專利名稱：碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明敘述了一種具有高耐磨、高機械強度，適合于高負荷、長壽命、及苛刻條件下使用的碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
高分子材料用作減摩耐磨材料始于60年代，但其發(fā)展極為迅速。目前，高分子材料在摩擦領(lǐng)域中的應用已越來越廣泛。常用的除尼龍和聚苯醚等工程塑料外，近年出現(xiàn)了一些新型耐高溫聚合物材料如聚醚醚酮、聚苯硫醚以及液晶聚合物等。由于它們具有優(yōu)良的自潤滑性，加之電絕緣性及阻尼性好，因而特別適合用于制作干滑動部件。其中，具有芳香結(jié)構(gòu)的聚醚醚酮(簡稱PEEK)是一種引人注目的具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優(yōu)異性能的特種工程塑料。
耐高溫PEEK樹脂具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(143℃)和熔點(334℃)，這是它可在有耐熱性要求的用途中可靠應用的理由之一。其負載熱變型溫度高達316℃(30％GF或CF增強牌號)，連續(xù)使用溫度為260℃。
機械特性PEEK樹脂是韌性和剛性兼?zhèn)洳⑷〉闷胶獾乃芰稀Ｌ貏e是它對交變應力的優(yōu)良耐疲勞性是所有塑料中最出眾的，可與合金材料媲美。
自潤滑性PEEK樹脂在所有塑料中具有出眾的滑動特性，適合于嚴格要求低摩擦系數(shù)和耐摩耗用途使用。特別是碳纖、石墨、聚四氟乙烯各占10％比例混合改性的滑動牌號或30％CF增強牌號等均為具有優(yōu)異滑動特性的牌號。
耐化學藥品性(耐腐蝕性)PEEK樹脂具有優(yōu)異的耐化學藥品性，在通常的化學藥品中，能溶解或者破壞它的只有濃硫酸，它的耐腐蝕性與鎳鋼相近。
阻燃性PEEK樹脂是非常穩(wěn)定的聚合物，1.45mm厚的樣品，不加任何阻燃劑就可達到最高阻燃標準。
易加工性PEEK樹脂雖然是超耐熱性樹脂，但由于它具有高溫流動性好和熱分解溫度很高等特點，因此可采用注射、擠出、模壓、吹塑、熔融紡絲、旋轉(zhuǎn)成型和粉末噴涂等。
碳纖維是纖維狀的碳材料，即其化學組成中碳元素占總質(zhì)量的90％以上。元素碳根據(jù)其原子結(jié)合方式的不同，可形成金剛石、石墨、卡賓等結(jié)晶態(tài)，也可形成非晶態(tài)的各種過渡態(tài)碳。碳纖維織物是用碳纖維編織的二維或三維形狀的整體材料，編織物具有纖維形態(tài)的穩(wěn)定和單向纖維所不具備的一些特性。
碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料具有密度小、高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、導電、導熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑和吸能抗震等一系列優(yōu)異性能，綜合了碳纖維和工程塑料及特種工程塑料的優(yōu)點，在性能上起協(xié)同作用，得到單一材料無法比擬的優(yōu)越的綜合性能，成為一類新型的復合材料。目前，碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料已廣泛地用于宇航、火箭、導彈、航空、原子能等國防軍工部門并已廣泛推廣到民用產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高耐磨、高機械強度，適合于高負荷、長壽命、及苛刻條件下使用的碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料及其制備方法。
在碳纖維增強樹脂復合材料成型過程中，碳纖維的表面處理和樹脂對碳纖維表面的潤濕性的大小是復合材料設(shè)計成敗的關(guān)鍵。由于PEEK樹脂具有優(yōu)異的耐化學藥品性，在通常的化學藥品中，能溶解或者破壞它的只有濃硫酸。但是，濃硫酸如果用來溶解PEEK，會破壞PEEK的分子結(jié)構(gòu)，另外在復合材料成形后，材料體系中的殘余硫酸去處不凈，會腐蝕與該材料接觸的金屬部件。
本發(fā)明通過如下措施來實現(xiàn)一種碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料，選用聚醚醚酮或聚醚醚酮中添加潤滑劑石墨粉，聚四氟乙烯，碳纖維粉作為基體，采用碳纖維和石墨纖維，或碳纖維和石墨纖維的二維編織物為增強相?；w中的各組分重量百分含量為聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纖維粉0～15％。該材料的纖維編織物的用量占整個材料的重量比為40～65％。
本發(fā)明的碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料，具體制備方法依次包括如下步驟1.碳纖維和石墨纖維或其編織物用丙酮在超聲波中清洗至表面無膠，清洗完后在烘箱中烘至丙酮完全揮發(fā)。
2.塑料粉料的混合和溶解按重量百分含量為聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纖維粉0～15％稱取基體，將稱好的基體材料加入到對氯代苯酚中，基體占總?cè)芤旱闹亓堪俜趾繛?5～25％。于80～130℃充分溶解備用。
3.清洗好的碳纖維和石墨纖維或編織物在低溫冷等離子體中于空氣介質(zhì)，5～6Pa，100～150V，150～200mA條件下處理3min。
4.處理好的碳纖維和石墨纖維或編織物在80～130℃下浸漬在基體的對氯代苯酚溶液中，于超聲波中在80～130℃下充分浸漬30min。
5.從超聲波中取出處理好的纖維或編織物，在烘箱中烘至對氯苯酚完全揮發(fā)。
6.烘好的纖維或編織物剪裁成55×100mm的片材，并將片材裝入模具。
7.將裝好片材的模具在壓機上于370～380℃在15～30MPa下熱壓30min。
8.當溫度降到小于80℃后取出樣片。
本發(fā)明材料的制備方法的特點是采用將PEEK在對氯苯酚中熱溶解，這樣，既增加了PEEK與碳纖維的潤濕性且保持PEEK的分子結(jié)構(gòu)不變，又能使溶劑在壓制成型過程中完全揮發(fā)，對成型后的材料不產(chǎn)生影響。
所制備的樣片在MM-2000摩擦磨損試驗機上評價結(jié)果如下條件對偶45#鋼，轉(zhuǎn)速每分鐘200轉(zhuǎn)，載荷200牛頓，干摩擦，大氣介質(zhì)。
結(jié)果摩擦系數(shù)0.18～0.55，磨痕寬度2.0～4.5mm。
復合材料主要用于摩擦部件，具體的講，可作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)潤滑材料或磨阻材料應用于各類剎車裝置等。
以上成型工藝同樣適用于三維碳纖維編織物增強樹脂復合材料。
具體實施例方式
實施例1選取碳纖維二維編織物為增強相，純聚醚醚酮為基體，具體步驟如下1. 碳纖維二維編織物50g用丙酮在超聲波中清洗三次，每次十分鐘，清洗完后在烘箱中于80℃烘干。
2.塑料粉料溶解稱取重量為30g的聚醚醚酮將稱好的基體材料加入到120g對氯代苯酚中于90℃充分溶解備用。
3.碳纖維二維編織物在低溫冷等離子體中于空氣介質(zhì)，6Pa，150V，0～200mA條件下處理3min。
4.處理好的碳纖維二維編織物在90℃下浸漬在基體的對氯代苯酚溶液中，于超聲波中在90℃下充分浸漬30min。
5.從超聲波中取出處理好的碳纖維編織物，在烘箱中于150℃烘干。
6.烘好的碳纖維編織物剪裁成55×100mm的片材，并將片材裝入模具。
7.將裝好片材的模具在50噸壓機上于375℃在30MPa下熱壓30min。
8.當溫度降到小于80℃后取出樣片。
所制備的樣片在MM-2000摩擦磨損試驗機上評價結(jié)果如下條件對偶45#鋼，轉(zhuǎn)速每分鐘200轉(zhuǎn)，載荷200牛頓，干摩擦，大氣介質(zhì)。
結(jié)果摩擦系數(shù)0.35～0.55，磨痕寬度4.0～4.5mm。
應用前景可作為磨阻材料應用于各類剎車裝置等。
實施例2選取石墨纖維二維編織物100g為增強相，純聚醚醚酮120g為基體，具體實施步驟如同實施例1。
所制備的樣片在MM-2000摩擦磨損試驗機上評價結(jié)果如下條件對偶45#鋼，轉(zhuǎn)速每分鐘200轉(zhuǎn)，載荷200牛頓，干摩擦，大氣介質(zhì)。
結(jié)果摩擦系數(shù)0.18～0.25，磨痕寬度2.0～3.2mm。
應用前景可作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)潤滑材料。
實施例3選用碳纖維或石墨纖維二維編織物為增強相，聚醚醚酮添加潤滑劑為基體，具體實施步驟如下1.碳纖維或石墨纖維或編織物用丙酮在超聲波中清洗三次，每次十分鐘，清洗完后在烘箱中于80℃烘干。
2.塑料粉料的混合和溶解按重量百分含量為聚醚醚酮70g，石墨粉10g，聚四氟乙烯10g，碳纖維粉10g稱取基體，將稱好的基體材料加入到400g對氯代苯酚中于90℃充分溶解備用。
3.碳纖維或墨纖維或編織物在低溫冷等離子體中于空氣介質(zhì)，6Pa，0～150V，200mA條件下處理3min。
4.處理好的碳纖維或墨纖維或編織物在90℃下浸漬在基體的對氯代苯酚溶液中，于超聲波中在90℃下充分浸漬30min。
5.從超聲波中取出處理好的纖維編織物，在烘箱中于160℃烘干。
6.烘好的纖維編織物剪裁成55×100mm的片材，并將片材裝入模具。
7.將裝好片材的模具在50噸壓機上于380℃在25MPa下熱壓30min。
8.當溫度降到小于80℃后取出樣片。
本實施例中所制備的兩類樣品都比以純聚醚醚酮為基體的材料耐磨性要好的多。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料，選用聚醚醚酮或聚醚醚酮中添加潤滑劑石墨粉，聚四氟乙烯，碳纖維粉作為基體，采用碳纖維和石墨纖維，或碳纖維和石墨纖維的二維編織物為增強相?；w中的各組分重量百分含量為聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纖維粉0～15％；材料的纖維編織物的用量占整個材料的重量比為40～65％。
2.如權(quán)利要求1所述材料的制備方法，其特征在于該方法依次包括如下步驟1)碳纖維和石墨纖維或其編織物用丙酮在超聲波中清洗至表面無膠，清洗完后在烘箱中烘至丙酮完全揮發(fā)；2)塑料粉料的混合和溶解按重量百分含量為聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纖維粉0～15％稱取基體，將稱好的基體材料加入到對氯代苯酚中，基體占總?cè)芤旱闹亓堪俜趾繛?5～25％。于80～130℃充分溶解備用；3)清洗好的碳纖維和石墨纖維或編織物在低溫冷等離子體中于空氣介質(zhì)，5～6Pa，100～150V，150～200mA條件下處理3min；4)處理好的碳纖維和石墨纖維或編織物在80～130℃下浸漬在基體的對氯代苯酚溶液中，于超聲波中在80～130℃下充分浸漬30min；5)從超聲波中取出處理好的纖維或編織物，在烘箱中烘至對氯苯酚完全揮發(fā)；6)烘好的纖維或編織物剪裁成55×100mm的片材，并將片材裝入模具；7)將裝好片材的模具在壓機上于370～380℃在15～30MPa下熱壓30min；8)當溫度降到小于80℃后取出樣片。
全文摘要
本發(fā)明敘述了一種具有高耐磨、高機械強度，適合于高負荷、長壽命、及苛刻條件下使用的碳纖維或石墨纖維織物增強聚醚醚酮層壓復合材料及其制備方法。該類材料主要用于摩擦部件，在基體樹脂中添加不同的添加劑可制成潤滑部件或摩阻材料。
文檔編號C08K7/06GK1415662SQ0214172
公開日2003年5月7日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者簡令奇, 王宏剛, 楊生榮, 王建民, 曾繼華, 張國強 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所