專利名稱：一種改性玻璃纖維制備gf/peek復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型共混物及其制備方法，具體涉及一種短切玻璃纖維增強(qiáng)PEEK及其制備方法，屬于改性PEEK技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聚醚醚酮(PEEK)是一種線性芳香族半結(jié)晶熱塑性聚合物材料，主鏈結(jié)構(gòu)中含有剛性的苯環(huán)、柔順的醚鍵及提高分子間作用力的羰基，使其具有突出的剛性和柔性，特別是在交變應(yīng)力下的抗疲勞性非常突出，可與合金材料媲美。PEEK具有較好的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=143°C )和熔點(diǎn)(Tm=334°C )，長期使用溫度(UL溫度指數(shù))250°C，短期工作溫度達(dá)300°C WEEK具有高的力學(xué)強(qiáng)度、耐熱性、耐摩擦性、耐藥品性、耐水分解性等，同時(shí)還有優(yōu)異的加工性，易于注射成型、擠出成型、壓縮成型和切削加工，作為高性能復(fù)合材料的基體在工程中得到廣泛應(yīng)用。為了滿足工程上制造高精度、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞和抗沖擊零件的需要，對PEEK進(jìn)行共混、填充、纖維增強(qiáng)等復(fù)合增強(qiáng)改性以期得到性能更加優(yōu)越的材料。纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗蠕變性、抗?jié)駸崂匣院湍蜎_擊性能。玻璃纖維(GF)和碳纖維(CF)具有較高的強(qiáng)度和模量，是常用的聚合物增強(qiáng)填料，在PEEK樹脂中加入玻璃纖維或碳纖維可以大幅度提高材料的剛性、尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等。CF/PEEK復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)良，但是CF價(jià)格昂貴，制品性價(jià)比不高，也不能滿足航空零部件絕緣性能的要求。而GF具有價(jià)格低廉、絕緣性能好、尺度穩(wěn)定性和耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，與PEEK復(fù)合后可使其具有更高的熱變形溫度和更小的收縮率，因此GF/PEEK廣泛應(yīng)用于航空、航天等聞科領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改性玻璃纖維制備GF/PEEK復(fù)合材料的方法，以提高玻璃纖維對樹脂基體的親和性，實(shí)現(xiàn)提高復(fù)合材料界面粘結(jié)性的目的。一種改性玻璃纖維制備GF/PEEK復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟如下:(I)稱取磨碎無堿玻璃纖維，用丙酮浸泡48h以除去表面的雜質(zhì)，然后用清潔丙酮反復(fù)沖洗，然后置于真空干燥箱中，110°c下干燥I h;(2)稱取PEEK純樹脂粒料置于烘箱內(nèi)，在150°C _160°C干燥2_3h，將水質(zhì)量百分含量降至0.1%以下；(3)將干燥后的原料按照磨碎無堿玻璃纖維:PEEK純樹脂粒料質(zhì)量比為3:7進(jìn)行共混，放入攪拌機(jī)內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度為1000 1500rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌30min ；

(4)將模具表面清理干凈，加熱到400°C時(shí)開模，均勻地在凹模和凸模上噴上脫模劑；(5)將混合好的原料加到模具中，合模，加壓到4Mpa、加熱15min使共混料熔融，然后降溫；模具溫度降至360°C時(shí)，進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為30min、保壓壓力為8.0MPa，然后進(jìn)行風(fēng)冷降溫，降至100°c ；(6)開模取樣，將制得的樣品進(jìn)行退火處理，200°C下恒溫60min，即獲得未經(jīng)等離子體處理的GF/PEEK復(fù)合材料。進(jìn)一步，將經(jīng)步驟(I)丙酮清洗處理并干燥后的磨碎無堿玻璃纖維置于射頻感性耦合等離子體裝置處理腔中進(jìn)行表面處理，流程如下:等離子體處理腔中，用真空泵將氣壓抽至I Pa以下，隨后向處理腔中通入氧氣進(jìn)行清洗，確保處理腔中反應(yīng)氣體為氧氣；清洗操作完成之后，向處理腔中通入氧氣，待腔內(nèi)氣體壓力恒定后打開射頻電源，調(diào)節(jié)離子體放電功率為300W、放電氣壓為15Pa，處理時(shí)間為3min ;然后再進(jìn)行上述步驟(2)。未經(jīng)任何表面處理的玻璃纖維，由于具有表面光滑、惰性大、表面能低、缺乏化學(xué)活性基團(tuán)、反應(yīng)活性低、與基體材料的粘接性較差、高溫抗氧化性較差等一系列缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的界面粘接性能較差，復(fù)合材料中玻璃纖維的高性能難以得到最大限度地發(fā)揮，從而直接影響了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。為了提高復(fù)合材料的界面性能，充分利用界面效應(yīng)來提高復(fù)合材料的性能，就必須采用物理或化學(xué)的方法，對玻璃纖維進(jìn)行表面處理，以提高玻璃纖維對樹脂基體的親和性，實(shí)現(xiàn)提高復(fù)合材料界面粘結(jié)性的目的。玻璃纖維的表面改性的主要方法有氧化處理、涂覆處理、等離子體處理等。低溫氧等離子體處理工藝能在玻璃纖維表面引入極性含氧基團(tuán)，使玻璃纖維表面活性提高，同時(shí)使玻璃纖維的表面粗糙度、表面自由能發(fā)生明顯改變，改善玻璃纖維對環(huán)氧樹脂體系的浸潤性能，提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，玻璃纖維經(jīng)表面改性處理后，所制備復(fù)合材料的性能得到顯著提高。下面通過實(shí)施例和比較對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不限于這些例子。


圖1 GF/PEEK復(fù)合材料磨損表面的SEM照片；(a) 2600倍，(b) 5000倍。
具體實(shí)施例方式原料:實(shí)驗(yàn)所用原料PEEK粉末由長春吉大高新材料有限公司提供，密度為1.32g/cm3，平均粒徑為IOOum ;南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供的磨碎無堿玻璃纖維，密度為2.2^2.3g/cm3,長徑比為5 30，單絲直徑1(Γ15 μ m。PEEK 的干燥:PEEK置于烘箱內(nèi)，原料厚度不超過25mm，在150°C干燥3h或160°C干燥2h，將含水量降至0.1%以下。GF表面的預(yù)處理:將GF用丙酮浸泡48h 以除去表面的雜質(zhì)，然后用清潔丙酮反復(fù)沖洗，然后置于真空干燥箱中，110°C下干燥lh。采用射頻感性耦合等離子體裝置對GF進(jìn)行表面處理，流程如下:將經(jīng)丙酮清洗處理并干燥后的GF置于等離子體處理腔中，用真空泵將處理腔中的氣壓抽至I Pa以下，隨后向處理腔中通入氧氣進(jìn)行清洗，然后再次將處理腔中的氣壓抽至IPa以下，再次進(jìn)行清洗，反復(fù)操作3次以上以確保處理腔中反應(yīng)氣體為氧氣。清洗操作完成之后，向處理腔中通入氧氣，待腔內(nèi)氣體壓力恒定后打開射頻電源，調(diào)節(jié)離子體放電功率為300W、放電氣壓為15Pa，處理時(shí)間為3min。GF/PEEK復(fù)合材料的制備:將干燥后的原料按照配比要求進(jìn)行共混，放入攪拌機(jī)內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度為1000-1500rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌30min ;將模具表面清理干凈,加熱到400°C時(shí)開模,均勻地在凹模和凸模上噴上脫模劑，在模具中裝共混料；合模，加壓到4Mpa、加熱15min使共混料熔融，然后降溫；模具溫度降至360°C時(shí)，進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為30min、保壓壓力為
8.0MPa，然后進(jìn)行風(fēng)冷降溫，降至100°C，開模取樣；將制得的樣品進(jìn)行退火處理，200°C下恒溫60min。實(shí)施例1所用的原料包括:PEEK純樹脂粒料，GF(I)稱取30g磨碎無堿玻璃纖維，用丙酮浸泡48h以除去表面的雜質(zhì)，然后用清潔丙酮反復(fù)沖洗，然后置于真空干燥箱中，110°c下干燥I h。(2)稱取70g PEEK純樹脂粒料置于烘箱內(nèi)，原料厚度不超過25mm，在150°C干燥3h或160°C干燥2h，將含水量降至0.1%以下。(3)將干燥后的原料按照配比要求進(jìn)行共混，放入攪拌機(jī)內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度為1000 1500rpm的轉(zhuǎn)速下高速攬拌30min。(4)將模具表面清理干凈，加熱到400°C時(shí)開模，均勻地在凹模和凸模上噴上脫模劑。(5)將混合好的原料加到在模具中，合模，加壓到4Mpa、加熱15min使共混料熔融，然后降溫；模具溫度降至360°C時(shí)，進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為30min、保壓壓力為8.0MPa，然后進(jìn)行風(fēng)冷降溫，降至100°C。`(6)開模取樣，將制得的樣品進(jìn)行退火處理，200°C下恒溫60min，即獲得未經(jīng)等離子體處理的GF/PEEK復(fù)合材料。實(shí)施例2所用的原料包括:PEEK純樹脂粒料，GF(I)稱取30g磨碎無堿玻璃纖維，用丙酮浸泡48h以除去表面的雜質(zhì)，然后用清潔丙酮反復(fù)沖洗，然后置于真空干燥箱中，110°c下干燥I h。(2)將經(jīng)丙酮清洗處理并干燥后的GF置于射頻感性耦合等離子體裝置處理腔中進(jìn)行表面處理，流程如下:等離子體處理腔中，用真空泵將的氣壓抽至I Pa以下，隨后向處理腔中通入氧氣進(jìn)行清洗，然后再次將處理腔中的氣壓抽至I Pa以下，再次進(jìn)行清洗，反復(fù)操作3次以上以確保處理腔中反應(yīng)氣體為氧氣。清洗操作完成之后，向處理腔中通入氧氣，待腔內(nèi)氣體壓力恒定后打開射頻電源，調(diào)節(jié)離子體放電功率為300W、放電氣壓為15Pa，處理時(shí)間為3min。(3)稱取70g PEEK純樹脂粒料置于烘箱內(nèi)，原料厚度不超過25mm，在150°C干燥3h或160°C干燥2h，將含水量降至0.1%以下。(4)將干燥后的原料按照配比要求進(jìn)行共混，放入攪拌機(jī)內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度為1000 1500rpm的轉(zhuǎn)速下高速攬拌30min。(5)將模具表面清理干凈，加熱到400°C時(shí)開模，均勻地在凹模和凸模上噴上脫模劑。(6)將混合好的原料加到在模具中，合模，加壓到4Mpa、加熱15min使共混料熔融，然后降溫；模具溫度降至360°C時(shí)，進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為30min、保壓壓力為8.0MPa，然后進(jìn)行風(fēng)冷降溫，降至100°C。(7)開模取樣，將制得的樣品進(jìn)行退火處理，200°C下恒溫60min，即獲得本發(fā)明的GF/PEEK復(fù)合材料。對比試驗(yàn)取純聚醚醚酮(PEEK)為試樣一，實(shí)施例1的樣品為試樣二，實(shí)施例2的樣品為試樣三，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)樣品尺寸為44mmX 29mmX 3mm,拉伸實(shí)驗(yàn)按GB/T1040-91標(biāo)準(zhǔn)測試，測試溫度為室溫，拉伸速度為10mm/min，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)所備計(jì)算機(jī)處理后自動(dòng)給出。彎曲試驗(yàn)樣品樣條尺寸為55mmX6mmX4mm,彎曲實(shí)驗(yàn)按GB/T1042-79標(biāo)準(zhǔn)測試，橫梁下降速度為5mm/min，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)所備計(jì)算機(jī)處理后自動(dòng)給出。每組測試樣品取5個(gè)測試樣條，相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)取平均值。將試樣一，試樣二和試樣三分別在CETR-3型球盤式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損性能測試試驗(yàn)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率為2Hz，往復(fù)行程為5mm，載荷為200N，對磨時(shí)間為60min，實(shí)驗(yàn)在室溫(20°C)下進(jìn)行。上試樣采用洛陽軸承廠產(chǎn)GCrl5鋼球，硬度HRC61-63，直徑為4.0mm。實(shí)驗(yàn)前鋼球和試樣表面用900號(hào)水砂紙打磨，使其粗糙度分別為0.1 μ π!和
0.l-0.2 μ m，然后用丙酮清洗并烘干。摩擦系數(shù)取摩擦狀態(tài)穩(wěn)定的后60min的摩擦系數(shù)平均值，磨損率為每單位載荷和滑動(dòng)距離上的磨損體積損失。摩擦系數(shù)和磨損率為三次試驗(yàn)的平均值。將樣品的磨損表面分別用丙酮和無水乙醇進(jìn)行清洗并烘干后噴金，然后利用掃描電鏡分析磨損表面和磨屑形貌。試樣一，試樣二和試樣三的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。表1純PEEK和GF/PEEK的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能
權(quán)利要求
1.一種改性玻璃纖維制備GF/PEEK復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟如下: (1)稱取磨碎無堿玻璃纖維，用丙酮浸泡48h以除去表面的雜質(zhì)，然后用清潔丙酮反復(fù)沖洗，然后置于真空干燥箱中，110°C下干燥I h; (2)稱取PEEK純樹脂粒料置于烘箱內(nèi)，在150°C_160°C干燥2_3h，將水質(zhì)量百分含量降至0.1%以下； (3)將干燥后的原料按照磨碎無堿玻璃纖維:PEEK純樹脂粒料質(zhì)量比為3:7進(jìn)行共混，放入攪拌機(jī)內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度為1000 1500rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌30min ； (4)將模具表面清理干凈，加熱到400°C時(shí)開模，均勻地在凹模和凸模上噴上脫模劑； (5)將混合好的原料加到模具中，合模，加壓到4Mpa、加熱15min使共混料熔融，然后降溫；模具溫度降至360°C時(shí)，進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為30min、保壓壓力為8.0MPa，然后進(jìn)行風(fēng)冷降溫，降至100°C ； (6)開模取樣，將制得的樣品進(jìn)行退火處理，200°C下恒溫60min，即獲得未經(jīng)等離子體處理的GF/PEEK復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改性玻璃纖維制備GF/PEEK復(fù)合材料的方法，將經(jīng)步驟(I)丙酮清洗處理并干燥后的磨碎無堿玻璃纖維置于射頻感性耦合等離子體裝置處理腔中進(jìn)行表面處理，流程如下:等離子體處理腔中，用真空泵將氣壓抽至I Pa以下，隨后向處理腔中通入氧氣進(jìn)行清洗，確保處理腔中反應(yīng)氣體為氧氣；清洗操作完成之后，向處理腔中通入氧氣，待腔內(nèi)氣體壓力恒定后打開射頻電源，調(diào)節(jié)離子體放電功率為300W、放電氣壓為15Pa，處理時(shí)間為3min ;然后再進(jìn)行上述步驟(2)。
全文摘要
一種改性玻璃纖維制備GF/PEEK復(fù)合材料的方法屬于改性PEEK技術(shù)領(lǐng)域。本方法步驟稱取磨碎無堿玻璃纖維，用丙酮浸泡后干燥；稱取PEEK純樹脂粒料置于烘箱內(nèi)干燥；將干燥后的原料按照磨碎無堿玻璃纖維PEEK純樹脂粒料質(zhì)量比為3∶7進(jìn)行共混，放入攪拌機(jī)內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度為1000～1500rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌30min；將模具表面清理干凈，加熱到400℃時(shí)開模，均勻地在凹模和凸模上上脫模劑；將混合好的原料加到模具中，合模，加壓到4MPa、加熱15min使共混料熔融，然后降溫；模具溫度降至360℃時(shí)，進(jìn)行保壓，然后進(jìn)行風(fēng)冷降溫，降至100℃；開模取樣，將制得的樣品進(jìn)行退火處理。本發(fā)明改善玻璃纖維對環(huán)氧樹脂體系的浸潤性能，提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，所制備復(fù)合材料的性能得到顯著提高。
文檔編號(hào)C08K9/00GK103073841SQ201310000518
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月2日
發(fā)明者李恩重, 王海斗, 徐濱士, 郭偉玲, 邢志國, 劉曉亭 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院