到混合料，将混合料加入挤出机的主喂料口中，将碳纤维加入挤出机的侧喂料口中，经挤出机熔融挤出后从模头的出口引出，水雾喷淋后用传输带拉条，然后用切粒机切粒得到可注塑耐高温耐磨复合材料。
优选地，挤出机的螺杆转速为300～350转/min。
优选地，熔融挤出的温度为260～290℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的基体树脂选择了可塑性很高的PEEK，不需要二次加工，加工简易，产品质量稳定，可保证复合材料的长期耐高温性能，而且其流动性较高，有助于提高耐磨助剂—纳米氮化硼空心微球在基体树脂中的分散；经测试，本发明的热变形温度高达280℃以上，长期耐热温度可达240℃以上。
2.本发明的耐磨助剂选择了纳米级的氮化硼空心微球，不但能提高PEEK的耐磨性能，而且对复合材料的机械性能尤其是冲击性能的影响比普通规格的氮化硼空心微球小，此外由于氮化硼属于无机材料，其熔点极高，故而能保证本发明在高温、高PV值应用场合下保持卓越的耐磨性能；经测试，在高温205℃，PV值达3500(Kpa*1.0m/s)时，本发明的耐磨因子为46(mm3/N·m)10E-8，同样条件下，PI(热固型聚酰亚胺)的耐磨因子为80(mm3/N·m)10E-8,而PTFE(聚四氟乙烯)已无法使用，由此可见，本发明的耐磨性能非常好。
3.本发明添加的纳米氮化硼空心微球和碳纤维具有高导热的性能，故而大大提高了复合材料的导热系数，在水平方向可达10W/(m.K)，使得本发明在高温、高PV值下摩擦时能快速传导热量，从而避免因局部过热而导致材料失效。
4.由于纳米级氮化硼空心微球的表观密度较小，导致其在材料加工时下料困难，故本发明使用全氟聚醚(PFPE)对其进行表面处理，大大提高了其添加量以及在PEEK中的分散性，进一步提高复合材料的耐磨性能；此外，PFPE具有优异耐热性，其热稳定性高达PEEK的加工温度，因此可作为脱模剂来提高PEEK的脱模性能，还能降低PEEK的摩擦系数，而且析出较少，可减少模具积垢，从而提高生产效率。
5.相对于普通纳米氮化硼，本发明选择的纳米氮化硼空心微球不会增加复合材料的比重，对耐磨因子的降低效果更好，而且能有效降低复合材料的介电常数，使得本发明还能应用于低介电常数场合。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 55份，碳纤维25份，改性纳米氮化硼空心微球20份。
该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法包括以下步骤：
S1.将重量比为99:1的纳米氮化硼空心微球、全氟聚醚加入搅拌转速为450转/min的高速搅拌机中，80℃下搅拌均匀得到改性纳米氮化硼空心微球；
S2.按照重量份数称取各组分，将PEEK、改性纳米氮化硼空心微球混合均匀后得到混合料，将混合料加入螺杆转速为300～350转/min的挤出机的主喂料口中，将碳纤维加入挤出机的侧喂料口中，经挤出机260～290℃温度下熔融挤出后从模头的出口引出，水雾喷淋后用传输带拉条，然后用切粒机切粒得到可注塑耐高温耐磨复合材料。
实施例2
可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 30份，碳纤维40份，改性纳米氮化硼空心微球30份。
该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法与实施例1相同。
实施例3
可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 85份，碳纤维10份，改性纳米氮化硼空心微球5份。
该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法与实施例1相同。
实施例4
可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 60份，碳纤维30份，改性纳米氮化硼空心微球10份。
该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法与实施例1相同。
实施例5
可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 40份，碳纤维35份，改性纳米氮化硼空心微球25份。
该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法与实施例1相同。
实施例6
可注塑耐高温耐磨复合材料，由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 70份，碳纤维15份，改性纳米氮化硼空心微球15份。
该可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法与实施例1相同。
对比例1
与实施例1所不同的是改性纳米氮化硼空心微球替换为纳米氮化硼空心微球，制备方法中不包括S1。
对比例2
与实施例1所不同的是改性纳米氮化硼空心微球替换为改性纳米氮化硼。
经测试，实施例1-6、对比例1-2的各项性能如表1所示：
表1
关于机械性能(拉伸强度、拉伸模量、缺口冲击强度)，实施例1-6、对比例2均好于对比例1，表明改性处理能有效提高纳米氮化硼空心微球在PEEK中的分散性从而避免对机械性能的不良影响。
关于耐高温性能，可用表1中的热变形温度来表征，热变形温度越高表明耐高温性能越好，实施例1-6、对比例2的热变形温度均略高于对比例1，表明本发明的耐高温性能很好，改性处理能有效提高纳米氮化硼空心微球在PEEK中的分散性从而进一步提高耐高温性能。
关于耐磨性能，可用表1中的耐磨因子来表征，该数值越小表明耐磨性能越好，实施例1-6的耐磨因子处于最小水平，然后从小到大依次是对比例2、对比例1，表明本发明的耐磨性能很好，本发明采用的改性纳米氮化硼空心微球对复合材料耐磨性能的提高效果好于改性纳米氮化硼，另一方面，改性处理能有效提高纳米氮化硼空心微球在PEEK中的分散性从而进一步提高耐磨性能。
关于密度，实施例1-6、对比例1均小于对比例2，说明相对于改性纳米氮化硼，本发明使用的改性纳米氮化硼空心微球不会增加复合材料的密度。
关于介电常数，实施例1-6处于最低水平，然后从低到高依次是对比例1、对比例2，表明本发明采用的改性纳米氮化硼空心微球对复合材料介电常数的降低效果好于改性纳米氮化硼，另一方面，改性处理能有效提高纳米氮化硼空心微球在PEEK中的分散性从而进一步降低介电常数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理以及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种可注塑耐高温耐磨复合材料，其特征在于：由以下重量份数的组分制备而成：PEEK30～85份，碳纤维10～40份，改性纳米氮化硼空心微球5～30份；
所述改性纳米氮化硼空心微球的制备步骤为：
将纳米氮化硼空心微球、全氟聚醚加入高速搅拌机中，80℃下搅拌均匀得到改性纳米氮化硼空心微球。
2.根据权利要求1所述的一种可注塑耐高温耐磨复合材料，其特征在于：所述纳米氮化硼空心微球、全氟聚醚的重量比为99:1。
3.根据权利要求2所述的一种可注塑耐高温耐磨复合材料，其特征在于：所述高速搅拌机的搅拌转速为450转/min。
4.根据权利要求3所述的一种可注塑耐高温耐磨复合材料，其特征在于：由以下重量份数的组分制备而成：PEEK 55份，碳纤维25份，改性纳米氮化硼空心微球20份。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
按照重量份数称取各组分，将PEEK、改性纳米氮化硼空心微球混合均匀后得到混合料，将混合料加入挤出机的主喂料口中，将碳纤维加入挤出机的侧喂料口中，经挤出机熔融挤出后从模头的出口引出，水雾喷淋后用传输带拉条，然后用切粒机切粒得到可注塑耐高温耐磨复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：挤出机的螺杆转速为300～350转/min。
7.根据权利要求5所述的一种可注塑耐高温耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：熔融挤出的温度为260～290℃。
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