CN1880372A

CN1880372A - 聚醚醚酮复合材料及其制备方法

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Publication number: CN1880372A
Application number: CN 200610040090
Authority: CN
Inventors: 杨文光
Original assignee: NANJING KENTE COMPOSITE MATERIAL CO Ltd
Current assignee: Nanjing Kent composites Limited by Share Ltd
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: CN100487051C

Abstract

聚醚醚酮复合材料，由聚醚醚酮与二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、二氧化硅或不锈钢粉二元复合构成，其重量比为80－99.9∶0.1－20。在以上述重量为100％的基础上再添加聚四氟乙烯或聚苯酯，聚四氟乙烯加量为0.1－80％重量比，聚苯酯加量为0.1－20％重量比，构成三元聚醚醚酮复合材料。在上述二元或三元复合重量基础上添加碳纤维或玻璃纤维，添加量为0.1－50％重量比。本发明复合材料导热系数明显提高，在抗拉强度、球压硬度、摩擦系数以及线膨胀系数等方面都有明显的进步。尤其是有些性能明显改善，并且能降低成本。

Description

聚醚醚酮复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料及其制备，尤其是特种工程材料的组成和制备。

背景技术

芳香聚合物聚醚醚酮(PEEK)树脂是近年来综合性能优良的一种耐高温、耐化学试剂和刚韧性优异的热塑性工程塑料，如英国Victrex公司和国内的吉林大学等单位生产，随着热塑性树脂基复合材料成型技术的发展，采用PEEK树脂与其他材料共混的复合材料替代金属的耐磨材料，如衬套、齿轮、轴承、阀座等，在国内外已有多种产品问世，应用也趋于广泛。

但单一组分的聚醚醚酮在性能上不够好，性能还有待于提高。以聚醚醚酮为基进行复合的材料有了一些技术文件的公开，如与聚四氟乙烯基材料复合；一般用于提高强度并降低磨擦系数，而聚醚醚酮为基在其它方面也极有潜力可以挖掘。

发明内容

本发明目的是：提出一种新型聚醚醚酮复合材料及其制备方法，尤其是提高材料的导热系数和提高对热变形温度的耐受性，用于提高材料的综合性能。本发明的目的还在于提出复合材料配方和制备方法，同时有助于提高材料强度并降低磨擦系数。

本发明的目的是这样实现的：聚醚醚酮复合材料，其特征是由聚醚醚酮与二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、石墨、二氧化硅或不锈钢粉二元复合，其重量比为80-99.9∶0.1-20。二元更好的配方是：重量比为92-99.9∶0.1-8。

本发明的改进包括：在上述重量为100％的基础上再添加聚四氟乙烯或PPL对位聚苯，聚四氟乙烯加量的比例为0.1-80％重量比，对位聚苯加量的比例为0.1-20％重量比，构成三元聚醚醚酮复合材料。二者更好的配方是：重量比为5-20％。

本发明的改进包括：在上述二元或三元复合重量基础上添加碳纤维或玻璃纤维，比例为0.1-50％重量比。更好的配方是5-15％。

本发明的改进还包括：所述二元或三元复合材料中，添加的二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、石墨、二氧化硅或不锈钢粉可以采用其中的二者或三者混和，二者混和的比例是10-90∶90-10重量比，二者混和的比例是：10-60∶10-60∶10-60重量比。这六种物质可以任意组合成二者或三者混和，也可以四种混合。

本发明的制备方法是：将PEEK(聚醚醚酮)与MoS₂(二硫化钼)、Al₂O₃(三氧化二铝)、Cu(铜粉)、SiO₂(二氧化硅)、PPL(对位聚苯)、不锈钢粉、PTFE(聚四氟乙烯)、CF(碳纤维)、GF(玻璃纤维)等材料复合，通过注射法或模压烧结法成型的PEEK复合型材料，或直接成型为制品，亦可加工成各种零部件。如轴承、齿轮、衬套，尤其是球阀用的阀座和密封件等。

本发明的PEEK复合材料模压烧结过程包括升温、烧结和冷却三个阶段，其中升温区间采用可用曲线来表示：采用两至三个区间(同时有一至二个温度保持平台)，降温区间采用两至三个区间(一至二个温度保持平台)，在每个温度保持平台上保温0.5-3小时。升温或降温速度为15-100℃/小时，升温时的温度保持平台在80-130℃、190-330℃、高温的保温平台在365-410℃，降温区间的温度保持平台在190-330℃或再加上80-130℃保持平台。

本发明特点是：PEEK复合材料导热系数明显提高，在抗拉强度、球压硬度、摩擦系数以及线膨胀系数等方面都有明显的进步。尤其是有些性能明显改善，并且有些添加剂能降低成本。一些特殊产品用此材料完全可以满足非常苛刻的工业、汽车业、航空航天及军事领域的各种应用需求。

附图说明

图1是本发明模具设计图

图2是本发明复合材料烧结过程包括升温、烧结和冷却三个阶段曲线。

具体实施方式

1.材料的配方设计

(一)、配方的设计见表1和表2

表1、主要配方表格：

表2、其它配方的例表：

38	80	2	3	15
38	80	2	3	15			39	90	6		4		15
40	90	8	2			20	39	90	6		4		15
40	90	8	2			20	41	90		10		20
42	80	5	15		10		41	90		10		20

表1、表2说明：

①、所有的树脂粒径控制在30～100微米；

②、玻璃纤维和碳纤维长径比为1/4～1/10；

③、铜粉和不锈钢粉的粒径是0.1-10微米，纳米级更好；

④、表中所有“外加”的添加量表示在其它组分为100％时，以此为基础添加的百分比(重量比)。

2、加工工艺的设计

制备方案1、注射成型：

KT-PEEK复合材料聚合物，可以用标准的往复螺杆注射成型机注射成型。但是由于熔化温度很高，需要设计如下加工参数：

①、熔胶筒温度：为了成功地将KT-PEEK聚合物成型，与注射成型机的溶胶筒相连的柱体加热器，必须达到400-410℃，注入口应该保持在70℃-100℃之间。

②、喷嘴和切断系统：KT-PEEK聚合物熔点很高，如果温度降到343℃以下，熔化物将很快固化，需将足够大的加热器安装在喷嘴处，以防止降温和“注塑冷料”，这一点很重要。

KT-PEEK聚合物一般有足够高的粘度采用开放型喷嘴系统，不要使用封闭型喷嘴，因为他们常包含熔化物“死点”，并限制注入的压力。

③、操作条件：注射成型KT-PEEK聚合物材料准备的开始温度，注射螺杆的后部温度350℃±5左右，中部温度355±5℃左右，前部温度360±5℃左右，喷嘴温度365±5℃左右。模具温度200±10℃，在此温度下，这些材料具有良好的熔化稳定性。

技术方案2、模压成型

①、概述

模压成型也叫压塑成型，方便易行，只需要配备通用液压机，专用烧结炉和所需的模具就可以生产。

标准的模压成型是将粉状或粒状树脂加入维持在一定温度的金属模具中使其塑化，并在压力的作用下充满整个模腔，然后经加压冷却而凝固，脱模即得KT-PEEK复合制品，产品有板、棒、套筒密封环以及带金属嵌件的零件等。

KT-PEEK复合材料加工方法是独具一格的，具体分为三个步骤：模压预成型→烧结→冷却。

②、模具

结构合理的模具是保证成型品性能优良和尺寸准确的重要条件。

设计工艺参数

两个重要的工艺参数-制品收缩率与压缩比

i、制品收缩率：

X = \frac{D_{P} - D}{D_{P}}

X----制品平均收缩率％

D_P----模压成型腔尺寸mm

D-----制品尺寸mm

ii、压缩比和加料腔高度

压缩比值的大小与树脂和配方的密度有关。通常为4～6。

V = \frac{M}{d}

V----树脂体积

M----单体质量

d----密度

H = \frac{V}{S} + L

H----加料腔高度mm

V----树脂体积

S----加料腔截面积

L----导向长度

③、模具的结构设计

如图1所示，压模1、外模2、上垫片3、复合材料4、下垫片5。

模压成型用模具基本上是由一个模套和上、下冲模组成的。KT-PEEK复合材料分单向加压和双向加压两种结构。

④、烧结工艺设计

烧结KT-PEEK复合材料制品是加工过程中的一个重要环节，它将引起该材料的性能发生根本的变化。由于烧结温度、冷却速度等工艺条件的不同直接影响到制品的分子量、结晶度和空隙率。而这三者对制品的物理、机械和电气性能发生影响，直接导致制品性能。KT-PEEK复合材料烧结过程包括升温、烧结和冷却三个阶段，可用曲线来表示：见图2，烧结时最高温度平台是370-380

具体实施方式已有一些描述，以下通过一些例子作进一步说明：

必要的设备：液压机、混料机、注射机、模具、烧结炉及控制系统。

选择的材料：聚醚醚酮、二硫化钼、铜粉、不锈钢粉、聚四氟乙烯、三氧化二铝、二氧化硅、碳纤维、玻璃纤维、对位聚苯、石墨等。

本发明制作的产品有阀座、垫片、衬套、轴承、密封件、齿轮、热交换器部件、发动机零部件、通讯连接器零部件、电线接头等。使用效果比同类产品，大部分组分配方在性能上具有很好的改善(详见表3)、价格和制造方法上都具有明显的优势。

表3：

从表中不难看出，KT-PEEK复合材料在抗拉强度、球压硬度、摩擦系数以及线膨胀系数等方面都有良好的性能特点，所以，一些特殊产品用此材料完全可以满足非常苛刻的工业、汽车业、航空航天及军事领域的各种应用需求。

Claims

1、聚醚醚酮复合材料，其特征是由聚醚醚酮与二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、二氧化硅或不锈钢粉二元复合构成，其重量比为80-99.9∶0.1-20。

2、根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征是在以上述重量为100％的基础上再添加聚四氟乙烯或对位聚苯，聚四氟乙烯加量为0.1-80％重量比，对位聚苯加量为0.1-20％重量比，构成三元聚醚醚酮复合材料。

3、根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征是在上述二元或三元复合重量基础上添加碳纤维或玻璃纤维，添加量为0.1-50％重量比。

4、根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征是添加的二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、二氧化硅或不锈钢粉可以采用其中的二者或三者混和，二者混和的比例是10-90∶90-10重量比，二者混和的比例是：20-60∶20-60∶20-60重量比。

5、根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征是聚醚醚酮与二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、二氧化硅或不锈钢粉二元复合的重量比为92-99.9∶0.1-8。

6、根据权利要求2所述的聚醚醚酮复合材料，其特征是添加聚四氟乙烯或对位聚苯的重量比为5-20％。

7、根据权利要求3所述的聚醚醚酮复合材料，其特征是添加碳纤维或玻璃纤维的重量比为5-15％。

8、聚醚醚酮复合材料的制备方法：其特征是将聚醚醚酮与二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、二氧化硅、对位聚苯、不锈钢粉、PTFE聚四氟乙烯、碳纤维或玻璃纤维按权利要求1至7的组分比例复合，通过注射法或模压烧结法成型复合型材料，加工成各种零部件或者直接烧结或模压加工成制品。

9、由权利要求5所述的聚醚醚酮复合材料的制备方法：其特征是复合材料模压烧结过程包括升温、烧结和冷却三个阶段，其中升温区间采用两至三个区间，同时有一至二个温度保持平台；降温区间采用两至三个区间，有一至二个温度保持平台；在每个温度保持平台上保温0.5-3小时，升温或降温速度为15-100℃/小时；其中升温时的温度保持平台在80-130℃、190-330℃、高温的保温平台在365-410℃，降温区间的温度保持平台在190-330℃或再加上80-130℃温度保持平台。

10、由权利要求5所述的聚醚醚酮复合材料的制备方法：其特征是注射成型的条件是，注射成型机的溶胶筒相连的柱体加热器达到400-410℃，注射螺杆的后部温度350±5℃，中部温度355±5℃，前部温度360±5℃，喷嘴温度365±5℃，模具温度200±10℃。