钛酸钾晶须增强聚醚醚酮复合材料的制备与性能研究

摘要

本论文研究了用六钛酸钾晶须（PTW）和聚四氟乙烯（PTFE）填充改性聚醚醚酮（PEEK），制得 PTW/PEEK和PTFE/PTW/PEEK复合材料，并探讨了复合材料的力学及摩擦学性能。　　先用偶联剂对六钛酸钾晶须进行活化处理，筛选确定了合适的偶联剂类型并确定了其最佳用量，用经过活化处理后的PTW填充改性PEEK制得复合材料，并通过注塑成型制备检测试样。采用 MM200摩擦磨损试验机和45＃钢环配副研究了PTW质量分数对复合材料摩擦学性能的影响以及PTW和PTFE对复合材料的协同作用效果。利用扫描电子显微镜观察分析了复合材料断口表面和磨损表面形貌，并分析了磨损机理。　　研究结果表明，钛酸酯偶联剂TM38-S适合用于活化处理PTW，且当 TM38-S用量为 PTW质量分数的1％时，活化效果最好。对PTW/PEEK复合材料注塑成型条件研究表明，注塑温度及模具温度对复合材料的力学性能影响极大：随着注塑温度的升高，制品的拉伸强度和弯曲强度呈现先升后降的趋势，当注塑温度过高时，PEEK的热分解现象加剧，在注塑制品中容易生成大的球晶，从而使制品易碎，力学性能降低；随着模具温度的升高，制品的拉伸强度和弯曲强度也随之升高，但是当模具温度过高时，制品的内部会产生气孔，容易产生产品塌陷现象。故控制模具温度为（180±10）℃，在此温度下，熔体有较好的充模特性，材料的结晶度高，并且无再结晶峰，力学性能优良；另外通过对 PTW/PEEK制品进行退火处理后，PTW/PEEK制品的力学性能进一步得到提高。在注塑温度由前到后依次为390℃、380℃、365℃，模具温度为180℃，对PTW/PEEK制品进行注塑成型后，并在退火处理条件为200℃，1h下对试样进行退火后，所制得的复合材料的综合性能最优。　　在干摩擦条件下，填充 PTW可明显降低 PEEK基复合材料的摩擦系数，随着 PTW含量增加，PTW/PEEK复合材料摩擦系数先降低后略有升高，复合材料的磨损量也随 PTW含量的增加而降低，当PTW含量为15%时耐磨性能最佳。PTFE以一定的质量比添加进PTW/PEEK复合材料时可降低复合材料摩擦系数，也使复合材料的耐磨性显著提高，且随着PTFE质量分数增加，PTFE/PTW/PEEK复合材料的耐磨性能随之提高，但复合材料的力学性能降低，这是由于组分间相容性不佳造成的。分析认为，PTW晶须提高了复合材料的表面承载能力，摩擦过程中减少摩擦副表面粘着和剥层，阻止基体树脂的热塑性变形，同时PTFE的优先粘着转移使得 PTW/PTFE/PEEK复合材料在对偶表面形成的转移膜最薄，连续性与均匀性最好，两者协同有效提高复合材料的摩擦学性能。综合考虑复合材料耐磨性能、力学性能与配方成本，本文研究得出复合材料中PTW：PTFE：PEEK最佳质量配比为15:8:77。

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第一章 绪 论

1.1 PEEK及其复合材料概述

1.1.1 PEEK的性能特点

1.1.2 PEEK复合材料改性研究进展

1.1.3 PEEK复合材料的应用

1.2 六钛酸钾晶须在高分子复合材料中的应用

1.2.1 六钛酸钾晶须的性能特点

1.2.2六钛酸钾晶须的制备工艺及生长机理

1.2.3六钛酸钾晶须在高分子复合材料中的研究进展

1.3复合材料的界面结合研究

1.4 选题的目的及研究内容

第二章 六钛酸钾晶须的偶联改性

2.1 偶联剂作用机理

2.1.1 钛酸酯偶联剂

2.1.2 硅烷偶联剂

2.2 实验部分

2.2.1主要原料

2.2.2 实验仪器及设备

2.2.3 试样制备工艺

2.3 测试与表征

2.3.1 PTW表面能的测试

2.3.2 力学性能的测试

2.4 结果与讨论

2.4.1 不同偶联剂改性PTW后的表面能影响以及力学性能影响

2.4.2 偶联剂不同含量对PTW/PEEK复合材料性能的影响

2.5 本章小结

第三章 PTW/PEEK复合材料的制备与性能研究

3.1实验部分

3.1.1主要原料

3.1.2 实验仪器及设备

3.1.3 试样制备工艺

3.2 测试与表征

3.2.1 力学性能的测试

3.2.2 摩擦磨损性能评价

3.2.3 微观分析

3.3 结果与讨论

3.3.1注塑工艺对PTW/PEEK制品力学性能的影响

3.3.2 PTW不同质量分数对复合材料硬度的影响

3.3.3 PTW不同质量分数对复合材料强度的影响

3.3.4 PTW不同质量分数对复合材料摩擦学性能的影响

3.3.5 PTW不同质量分数的复合材料的磨损机理分析

3.4 本章小结

第四章 PTW和PTFE协同作用对PEEK复合材料的性能影响

4.1实验部分

4.1.1主要原料

4.1.2 实验仪器及设备

4.1.3 试样制备工艺

4.2 测试与表征

4.2.1 力学性能的测试

4.2.2 摩擦磨损性能评价

4.2.3 微观分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 PTFE不同粒径对复合材料强度的影响

4.3.2 PTFE不同质量分数对复合材料强度的影响

4.3.3 PTFE不同质量分数对复合材料摩擦学性能的影响

4.3.4 PTFE不同质量分数的复合材料的磨损机理分析

4.4 本章小结

第五章 总结和展望

参考文献

攻读硕士期间公开发表的论文及其他成果

致谢