CN112126191A - 一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明以聚醚醚酮作为基体，通过添加聚酰亚胺、碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨，有效提高了聚醚醚酮复合材料的耐磨擦性能，降低了聚醚醚酮复合材料热膨胀系数，并提高了复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度。本发明制备的聚醚醚酮复合材料，具备低热膨胀、高强度、耐磨、耐腐蚀等特性，可用于制造水、酸、碱、有机溶剂等介质输送用离心泵的耐磨口环，提高离心泵的运转效率，改善离心泵的运行可靠性与寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。
背景技术
离心泵是一种流体输送设备，高性能离心泵在核电、船舶、航空、化工等领域广泛应用。耐磨口环安装于离心泵叶轮和泵体之间，主要作用是防止出口端介质倒流回进口端介质，同时也起耐磨作用，避免叶轮和泵壳直接接触损坏，起保护作用。口环间隙设计直接影响离心泵的运行效率和可靠性，小的口环间隙有利于提高离心泵的运行效率。随着对离心泵效率、运行寿命的更高要求，对口环材料的热膨胀、耐磨性、自润滑性提出了更高的要求。
目前，离心泵耐磨口环主要包括两大类材料：一是金属材料，包括球墨铸铁、黄铜、灰口铸铁、铸钢、不锈钢等，但金属口环在小间隙运行时会跟金属部件发生刮擦乃至剧烈摩擦，迅速升温导致摩擦焊接使泵卡死；二是聚合物复合材料，包括玻璃纤维填充尼龙、青铜填充聚四氟乙烯、玻璃纤维填充聚四氟乙烯、酚醛树脂等，但现有大多数材料的热膨胀系数高(如40％青铜填充的PTFE，大于80ppm/℃)，在高低温工况下口环间隙变化大，泵的效率不稳定，此外材料在低粘度介质流体中使用时的耐磨性不足，会导致运行时口环间隙逐渐变大，难以长期保持稳定高效运转。
聚醚醚酮是一种典型的高性能热塑性聚合物，具有轻质、高强、耐热、耐磨、自润滑、耐化学腐蚀性能，相对于其它特种工程塑料具有诸多优势，在航空航天、机械制造、生物医疗、核电等领域有着广泛的应用，尤其是可用于替代金属材料，在机械设备的结构和功能部件中实现应用。但是纯聚醚醚酮材料用于制造离心泵耐磨口环时，其热膨胀系数、耐磨性、自润滑性能难以满足实际需求。现有采用聚四氟乙烯和聚酰亚胺复合聚醚醚酮的复合材料，具备一定的耐磨和自润滑性，但因聚四氟乙烯本身的热膨胀系数高，且聚四氟乙烯在聚醚醚酮基底中呈海岛状分布，难以与聚醚醚酮完全相容，加入聚四氟乙烯会大幅提高复合材料的热膨胀系数，这难以保障复合材料口环与金属部件在不同温度下的精密配合，影响离心泵的稳定、高效运转。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，一方面降低聚醚醚酮材料的热膨胀，另一方面改善聚醚醚酮材料的耐磨性和自润滑性，以匹配离心泵耐磨口环的应用需求。既可最大程度的减少口环间隙，提升离心泵运行效率，又可降低口环与金属面摩擦后产生的磨损，提升离心泵的运行可靠性，避免非设计工况下离心泵的卡死故障，实现延寿。
本发明的第一个目的是提供一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，按重量百分比计，包括如下组分：聚醚醚酮40-60wt％、聚酰亚胺5-10wt％、磨碎碳纤维30-50wt％、纳米二氧化硅0.5-5wt％和纳米二硫化钨0.5-2wt％。
进一步地，所述的聚醚醚酮的粒径为45-65μm。
进一步地，所述的聚酰亚胺的粒径为50-75μm。
进一步地，所述的磨碎碳纤维的直径为7-10μm，长度为100-200μm。
该尺寸的碳纤维可保障碳纤维粉体在复合材料中的良好分散，有助于提高复合材料强度，降低复合材料热膨胀系数。
进一步地，所述的纳米二氧化硅的粒径为50-100nm。
进一步地，所述纳米二硫化钨的粒径为60-100nm。
本发明的第二个目的是提供所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚醚醚酮、聚酰亚胺、磨碎碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨混合，得到混合物；
(2)将上述混合物进行干燥处理得到干燥后的物料；
(3)将干燥后的物料进行热压成型后脱模取出胚料，其中，成型温度为375-390℃，压力为3-8MPa，保温保压时间为2-4小时；
(4)将模压好的胚料进行后处理，后处理温度为200-220℃，时间为2-4小时，得到聚醚醚酮复合材料。
步骤(1)的目的是为了实现粉体的均匀混合，并且避免高速机械搅拌作用下引起的局部高温，实现粉体的良好分散。
步骤(2)的目的是为了除去混合物中的水分子及其它易挥发的小分子，保证产品的致密性。
在步骤(3)热压条件下，原料在高温下熔化，在加压条件下，高分子树脂和填料之间能够形成渗透和扩散，有助于形成致密的复合材料制品，提高聚醚醚酮复合材料的机械性能。
步骤(4)后处理有助于消除加压烧结过程中材料的内部应力，使得聚醚醚酮复合材料具备良好的稳定性。
进一步地，在步骤(1)中，混合步骤如下：将聚醚醚酮、聚酰亚胺、磨碎碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨称量好，置于外层通循环冷却水的不锈钢罐中，在2000rpm的转速下，采用机械搅拌的方式进行高速混合15-30min，得到混合物。
进一步地，在步骤(2)中，干燥温度150-200℃，干燥时间为2-4小时。
进一步地，在步骤(3)中，热压后冷却至180℃以下进行脱模。
本发明的第三个目的是提供一种离心泵耐磨口环，所述的离心泵耐磨口环由所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料制备得到。
在本发明中，聚酰亚胺在聚醚醚酮基体中的添加，改善了聚醚醚酮复合材料的韧性、耐磨性、耐热性能；碳纤维的添加，有效提高了聚醚醚酮复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度，降低了聚醚醚酮复合材料的热膨胀系数，并改善了聚醚醚酮复合材料的耐磨性；纳米二氧化硅的尺寸小，比表面积大，与聚醚醚酮的复合有助于复合材料表面摩擦转移膜的生成，降低聚醚醚酮复合材料的摩擦系数，改善材料的自润滑性；此外，纳米二硫化钨为纳米片层材料，在磨损过程中可在表面形成有效的转移摩擦膜，有助于材料表面摩擦系数的降低。相对于传统的耐磨聚醚醚酮复合材料，当前发明中复合材料的碳纤维填充量更高(35％以上)，这有利于复合材料的强度提升，改善复合材料耐磨性，同时也可显著降低复合材料的热膨胀系数，使得复合材料的热膨胀系数降低到与铝合金、铜合金等金属材料相当的水平，可有效改善复合材料作为口环部件与金属部件的配合稳定性和运行稳定性。与此同时，得益于其中聚酰亚胺、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨的配合使用，复合材料在保障低热膨胀系数的同时，依然具有较低的摩擦系数和体积磨损率。
本发明的有益效果：
本发明以聚醚醚酮作为基体，通过添加聚酰亚胺、碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨，有效提高了聚醚醚酮复合材料的耐磨擦性能，降低了聚醚醚酮复合材料热膨胀系数，并提高了复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度。
本发明制备的聚醚醚酮复合材料，具备低热膨胀、高强度、耐磨、耐腐蚀等特性，可用于制造水、酸、碱、有机溶剂等介质输送用离心泵的耐磨口环，提高离心泵的运转效率，改善离心泵的运行可靠性与寿命。
本发明制备的聚醚醚酮复合材料可适用于核电站海水循环系统、海水淡化系统中的离心泵设备。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：
称取110g粒径50μm的聚醚醚酮、15g粒径60μm的聚酰亚胺、70g长度150μm的磨碎碳纤维、3g纳米二氧化硅、2g纳米二硫化钨，置于不锈钢罐中，在2000rpm的转速下高速混合30min；
将上述混合物置于烘箱内干燥，干燥温度150℃，干燥时间为4小时。
随后，将干燥好的粉体采用热模压的方法成型，成型温度为390℃，压力为8MPa，保温保压时间为4小时，热压结束后随炉冷却，待模具冷却至180℃时脱模冷却至室温；
将模压好的产品胚料置于200℃烘箱中进行后处理，时间为4小时，得到聚醚醚酮复合材料。
实施例2：
称取40g粒径50μm的聚醚醚酮、10g粒径60μm的聚酰亚胺、45g长度150μm的磨碎碳纤维、4g纳米二氧化硅、1g纳米二硫化钨，置于不锈钢罐中，在2000rpm的转速下高速混合20min；
将上述混合物置于烘箱内干燥，干燥温度180℃，干燥时间为2小时。
随后，将干燥好的粉体采用热模压的方法成型，成型温度为380℃，压力为5MPa，保温保压时间为3小时，热压结束后随炉冷却，待模具冷却至180℃时脱模冷却至室温；
将模压好的产品胚料置于220℃烘箱中进行后处理，时间为2小时，得到聚醚醚酮复合材料。
实施例3：
称取50g粒径50μm的聚醚醚酮、6g粒径60μm的聚酰亚胺、40g长度150μm的磨碎碳纤维、2g纳米二氧化硅、2g纳米二硫化钨，置于不锈钢罐中，在2000rpm的转速下高速混合20min；
将上述混合物置于烘箱内干燥，干燥温度200℃，干燥时间为2小时。
随后，将干燥好的粉体采用热模压的方法成型，成型温度为375℃，压力为4MPa，保温保压时间为4小时，热压结束后随炉冷却，待模具冷却至180℃时脱模冷却至室温；
将模压好的产品胚料置于200℃烘箱中进行后处理，时间为3小时，得到聚醚醚酮复合材料。
对比例1：
按照实施例2的方法进行试验，区别在于不添加聚酰亚胺，得到聚醚醚酮复合材料。
对比例2：
按照实施例2的方法进行试验，区别在于不添加磨碎碳纤维，得到聚醚醚酮复合材料。
对比例3：
按照实施例2的方法进行试验，区别在于不添加纳米二氧化硅，得到聚醚醚酮复合材料。
对比例4：
按照实施例2的方法进行试验，区别在于不添加纳米二硫化钨，得到聚醚醚酮复合材料。
对实施例和对比例中的复合材料进行性能测试，结果如表1所示：
表1
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，其特征在于，按重量百分比计，包括如下组分：聚醚醚酮40-60wt％、聚酰亚胺5-10wt％、磨碎碳纤维30-50wt％、纳米二氧化硅0.5-5wt％和纳米二硫化钨0.5-2wt％。
2.根据权利要求1所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述的聚醚醚酮的粒径为45-65μm。
3.根据权利要求1所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述的聚酰亚胺的粒径为50-75μm。
4.根据权利要求1所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述的磨碎碳纤维的直径为7-10μm，长度为100-200μm。
5.根据权利要求1所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的粒径为50-100nm。
6.根据权利要求1所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述纳米二硫化钨的粒径为60-100nm。
7.一种权利要求1-6任一项所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将聚醚醚酮、聚酰亚胺、磨碎碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨混合，得到混合物；
(2)将上述混合物进行干燥处理得到干燥后的物料；
(3)将干燥后的物料进行热压成型后脱模取出胚料，其中，成型温度为375-390℃，压力为3-8MPa，保温保压时间为2-4小时；
(4)将模压好的胚料进行后处理，后处理温度为200-220℃，时间为2-4小时，得到聚醚醚酮复合材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，混合步骤如下：将聚醚醚酮、聚酰亚胺、磨碎碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨称量好，置于外层通循环冷却水的不锈钢罐中，在2000rpm的转速下，采用机械搅拌的方式进行高速混合15-30min，得到混合物。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，干燥温度150-200℃，干燥时间为2-4小时。
10.一种离心泵耐磨口环，其特征在于，所述的离心泵耐磨口环由权利要求1-5任一项所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料制备得到。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010935588.5A Pending CN112126191A (zh) | 2020-09-08 | 2020-09-08 | 一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112126191A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114770838A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-07-22 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种燃料舱用耐腐蚀轻质活塞的制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101184798A (zh) * | 2005-05-27 | 2008-05-21 | 纳幕尔杜邦公司 | 具有低热膨胀系数的树脂组合物和由其制备的制品 |
| CN109851989A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-06-07 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用 |
| CN110185652A (zh) * | 2019-06-18 | 2019-08-30 | 泰州市罡阳喷灌机有限公司 | 一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法 |
| CN110305459A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-08 | 大连疆宇新材料科技有限公司 | 一种低热膨胀系数耐磨复合材料及其制备方法和应用 |
-
2020
- 2020-09-08 CN CN202010935588.5A patent/CN112126191A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN101184798A (zh) * | 2005-05-27 | 2008-05-21 | 纳幕尔杜邦公司 | 具有低热膨胀系数的树脂组合物和由其制备的制品 |
| CN109851989A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-06-07 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用 |
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| CN110305459A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-08 | 大连疆宇新材料科技有限公司 | 一种低热膨胀系数耐磨复合材料及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 彭旭东等: "聚醚醚酮基复合材料的摩擦学研究进展", 《石油大学学报(自然科学版)》 * |
| 彭旭东等: "聚醚醚酮基复合材料的摩擦学研究进展", 《石油大学学报(自然科学版)》, vol. 26, no. 01, 30 March 2002 (2002-03-30), pages 119 - 122 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114770838A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-07-22 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种燃料舱用耐腐蚀轻质活塞的制备方法 |
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