一种不同结晶度的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材及制备方法

摘要

一种不同结晶度的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材及制备方法，属于高分子材料制备技术领域。是将聚醚醚酮或其复合材料板材置于近临界或超临界CO2流体中，在320～360℃的饱和温度和5～30MPa的饱和压力下进行溶胀和渗透，饱和时间为30min～3h，然后快速卸压至常压，并冷却至室温；重复上述操作1～3次，最后退火处理，即可得到具有不同结晶度、不同泡孔尺寸和高发泡倍率的轻质聚醚醚酮或其复合材料。本发明克服了以往在制备结晶性聚醚醚酮或其复合材料泡沫膨胀倍率小、泡孔尺寸单一、气体饱和困难等缺点，拓宽了聚醚醚酮的应用领域，改善现有结晶性聚醚醚酮或其复合材料发泡技术上的瓶颈。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料制备技术领域，具体涉及一种不同结晶度的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材及制备方法。

背景技术

聚醚醚酮(PEEK)是一种主链由大量苯环、醚键和羰基重复连接构成的聚合物，因这种特殊的分子结构而具有耐高温、高强度、耐化学腐蚀、抗蠕变和高阻燃性等。作为特种工程塑料，PEEK除了在国防军事领域最先得到成功的应用外，也被广泛应用于航空航天、电子电气以及医疗器械等诸多领域。为了进一步拓宽PEEK及其复合材料的应用领域，充分发挥其作为特种工程塑料的优势，开发轻质结晶性PEEK及其复合材料具有重要的意义。

聚合物泡沫材料又称泡沫塑料，由于其特殊的多孔结构而具有诸如密度低、冲击性能好、比强度高、隔热性能优异、隔声效果佳等许多优异的性能，因此被广泛适用于包装、保暖、隔声、交通运输、建筑以及医疗等领域，已成为不可或缺的材料之一。

聚合物泡沫材料的制备方法主要分为两种：化学发泡和物理发泡。化学发泡是在聚合物中添加化学发泡剂，使其在加工过程中分解并产生气体而发泡。物理发泡是将聚合物在一定压力下的饱和惰性气体中使其充分溶解，而后通过快速升温或降压使体系达到过饱和状态，气体逸出而发泡。除此之外还有通过相转化法制备泡沫材料，但相转化法只适用于可溶性的聚合物，而且容易导致在泡沫材料内部残留溶剂。

早在20世纪80年代初期，N.P.Suh教授就提出微孔泡沫塑料的概念并将超临界技术应用到了微孔发泡过程中。21世纪初期，超临界发泡技术制备微孔泡沫塑料已经实现成功的商业化。

中国专利CN105367994A公开了一种轻质耐磨微发泡聚醚醚酮复合材料及制备方法与应用，其主要是通过添加化学发泡剂制得泡孔，达到轻质的目的，但该方法制得的产品发泡倍率小，密度仍然在1.35以上。中国专利CN102924743A公开了一种结晶性聚醚醚酮泡沫材料的制备方法，其主要是通过超临界CO₂法对聚醚醚酮珠粒发泡，制得的泡沫珠粒泡孔尺寸单一，发泡倍率最高16倍，而且这种泡沫珠粒需在高温蒸汽下粘结成型为相应制品，然而泡沫珠粒的双熔融峰之间的温差较窄，使后期蒸汽模压成型难以控制，实现应用存在困难。

结晶性聚醚醚酮或其复合材料板材的成型方式可以采用挤出成型和模压成型，材料除了树脂本身具有一定结晶度之外，复合材料中填料的加入会增加熔体粘度，从而限制泡孔生长，这些都增加了发泡的难度，尤其是在填料含量高的情况下，发泡更趋困难，所以目前并没有与之相关的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材发泡专利公布。因此，开发具备耐高温、耐腐蚀和高强度的结晶性轻质聚醚醚酮或其复合材料板材值得被探索。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同结晶度的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材及制备方法。与已有专利相比，本发明中原料和制品均有不同，CN102924743A专利只是涉及纯聚醚醚酮的粒料，进行物理发泡(超临界)，而CN105367994A专利只是涉及聚醚醚酮复合材料，采用化学发泡而非物理发泡，两个专利制品膨胀倍率均不是很高。

本发明以近临界或超临界二氧化碳作为物理发泡剂，采用组合式发泡技术，通过调整每次发泡的饱和时间、饱和压力以及饱和温度来调控聚醚醚酮或其复合材料泡沫的泡孔大小、泡孔密度，以及通过后期退火处理提高材料的结晶度，以达到增强泡沫强度的目的。本发明克服了以往在制备结晶性聚醚醚酮或其复合材料泡沫发泡倍率小、泡孔尺寸单一、气体饱和困难等缺点，通过控制工艺参数，有效制备了轻质、高发泡倍率的泡沫材料，拓宽了聚醚醚酮应用领域，改善现有结晶性聚醚醚酮或其复合材料发泡技术上的瓶颈。

本发明是将聚醚醚酮或其复合材料板材置于近临界或超临界的CO₂流体中，先在一定条件下使聚醚醚酮基体中产生一定尺寸的泡孔，有利于再次发泡时CO₂气体进入基体材料，从而充分饱和；聚醚醚酮复合材料中的填料和基体中残存的晶体在随后的发泡中起到提高熔体强度和异相成核的作用；在达到特定工艺条件后，通过快速卸压，使聚合物/气体体系达到过饱和，从而引发气核及泡孔生长，而后将整个体系冷却，固定泡孔形状，再重复上述操作，最后再经过退火处理制得轻质聚醚醚酮或其复合材料板材。

本发明中重复上述操作，目的是得到泡孔多重分布和更低密度的泡沫材料；退火处理是为了提高产品的结晶度，进而提高产品的强度和使用温度。对于可溶性聚醚醚酮，属于无定型材料，发泡后，超过其玻璃化转变温度，泡沫就会坍陷；而结晶性聚醚醚酮，由于晶区存在，才得以使用温度会高达310℃，而复合材料由于填料可以起到支撑作用则会更高。

本发明所述的一种不同结晶度的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材的制备方法，其特征在于：将聚醚醚酮或其复合材料板材置于近临界或超临界CO₂流体中，在320～360℃的饱和温度和5～30MPa的饱和压力下进行溶胀和渗透，饱和时间为30min～3h，然后快速卸压至常压，并冷却至室温；重复上述操作1～3次，最后退火处理，即可得到具有不同结晶度、不同泡孔尺寸和高发泡倍率的轻质聚醚醚酮或其复合材料板材。

本发明中所用到的聚醚醚酮或其复合材料板材中，聚醚醚酮的熔融指数(MFI)为16～120g/10min(熔融指数测定条件：测试温度为400℃，载荷为5Kg)和结晶度在35％以下(利用Mettler Toledo DSC821_e示差扫描量热分析仪测量温度范围50℃～400℃，升温速率为20℃/min，氮气保护，流量为200mL/min)，板材的尺寸是(2～4)cm×(2～4)cm×(2～4)mm。

结晶性聚醚醚酮除浓硫酸外，几乎不溶于其它常规有机溶剂，所以聚醚醚酮复合材料是将聚醚醚酮和填料物理混合后制备得到，然后挤出或模压得到板材。聚醚醚酮复合材料的填料可以是多种，比如碳纳米管、石墨烯、碳纤维、玻璃纤维等，复合材料中填料的质量分数最高不超过40％，填料和聚醚醚酮之间不发生化学反应。

同时，由于填料自身容易团聚，所以需要对填料进行改性，使其在聚醚醚酮基体内分散均匀。可以用与聚醚醚酮相容性较好的聚合物，如聚醚砜或者聚醚酰亚胺等对填料进行改性后再分散。

饱和压力和饱和温度的选择原则如下：在此温度和压力下，纯聚醚醚酮内部的结晶区能够部分熔化，而聚醚醚酮复合材料能软化，融化的晶区有利于下次CO₂气体充分进入基体材料，而残存的晶体以及复合材料中的填料在随后的发泡中起到提高熔体强度和异相成核的作用。

所说的快速卸压装置是指通过减压装置，如减压控制阀，快速卸压，卸压时间控制在1～20s。

所说的近临界CO₂流体是指温度高于31.1℃，压力处于5～7.37MPa之间的CO₂流体；所说的超临界CO₂是指温度高于31.1℃，压力大于7.37MPa时的CO₂流体。

在上述操作中重复操作时饱和温度和饱和时间以及饱和压力可以根据需要自由组合设定。一般重复操作时饱和温度不能超过前次操作时的饱和温度，这是为了防止在发泡过程中泡孔塌陷。

在上述条件下得到的轻质聚醚醚酮或其复合材料的泡孔密度为10⁵～10¹²个/cm³，发泡倍率最高可达132倍，孔径尺寸为5～400μm。

在上述操作中后期退火处理时温度在180～300℃，退火时间为1～5h，降温至80℃的时间为0.5～24h(目的是通过降温速率来调控结晶程度)。

冷却至室温的方式为将整个装置置于冷却介质中。

附图说明

图1：实施例1样品切面的扫描电镜图；

图2：实施例2样品切面的扫描电镜图；

图3：实施例3样品切面的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明中所用的聚醚醚酮粒料和粉料都是从长春吉大特塑工程研究有限公司购买。

实施例1

将聚醚醚酮粒料(长春吉大特塑工程研究有限公司，MFI＝25g/10min)放入一个尺寸为4cm×10cm×3mm的模具中，在温度365℃和5MPa的条件下模压成型得到板材，然后切割成所需尺寸。

将聚醚醚酮板材(MFI＝25g/10min，结晶度26％，板材的尺寸是3cm×3cm×3mm)置于高压釜中，固定后将高压釜密封。利用高压计量泵向高压釜内注入CO₂气体并排出釜内空气，直至高压釜内充满CO₂气体，并使釜内压力达到设置的饱和压力15MPa。将高压釜放入加热套中，并开启温度控制器使高压釜的温度达到设置的饱和温度330℃，饱和时间为1h。通过卸压阀控制卸压速率排除釜内CO₂气体，卸压时间为5s。迅速将高压釜转移至冰水浴中降温至室温。然后重复上述操作一次，不同的是饱和压力为5MPa，饱和温度为328℃，饱和时间为2h，最后降温至室温。所得样品在230℃下退火处理2h，然后24h内降温到80℃以下，得到密度为0.01g/cm³，结晶度为30％的聚醚醚酮泡沫材料。

样品扫描电镜观察如图1所示。样品孔结构开孔和闭孔都有，尺寸为200μm～400μm，泡孔尺寸呈现多重分布，发泡倍率为132倍。

实施例2

将聚醚醚酮粒料(长春吉大特塑工程研究有限公司,MFI＝16g/10min)放入一个尺寸为4cm×10cm×3mm的模具中，在温度365℃和5MPa的条件下模压成型得到板材，然后切割成所需尺寸。

将聚醚醚酮板片材(MFI＝16g/10min，结晶度26％，板片材的尺寸是3cm×3cm×3mm)置于高压釜中，固定后将高压釜密封。利用高压计量泵向高压釜内注入CO₂气体并排出釜内空气，直至高压釜内充满CO₂气体，并使釜内压力达到设置的饱和压力20MPa。将高压釜放入加热套中，并开启温度控制器使高压釜的温度达到设置的饱和温度330℃。饱和时间为1h，通过卸压阀控制卸压速率排除釜内CO₂气体，卸压时间为5s。迅速将高压釜转移至冰水浴中降温至室温。然后重复上述操作一次，不同的是饱和压力为15MPa，饱和温度为328℃，饱和时间为2h，最后降温至室温。所得样品在230℃下退火处理2h，然后24h降温到80℃以下。最后得到密度为0.03g/cm³，结晶度为32％的聚醚醚酮泡沫材料。

其扫描电镜观察如图2所示。样品孔结构开孔和闭孔都有，泡孔尺寸为40μm～60μm，泡孔分布相对均一，发泡倍率为44倍。

实施例3

将0.1g的聚醚砜树脂(PES)溶于50mL的N,N－二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中。将8g多壁碳纳米管(MCNTs)分散于300mL的N,N－二甲基乙酰胺(DMAc)中形成悬浮液。在搅拌的状态下将两者溶液混合，并在50℃的条件下超声8h。超声后的悬浮液出料于蒸馏水中并用蒸馏水洗涤8次，抽滤后将滤饼在120℃的真空条件下干燥4h，最终得到聚醚砜树脂包覆改性的多壁碳纳米管(PES@MWCNTs)。

称取3wt％PES@MWCNTs和97wt％PEEK粉末((长春吉大特塑工程研究有限公司，MFI＝45g/10min)，在高速混料机(26000r/min)中进行充分预混后，使用哈克挤出机(HAAKEMiniLab)进行熔融共混并挤出造粒。设置加工温度为380℃，螺杆转速为80r/min。然后粒料放入一个尺寸为4cm×10cm×3mm的模具中，在温度385℃和5MPa的条件下模压成型得到板材，然后切割成所需尺寸。

将3wt％聚醚砜包覆的碳纳米管/聚醚醚酮板材(MFI＝45g/10min，结晶度18％，板片材的尺寸是3cm×3cm×3mm)置于高压釜中，固定后将高压釜密封。利用高压计量泵向高压釜内注入CO₂气体并排出釜内空气，直至高压釜内充满CO₂气体，并使釜内压力达到设置的饱和压力20MPa。将高压釜放入加热套中，并开启温度控制器使高压釜的温度达到设置的饱和温度332℃，饱和时间为30min。通过卸压阀控制卸压速率排除釜内CO₂气体，卸压时间为5s。迅速将高压釜转移至冰水浴中降温至室温。然后重复上述操作一次，不同的是饱和压力为20MPa，饱和温度为330℃，饱和时间为3h，最后降温至室温。将得到的样品在250℃下做退火处理2h，然后24h降温到80℃以下。最后得到密度为0.09g/cm³、结晶度为28％的聚醚醚酮复合泡沫材料。

其扫描电镜观察如图3所示。样品孔结构开孔和闭孔都有，泡孔尺寸为5μm～20μm，泡孔尺寸均一，发泡倍率为14.7倍。

实施例4

经过充分干燥的聚醚醚酮粉末(长春吉大特塑工程研究有限公司,MFI＝120g/10min)和碳纤维(碳纤维的质量分数是20％)按所需配方通过双螺杆挤出机(ZSK 30P9P)熔融复合并挤出造粒，加料段、熔融段、塑化段、捏合锻、机头口模温度分别为280℃、330℃、350℃、365℃、365℃、365℃、360℃、350℃。

将充分干燥后的复合材料的粒料放入一个尺寸为4cm×10cm×3mm的模具中，在温度375℃和5MPa的条件下模压成型得到板材，然后切割成所需尺寸。

将20wt％碳纤维/聚醚醚酮板片材(MFI＝120g/10min，结晶度13％，板片材的尺寸是3cm×3cm×3mm)置于高压釜中，固定后将高压釜密封。利用高压计量泵向高压釜内注入CO₂气体并排出釜内空气，直至高压釜内充满CO₂气体，并使釜内压力达到设置的饱和压力30MPa。将高压釜放入加热套中，并开启温度控制器使高压釜的温度达到设置的饱和温度345℃，饱和时间为3h。通过卸压阀控制卸压速率排除釜内CO₂气体，卸压时间为5s。迅速将高压釜转移至冰水浴中降温至室温。然后重复上述操作2次，不同的是饱和压力为20MPa，饱和温度为342.5℃，饱和时间为2h，最后降温至室温。将得到的样品在300℃下做退火处理3h，然后24h降温到80℃以下。最后得到密度为0.26g/cm³，结晶度为15％的聚醚醚酮复合泡沫材料。