CN109880288A

CN109880288A - 一种聚醚醚酮自润滑复合材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109880288A
Application number: CN201910216013.5A
Authority: CN
Inventors: 张新瑞; 王齐华; 王廷梅; 陶立明
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN109880288B

Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种聚醚醚酮自润滑复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的聚醚醚酮自润滑复合材料，按质量份数计，包括以下制备原料：聚醚醚酮75～89份；短玄武岩切纤维10～20份；碳纤维1～5份。在本发明中，添加短玄武岩切纤维避免了仅采用碳纤维作为填料存在的容易缠绕、不容易与聚醚醚酮基体树脂粉末分散均匀，因而导致聚醚醚酮自润滑复合材料整体性能不佳、批次稳定性差的问题；碳纤维能够使聚醚醚酮自润滑复合材料具有减摩抗磨性能的同时，不降低其机械性能。本发明采用适量的短切玄武岩纤维和炭纤维复合填充聚醚醚酮，制备得到的聚醚醚酮自润滑复合材料可以实现良好机械性能和摩擦学性能的统一。

Description

一种聚醚醚酮自润滑复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种聚醚醚酮自润滑复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚醚醚酮(polyetheretherketone，简称PEEK)是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势，如：耐高低温、机械性能优异、耐化学品腐蚀、阻燃、耐水解和易加工等，在航空航天、汽车制造、电子电器、医疗和食品加工等领域广泛应用。但是，单一PEEK作为润滑材料复杂工况使用时难以满足使用要求，必须在保持其良好机械性能的同时降低摩擦系数、提高抗磨损能力。

在聚醚醚酮中添加纤维(如玻璃纤维)作为增强材料，可以使制备得到的纤维增强聚醚醚酮的摩擦学性能在一定程度上有所改善，但仍不能满足苛刻工况的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚醚醚酮自润滑复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的聚醚醚酮自润滑复合材料具有良好的机械性能和摩擦学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种聚醚醚酮自润滑复合材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚醚醚酮75～89份；

短切玄武岩纤维10～20份；

碳纤维1～5份。

优选地，按质量份数计，所述聚醚醚酮自润滑复合材料包括以下制备原料：

聚醚醚酮75～85份；

短切玄武岩纤维10～20份；

碳纤维4～5份。

优选地，所述聚醚醚酮的粒径为50～75μm。

优选地，所述短切玄武岩纤维的直径为7～25μm，长度为3～25mm。

优选地，所述短切玄武岩纤维的直径为10～13μm，长度为5～8mm。

优选地，所述碳纤维的直径为7μm，长径比为(5～10):1。

本发明提供了上述技术方案所述聚醚醚酮自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚醚醚酮、短切玄武岩纤维和碳纤维混合后进行热模压成型，得到聚醚醚酮自润滑复合材料。

优选地，所述混合在高速搅拌条件下进行；所述搅拌的转速为15000～20000rpm。

优选地，所述热模压成型的温度为380～400℃，压力为40～60MPa，保温保压时间为80～120min。

本发明提供了上述技术方案所述聚醚醚酮自润滑复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的聚醚醚酮自润滑复合材料在冷却液齿轮泵中的应用。

本发明提供了一种聚醚醚酮自润滑复合材料，按质量份数计，包括以下制备原料：聚醚醚酮75～89份；短玄武岩切纤维10～20份；碳纤维1～5份。在本发明中，聚醚醚酮作为树脂基体具有耐高低温、尺寸稳定性好、机械性能优异等优点；短玄武岩切纤维的力学性能好、导热系数好、耐腐蚀性能优越且成本低，避免了仅采用碳纤维作为填料存在的容易缠绕、不容易与聚醚醚酮基体树脂粉末分散均匀，因而导致聚醚醚酮自润滑复合材料整体性能不佳、批次稳定性差的问题；碳纤维相比于传统的石墨、二硫化钼等润滑剂，能够使聚醚醚酮自润滑复合材料具有减摩抗磨性能的同时，不降低其机械性能。本发明采用适量的短切玄武岩纤维和炭纤维复合填充聚醚醚酮，制备得到的聚醚醚酮自润滑复合材料可以实现良好机械性能和摩擦学性能的统一。

具体实施方式

聚醚醚酮75～89份；

短切玄武岩纤维10～20份；

碳纤维1～5份。

按质量份数计，本发明提供的聚醚醚酮自润滑复合材料的制备原料包括聚醚醚酮75～89份，优选为75～85份，更优选为80～85份。在本发明中，所述聚醚醚酮的粒径优选为50～75μm。在本发明中，所述聚醚醚酮具有耐高低温、尺寸稳定性好、机械性能优异等优点；采用上述粒径的聚醚醚酮作为树脂基体，能够与填料均匀混合，树脂基体与填料界面结合良好，有利于提高聚醚醚酮自润滑复合材料的机械性能和摩擦学性能，而粒径过大容易导致制备时热模压成型过程中有气泡产生，使聚醚醚酮自润滑复合材料的内部存有缺陷，降低其机械性能和摩擦学性能，粒径过小容易导致热模压成型过程中树脂溢出量增大，使各组分比例发生变化，批次稳定性下降。

以所述聚醚醚酮的质量份数为基准，本发明提供的聚醚醚酮自润滑复合材料的制备原料包括短切玄武岩纤维10～20份，优选为15～20份。在本发明中，所述短切玄武岩纤维的直径优选为7～25μm，更优选为10～13μm；长度优选为3～25mm，更优选为5～8mm。在本发明中，所述短切玄武岩纤维的力学性能好、导热系数好、耐腐蚀性能优越且成本低，避免了仅采用碳纤维作为填料存在的容易缠绕、不容易与聚醚醚酮基体树脂粉末分散均匀，因而导致聚醚醚酮自润滑复合材料整体性能不佳、批次稳定性差的问题；采用上述尺寸的短切玄武岩纤维作为填料，有利于使碳纤维和聚醚醚酮均匀分散，保证聚醚醚酮自润滑复合材料具有较好的强度和韧性，而尺寸过大会导致短切玄武岩纤维缠绕，不利于使碳纤维均匀分散在聚醚醚酮中，尺寸过小增强效果有限，不能满足使用要求。

以所述聚醚醚酮的质量份数为基准，本发明提供的聚醚醚酮自润滑复合材料的制备原料包括碳纤维1～5份，优选为4～5份。在本发明中，所述碳纤维的直径优选为7μm，长径比优选为(5～10):1。在本发明中，所述碳纤维相比于传统的石墨、二硫化钼等润滑剂，能够使聚醚醚酮自润滑复合材料具有减摩抗磨性能的同时，不降低其机械性能；采用上述尺寸的碳纤维作为填料，有利于使聚醚醚酮自润滑复合材料具有较好的力学性能和摩擦学性能，而尺寸过大会导致其与短切玄武岩纤维发生纠缠，分散不均匀，内应力增大，尺寸过小会显著降低聚醚醚酮的力学强度，不能满足使用要求。

在本发明中，所述聚醚醚酮、短切玄武岩纤维和碳纤维混合优选是先将聚醚醚酮和碳纤维混合，然后将所得混合物料与短切玄武岩纤维混合。在本发明中，各制备原料的混合过程优选在高速搅拌条件下进行，所述搅拌的转速优选为15000～20000rpm；本发明对于所述搅拌的时间(即混合的时间)没有特殊的限定，能够实现各制备原料的均匀混合即可，具体的，聚醚醚酮和碳纤维的混合时间优选为25～30s，所得混合物料与短切玄武岩纤维的混合时间优选为5～10s。本发明在高速搅拌条件下，先将聚醚醚酮和碳纤维混合，然后再与短切玄武岩纤维混合，能够将各制备原料快速混合均匀，避免在混合过程中使短切玄武岩纤维的尺寸变短，进而对最终所得聚醚醚酮自润滑复合材料的性能产生不良影响。

将各制备原料混合均匀后，本发明优选将所得物料倒入模具中，进行热模压成型，之后自然冷却，得到聚醚醚酮自润滑复合材料。在本发明中，所述热模压成型的温度优选为380～400℃，更优选为390～400℃；升温至热模压成型所需温度的升温速率优选为170～190℃/h，更优选为180℃/h；压力优选为40～60MPa，更优选为40～50MPa；保温保压时间优选为80～120min，更优选为100～120min。在热模压成型过程中，聚醚醚酮在高温条件下熔融，同时在高压条件下，聚醚醚酮分子与短切玄武岩纤维和碳纤维之间能够进一步互相渗透，有利于提高最终制备得到的聚醚醚酮复合材料的力学性能和耐摩擦性能。

本发明提供了上述技术方案所述聚醚醚酮自润滑复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的聚醚醚酮自润滑复合材料在冷却液齿轮泵中的应用。冷却液齿轮泵对于复合材料的力学性能和摩擦学性能要求较高，本发明提供的聚醚醚酮自润滑复合材料的弯曲强度为177～182MPa，压缩强度为175～200MPa，摩擦系数为0.17～0.22，磨痕宽度为2.9～3.4mm，具有较好的力学性能和摩擦学性能，能够应用于冷却液齿轮泵中。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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

将聚醚醚酮和短切玄武岩纤维在20000rpm高速搅拌条件下混合30s，将所得混合物料与碳纤维在20000rpm高速搅拌条件下混合10s，将所得物料倒入模具中，进行热模压成型，之后自然冷却，得到聚醚醚酮自润滑复合材料；其中，各制备原料配比列于表1中，操作参数列于表2中。

实施例2～3和对照例1～5

参照实施例1的方法制备各材料，其中，制备原料配比列于表1中，操作参数列于表2中。

表1实施例1～3和对照例1～5中各制备原料的配比

表2实施例1～3和对照例1～5中操作参数

将实施例1～3和对照例1～5中制备的材料进行性能测试，结果如表3所示，其中，相关测试标准或测试条件如下：

(1)弯曲强度：GB/T 1449；

(2)压缩强度：GB/T 1448；

(3)摩擦系数：GB/T 3960，200N，0.43m/s；

(4)磨痕宽度：GB/T 3960，200N，0.43m/s。

表3实施例1～3和对照例1～5制备的材料的性能测试结果

由表3中数据可知，对照例1中制备原料为纯聚醚醚酮，其摩擦系数高，耐磨性差。对照例2为单一玻璃纤维填充聚醚醚酮，所得复合材料的机械强度增加，摩擦系数有所下降，但对耐磨性改善有限。对照例3为玄武岩纤维和石墨填充聚醚醚酮，所得复合材料摩擦学性能改善明显，但是其机械性能严重下降。对照例4为单一玄武岩纤维填充聚醚醚酮，所得复合材料的机械性能改善明显，但是其摩擦系数偏大，耐磨性较差。对照例5为单一碳纤维填充聚醚醚酮，所得复合材料的摩擦学性能改善明显，但其机械性能改善效果有限。而本发明实施例中采用适量的短切玄武岩纤维和炭纤维复合填充聚醚醚酮，制备得到的聚醚醚酮自润滑复合材料可以实现良好机械性能和摩擦学性能的统一。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种聚醚醚酮自润滑复合材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚醚醚酮75～89份；

短切玄武岩纤维10～20份；

碳纤维1～5份。

2.根据权利要求1所述的聚醚醚酮自润滑复合材料，其特征在于，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚醚醚酮75～85份；

短切玄武岩纤维10～20份；

碳纤维4～5份。

3.根据权利要求1或2所述的聚醚醚酮自润滑复合材料，其特征在于，所述聚醚醚酮的粒径为50～75μm。

4.根据权利要求1或2所述的聚醚醚酮自润滑复合材料，其特征在于，所述短切玄武岩纤维的直径为7～25μm，长度为3～25mm。

5.根据权利要求4所述的聚醚醚酮自润滑复合材料，其特征在于，所述短切玄武岩纤维的直径为10～13μm，长度为5～8mm。

6.根据权利要求1或2所述的聚醚醚酮自润滑复合材料，其特征在于，所述碳纤维的直径为7μm，长径比为(5～10):1。

7.权利要求1～6任一项所述聚醚醚酮自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合在高速搅拌条件下进行；所述搅拌的转速为15000～20000rpm。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热模压成型的温度为380～400℃，压力为40～60MPa，保温保压时间为80～120min。

10.权利要求1～6任一项所述聚醚醚酮自润滑复合材料或权利要求7～9任一项所述制备方法制备得到的聚醚醚酮自润滑复合材料在冷却液齿轮泵中的应用。