一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料及其制备方法，包括如下重量份的组分：PEEK基体材料100份、聚四氟乙烯0‑30份、改性碳纤维5‑10份、改性玻璃纤维6‑9份、纳米碳化硅10‑15份、复合润滑剂2‑4份，且所述的润滑剂包括如下重量份的组分：硬脂酸4‑6份、甜菜碱5‑8份、聚硅脂2‑4份、聚乙烯蜡6‑8份。制备：(1)将上述组分混合并烘干，得混合物料；(2)将混合物料挤出造粒，得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料。本发明的复合材料，通过加入聚四氟乙烯、改性碳纤维、改性玻璃纤维、纳米碳化硅等材料对PEEK进行复合改性，增加其耐磨性和自润滑效果，攻克了长期以来提高PEEK材料机械加工性能需要牺牲耐高温性能与力学性能为代价的难题，同时增强了其耐高温性能。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料改性技术领域，具体涉及一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料及其制备方法。

背景技术

PEEK(聚醚醚酮)是一种半结晶的工程热塑性塑料，是最耐高温的工程塑料之一，同时也是公认的全世界性能最高的热塑性材料之一，与其他特种工程塑料相比，PEEK具有耐高温、机械性能优异、自润滑性好、易加工、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐辐照性、绝缘性稳定、耐水解和易加工等优异的性能，在航空航天、汽车、电子电气、医疗和食品加工等领域被广泛应用，开发利用前景广阔。

PEEK(聚醚醚酮)材料坚韧，坚固，刚性好，抗蠕变性较好，但其耐磨性能不能够达到某些特殊领域的需求，需要对其进行改性。现如今，大多数对PEEK(聚醚醚酮)材料的改性方式为，加入30％的玻璃纤维增强或者30％的碳纤维增强等改性材料，但由于玻璃纤维或者碳纤维其和PEEK的相容性较差，其增强PEEK的力学强度有限的同时，其耐高温性能和耐磨性能增强的也有限，达不到较高的增强效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，本发明的PEEK基体复合材料其耐高温、耐磨损和自润滑效果好，解决了长期以来提高PEEK材料机械加工性能需要牺牲耐高温性能与力学性能为代价的难题；本发明的另一目的在于提供一种简单的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：PEEK基体材料100份、聚四氟乙烯0-30份、改性碳纤维5-10份、改性玻璃纤维6-9份、纳米碳化硅10-15份、复合润滑剂2-4份，且所述的润滑剂包括如下重量份的组分：硬脂酸4-6份、甜菜碱5-8份、聚硅脂2-4份、聚乙烯蜡6-8份。本发明的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，通过加入聚四氟乙烯、改性碳纤维、改性玻璃纤维等材料对PEEK进行复合改性，增加其耐磨性和自润滑效果，攻克了长期以来提高PEEK材料机械加工性能以牺牲耐高温性能与力学性能为代价的难题，同时增强了其耐高温性能。

进一步地，所述的润滑剂的制备方法为：按重量份将4-6份的硬脂酸、5-8份的甜菜碱、2-4份的聚硅脂和6-8份的聚乙烯蜡加入反应釜中，并在60-70℃下反应1-3小时，反应后得到的产物即为该润滑剂。优选地，所述的反应釜为不锈钢反应釜。

进一步地，上述的改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将10-20份的聚苯乙烯磺酸钠溶于环己酮中，形成饱和的混合液；

(2)将5-10份的碳纤维加入所述混合液中浸泡，浸泡后将其取出干燥，即得到改性碳纤维。

进一步地，所述的改性碳纤维的制备方法：步骤(2)中的浸泡时间为1-2小时；干燥温度为60-80℃，干燥时间为1-3小时。

进一步地，上述的改性玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将10-15份的环糊精、60-80份的环己烷、2-4份的MDI和30-40份的玻璃纤维加入到反应釜中，并在60-70℃下反应2-3小时；优选地，所述的反应釜为不锈钢反应釜；

(2)反应后除去溶剂，然后干燥，得到改性玻璃纤维。

进一步地，所述的改性玻璃纤维的制备方法：步骤(2)反应后，将反应物加入旋转蒸发仪中除去溶剂，然后在50-60℃下干燥1-2小时，即得到改性玻璃纤维。

进一步地，所述纳米碳化硅为直径200-400纳米的碳化硅粉末。

一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将100份的PEEK基体材料、0-30份的聚四氟乙烯、5-10份的改性碳纤维、6-9份的改性玻璃纤维、10-15份的纳米碳化硅和2-4份的复合润滑剂混合均匀并烘干，得到混合物料；

(2)将所述的混合物料挤出造粒，得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料。

进一步地，步骤(1)将100份的PEEK基体材料、0-30份的聚四氟乙烯、5-10份的改性碳纤维、6-9份的改性玻璃纤维、10-15份的纳米碳化硅和2-4份的复合润滑剂加入混料机中混合均匀，混合后在130-150℃的烘箱中烘干2-3小时，即得到混合物料。

进一步地，步骤(2)将所述的混合物料加入双螺杆造粒机中进行挤出造粒，得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料；且所述双螺杆造粒机造粒的温度为：双螺杆造粒机的一区温度为280-300℃，二区温度为360-380℃，三区温度为360-380℃，四区温度为350-380℃，模口温度为340-350℃；造粒得到的粒子为直径1-2毫米、长度4-5毫米的圆柱形粒子。

本发明的有益效果：

本发明的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，通过加入聚四氟乙烯、改性碳纤维、改性玻璃纤维、纳米碳化硅等材料对PEEK进行复合改性，增加其耐磨性和自润滑效果，攻克了长期以来提高PEEK材料机械加工性能需要以牺牲耐高温性能与力学性能为代价的难题，同时增强了其耐高温性能，其热变形温度高达310-315℃、长期耐热性指数达280℃、摩擦系数为0.2。本发明的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法简单，制备条件温和，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为传统改性PEEK材料摩擦时摩擦系数的变化图；

图2为本发明的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料摩擦时摩擦系数的变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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

一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，包括如下重量份的组分：PEEK基体材料100份、聚四氟乙烯0份、改性碳纤维8份、改性玻璃纤维9份、纳米碳化硅10份、复合润滑剂3份，且所述的润滑剂包括如下重量份的组分：硬脂酸6份、甜菜碱6份、聚硅脂2份、聚乙烯蜡7份。所述的纳米碳化硅为直径200nm的碳化硅粉末。

上述的润滑剂的制备方法为：按重量份将6份的硬脂酸、6份的甜菜碱、2份的聚硅脂和7份的聚乙烯蜡加入到不锈钢反应釜中，并在60℃下反应2小时，反应后得到的产物即为该润滑剂。

上述的改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将12份的聚苯乙烯磺酸钠溶解于环己酮中，形成饱和的混合液；

(2)将9份的碳纤维加入上述混合液中浸泡1小时，浸泡完成后将其取出并在60℃下干燥2小时，即得到改性碳纤维。

上述的改性玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将10份的环糊精、70份的环己烷、2份的MDI和35份的玻璃纤维加入到不锈钢反应釜中，并在60℃下反应3小时；

(2)反应后，将反应物加入旋转蒸发仪中除去溶剂，然后在55℃下干燥2小时，即得到改性玻璃纤维。

上述一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将100份的PEEK基体材料、8份的改性碳纤维、9份的改性玻璃纤维、10份的纳米碳化硅(直径200nm的碳化硅粉末)和3份的复合润滑剂加入到混料机中混合均匀，混合后在150℃的烘箱中烘干2小时，即得到混合物料；

(2)将所得的混合物料加入到双螺杆造粒机中进行挤出造粒，即可得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料；且所述双螺杆造粒机造粒的温度为：双螺杆造粒机的一区温度为280℃，二区温度为360℃，三区温度为360℃，四区温度为350℃，模口温度为340℃；造粒得到的粒子为直径1毫米、长度4毫米的圆柱形粒子。

实施例2

一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，包括如下重量份的组分：PEEK基体材料100份、聚四氟乙烯10份、改性碳纤维7份、改性玻璃纤维7份、纳米碳化硅12份、复合润滑剂4份，且所述的润滑剂包括如下重量份的组分：硬脂酸5份、甜菜碱8份、聚硅脂3份、聚乙烯蜡6份。所述的纳米碳化硅为直径400nm的碳化硅粉末。

上述的润滑剂的制备方法为：按重量份将5份的硬脂酸、8份的甜菜碱、3份的聚硅脂和6份的聚乙烯蜡加入到不锈钢反应釜中，并在70℃下反应1小时，反应后得到的产物即为该润滑剂。

上述的改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将15份的聚苯乙烯磺酸钠溶解于环己酮中，形成饱和的混合液；

(2)将5份的碳纤维加入上述混合液中浸泡2小时，浸泡完成后将其取出并在80℃下干燥1小时，即得到改性碳纤维。

上述的改性玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将13份的环糊精、80份的环己烷、3份的MDI和30份的玻璃纤维加入到不锈钢反应釜中，并在70℃下反应2小时；

(2)反应后，将反应物加入旋转蒸发仪中除去溶剂，然后在60℃下干燥1小时，即可得到改性玻璃纤维。

上述一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将100份的PEEK基体材料、10份的聚四氟乙烯、7份的改性碳纤维、7份的改性玻璃纤维、12份的纳米碳化硅(直径400nm的碳化硅粉末)和4份的复合润滑剂加入到混料机中混合均匀，混合后在130℃的烘箱中烘干3小时，即可得到混合物料；

(2)将所得的混合物料加入到双螺杆造粒机中进行挤出造粒，即可得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料；且所述双螺杆造粒机造粒的温度为：双螺杆造粒机的一区温度为285℃，二区温度为365℃，三区温度为365℃，四区温度为360℃，模口温度为345℃；造粒得到的粒子为直径1毫米、长度5毫米的圆柱形粒子。

实施例3

一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，包括如下重量份的组分：PEEK基体材料100份、聚四氟乙烯20份、改性碳纤维5份、改性玻璃纤维6份、纳米碳化硅13份、复合润滑剂2份，且所述的润滑剂包括如下重量份的组分：硬脂酸4份、甜菜碱5份、聚硅脂2份、聚乙烯蜡6份。所述的纳米碳化硅为直径250nm的碳化硅粉末。

上述的润滑剂的制备方法为：按重量份将4份的硬脂酸、5份的甜菜碱、2份的聚硅脂和6份的聚乙烯蜡加入到不锈钢反应釜中，并在65℃下反应2小时，反应后得到的产物即为该润滑剂。

上述的改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将17份的聚苯乙烯磺酸钠溶解于环己酮中，形成饱和的混合液；

(2)将8份的碳纤维加入上述混合液中浸泡2小时，浸泡完成后将其取出并在70℃下干燥2小时，即得到改性碳纤维。

上述的改性玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将12份的环糊精、60份的环己烷、2份的MDI和30份的玻璃纤维加入到不锈钢反应釜中，并在65℃下反应3小时；

(2)反应后，将反应物加入旋转蒸发仪中除去溶剂，然后在55℃下干燥2小时，即可得到改性玻璃纤维。

上述一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将100份的PEEK基体材料、20份的聚四氟乙烯、5份的改性碳纤维、6份的改性玻璃纤维、13份的纳米碳化硅(直径250nm的碳化硅粉末)和2份的复合润滑剂加入到混料机中混合均匀，混合后在140℃的烘箱中烘干2小时，即可得到混合物料；

(2)将所得的混合物料加入到双螺杆造粒机中进行挤出造粒，即可得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料；且所述双螺杆造粒机造粒的温度为：双螺杆造粒机的一区温度为290℃，二区温度为375℃，三区温度为375℃，四区温度为370℃，模口温度为345℃；造粒得到的粒子为直径2毫米、长度4毫米的圆柱形粒子。

实施例4

一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，包括如下重量份的组分：PEEK基体材料100份、聚四氟乙烯30份、改性碳纤维10份、改性玻璃纤维8份、纳米碳化硅15份、复合润滑剂4份，且所述的润滑剂包括如下重量份的组分：硬脂酸6份、甜菜碱7份、聚硅脂4份、聚乙烯蜡8份。所述的纳米碳化硅为直径300nm的碳化硅粉末。

上述的润滑剂的制备方法为：按重量份将6份的硬脂酸、7份的甜菜碱、4份的聚硅脂和8份的聚乙烯蜡加入到不锈钢反应釜中，并在65℃下反应3小时，反应后得到的产物即为该润滑剂。

上述的改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将20份的聚苯乙烯磺酸钠溶解于环己酮中，形成饱和的混合液；

(2)将10份的碳纤维加入上述混合液中浸泡2小时，浸泡完成后将其取出并在70℃下干燥2小时，即得到改性碳纤维。

上述的改性玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份将15份的环糊精、80份的环己烷、4份的MDI和40份的玻璃纤维加入到不锈钢反应釜中，并在65℃下反应3小时；

(2)反应后，将反应物加入旋转蒸发仪中除去溶剂，然后在50℃下干燥2小时，即可得到改性玻璃纤维。

上述一种耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将100份的PEEK基体材料、30份的聚四氟乙烯、10份的改性碳纤维、8份的改性玻璃纤维、15份的纳米碳化硅(直径300nm的碳化硅粉末)和4份的复合润滑剂加入到混料机中混合均匀，混合后在145℃的烘箱中烘干2小时，即可得到混合物料；

(2)将所得的混合物料加入到双螺杆造粒机中进行挤出造粒，即可得到耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料；且所述双螺杆造粒机造粒的温度为：双螺杆造粒机的一区温度为300℃，二区温度为380℃，三区温度为380℃，四区温度为380℃，模口温度为350℃；造粒得到的粒子为直径2毫米、长度5毫米的圆柱形粒子。

测试例1

取上述实施例3制得的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料和传统改性的PEEK材料(即在PEEK材料中加入30％的玻璃纤维增强或者30％的碳纤维增强等材料改性)，通过摩擦磨损试验仪测试其摩擦系数：测得传统改性的PEEK材料摩擦时摩擦系数的变化结果如图1所示；测得实施例3制得的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的摩擦系数变化结果如图2所示。从图中可以看出，实施例3制得的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的摩擦系数为0.2；本发明通过加入聚四氟乙烯、改性碳纤维、改性玻璃纤维、纳米碳化硅等材料对PEEK进行复合改性，增加其耐磨性和自润滑效果，解决了长期以来提高PEEK材料机械加工性能需要以牺牲耐高温性能与力学性能为代价的难题。

测试例2

取上述实施例4制得的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料，参考威格斯PEEK耐高温测试，测得制得的耐高温、耐磨损型PEEK基体复合材料的热变形温度高达310-315℃、长期耐热性指数达280℃。

上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。