一種聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料、制備方法及其在減摩耐磨方面的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料、 制備方法及其在減摩耐磨方面的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 高分子材料由于其與金屬相比具有低的摩擦系數(shù)、良好的阻尼性能和自潤滑能 力，在摩擦學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)有較強(qiáng)的競爭力，但是常規(guī)通用高分子材料已不能滿足日益擴(kuò)大 的應(yīng)用需求。聚醚醚酮作為一種半結(jié)晶性、熱塑性特種工程塑料，不僅具有高力學(xué)性能、耐 熱性、耐腐蝕性、耐疲勞性、絕緣性及抗輻射性，而且摩擦性能及自潤滑性優(yōu)異，然而純樹脂 的應(yīng)用范圍及條件十分有限，因此需要對其進(jìn)行改性填充以拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 碳纖維常被用作填充劑，以提高復(fù)合材料的耐磨性能，在摩擦發(fā)生過程中，其會隨 著材料的磨損暴露于表面，承擔(dān)大部分載荷，進(jìn)而大幅提升摩擦磨損性能。
[0004] 無機(jī)納米粒子的添加能有效地改善材料的摩擦磨損性能，在摩擦?xí)r剛性較大的納 米粒子的脫落不僅能夠承擔(dān)載荷，也提供了一種摩擦接觸面間的滾動摩擦機(jī)制，提高材料 耐磨性能。但由于納米粒子較高的比表面積和表面能，在基體中易發(fā)生團(tuán)聚而影響其在聚 合物基體中的作用，所以對其進(jìn)行表面改性十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種填料分散性良好，低摩擦系數(shù)、低磨損率，減摩耐磨性 能優(yōu)異的聚醚醚酮基復(fù)合材料、其制備方法及其在減摩耐磨方面的應(yīng)用。
[0006] 為了優(yōu)化微米尺寸短切碳纖維的分散性，我們利用與聚醚醚酮相容性良好且耐高 溫的聚醚酰亞胺對碳纖維進(jìn)行包覆處理；同時(shí)對納米二氧化鈦進(jìn)行偶聯(lián)劑接枝以降低其團(tuán) 聚程度。與不經(jīng)任何處理的填料相比，其具有在復(fù)合材料中分散均勻且與基體的界面作用 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明所述的一種聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料，其特征在于：按質(zhì)量和100%計(jì)算， 含有65%~87%聚醚醚酮（PEEK)，10%~30 %聚醚酰亞胺（PEI)包覆的碳纖維，3~5% 偶聯(lián)劑改性的二氧化鈦。
[0008] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述的聚醚醚酮粒徑為38~75 μπι，熔融指數(shù)為20~ 25g/10min (由XRZ-400熔融指數(shù)儀測定，測試條件：400°C，負(fù)荷砝碼重5kg，聚合物裝入測 試料筒預(yù)熱5min)。
[0009] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述的聚醚酰亞胺（PEI)的分子量1為55000~60000。
[0010] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述的碳纖維為上海吳羽化學(xué)有限公司生產(chǎn)的石油瀝青基石墨化 短切碳纖維，長度為100~200 μ m，直徑10~20 μ m。
[0011] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述的二氧化鈦，粒徑為40~100nm，且經(jīng)偶聯(lián)劑改性，所用的偶 聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑KH570或KH550。
[0012] -種聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：
[0013] (1)將聚醚酰亞胺（PEI)加入到三氯甲烷中，濃度為0· Ig~0· 5g/10mL，20~30°C 下攪拌至溶解，再加入碳纖維，碳纖維和PEI的質(zhì)量比為5~50 :1，繼續(xù)攪拌2~4h，然后 將所得混合液邊攪拌邊緩慢倒入無水乙醇中，制得PEI包覆的碳纖維，過濾洗滌后烘干；
[0014] (2)將二氧化鈦加入到無水乙醇中，濃度為0. 5~lg/10mL，超聲分散3~5h后加 入無水乙醇體積5~10%的蒸餾水，并利用氨水調(diào)節(jié)混合液的pH值為8~10,再加入偶聯(lián) 劑，二氧化鈦和偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為20~100 :1，然后在50~80°C的條件下反應(yīng)1~3h，制 得偶聯(lián)劑改性的二氧化鈦，離心洗滌后烘干；
[0015] (3)將聚醚醚酮樹脂、PEI包覆的碳纖維、偶聯(lián)劑改性的二氧化鈦按質(zhì)量百分比 65%~87% :10%~30% :3%~5%，經(jīng)高速攪拌混合機(jī)混合后，于100~12CTC條件下干 燥8~12h ;
[0016] (4)將步驟（3)干燥好的混合物加入到雙螺桿擠出機(jī)中，在370~390°C的條件下 混煉、擠出、造粒，并將粒料干燥；將干燥好的粒料通過注塑機(jī)注塑成型，最終得到聚醚醚酮 基復(fù)合材料樣品。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：選用擁有較高的綜合性能且價(jià)格相對較 低的瀝青基短切碳纖維，同時(shí)以聚醚酰亞胺對其進(jìn)行表面物理包覆，提高了碳纖維在聚醚 醚酮樹脂中的分散及與基體的界面相容性。通過摩擦學(xué)測試對比，包覆后的碳纖維/聚醚 醚酮復(fù)合材料擁有更低的摩擦系數(shù)和磨損率。進(jìn)一步利用碳纖維和無機(jī)納米粒子的協(xié)同效 應(yīng)，將偶聯(lián)劑接枝后的納米二氧化鈦引入復(fù)合體系，偶聯(lián)劑的表面處理有效地降低了納米 粉體在基體中的團(tuán)聚現(xiàn)象。
[0018] 本發(fā)明所述的一種聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料與現(xiàn)有的聚醚醚酮復(fù)合材料相比，摩 擦系數(shù)降低，磨損率降低，原因是同時(shí)經(jīng)過表面處理后的碳纖維和納米粒子，在基體中分散 性和界面相容性良好，摩擦過程中，能形成均一、穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)移膜，而且納米粒子能夠在 摩擦面和對偶面提供一種滾動摩擦機(jī)制，進(jìn)而減少摩擦面的損傷，提高復(fù)合材料的減摩耐 磨性能。并且在載荷提高一倍的摩擦環(huán)境下，本發(fā)明制備的復(fù)合材料與傳統(tǒng)的碳纖維/聚 醚醚酮復(fù)合材料相比，仍能保持較低的摩擦系數(shù)和磨損率，使復(fù)合材料能夠滿足更大范圍 及苛刻環(huán)境下的減摩耐磨應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019] 圖1為PEI包覆處理前（a)后（b)，碳纖維的掃描電鏡對比圖；
[0020] 從圖中可以看出，包覆后的碳纖維表面粗糙，能有效促進(jìn)分散及界面作用；
[0021] 圖2為偶聯(lián)劑處理前（a)后（b)，二氧化鈦的透射電鏡對比圖；
[0022] 從圖中可以看出，納米級粉體極易團(tuán)聚，但經(jīng)KH570處理后，二氧化鈦分散良好；
[0023] 圖3為實(shí)施例1摩擦面的掃描電鏡照片（測試條件：4MPa，200r/min，2h);
[0024] 從圖中可以看出，即使在較高的摩擦載荷下，復(fù)合材料的摩擦面并沒有發(fā)生嚴(yán)重 的損傷，這也是復(fù)合材料摩擦磨損性能得到提高的原因。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，所述的實(shí)施例只是對本發(fā)明的權(quán) 利要求的具體描述，權(quán)利要求包括但不限于所述的實(shí)施例內(nèi)容。
[0026] 下述實(shí)施例中所述的試劑和材料如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得；所述實(shí)驗(yàn) 方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0027] 實(shí)施例1 :制備10wt% PEI包覆的碳纖維/3wt% KH570-Ti02/PEEK耐磨復(fù)合材料
[0028] 將0. 5g聚醚酰亞胺加入到30mL三氯甲烷中，20°C下攪拌至溶解后，加入碳纖維 10g，20°C下繼續(xù)攪拌3h，然后將混合液邊攪拌邊緩慢倒入無水乙醇中，過濾、洗滌后烘干， 制得PEI包覆的碳纖維，碳纖維和PEI的質(zhì)量比為20 :1。
[0029] 將3g二氧化鈦加入到60mL乙醇中超聲分散3h后，加入3mL蒸餾水，并用氨水調(diào) 節(jié)混合液的pH值至8,最后加入0. 03gKH570,在50°C的條件下反應(yīng)3h，離心、洗絳后烘干， 制得KH570改性的二氧化鈦，二氧化鈦和KH570的質(zhì)量比為100 :1。
[0030] 將87g PEEK、IOg聚醚酰亞胺包覆的碳纖維、3g KH570修飾的二氧化鈦加入高速攪 拌混合機(jī)混合均勻后，于120°C烘箱中干燥8h，將干燥好的混合物加入到雙螺桿擠出機(jī)中， 在380°C的條件下混煉、擠出、造粒后，將粒料干燥；將干燥好的粒料通過注塑機(jī)注塑成型， 最終得到聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料樣品。
[0031] 實(shí)施例2 :制備10wt% PEI包覆的碳纖維/5wt% KH570-Ti02/PEEK耐磨復(fù)合材料
[0032] 將Ig聚醚酰亞胺加入到60mL三氯甲烷中，20°C下攪拌至溶解后，加入碳纖維10g， 20°C下繼續(xù)攪拌3h，然后將混合液邊攪拌邊緩慢倒入無水乙醇中，過濾、洗滌后烘干，制得 PEI包覆的碳纖維，碳纖維和PEI的質(zhì)量比為10 :1。
[0033] 將5g二氧化鈦加入到50mL乙醇中超聲分散5h后，加入5mL蒸餾水，并用氨水調(diào) 節(jié)混合液的pH值至10,最后加入0. 25gKH570,在80°C的條件下反應(yīng)lh，離心、洗絳后烘干， 制得KH570改性的二氧化鈦，二氧化鈦和KH570的質(zhì)量比為20 :1。
[0034] 將85g PEEK、IOg聚醚酰亞胺包覆的碳纖維、5g KH570修飾的二氧化鈦加入高速 攪拌混合機(jī)混合均勻后，于IKTC烘箱中干燥10h，將干燥好的混合物加入到雙螺桿擠出機(jī) 中，在390°C的條件下混煉、擠出、造粒后，將粒料干燥；將干燥好的粒料通過注塑機(jī)注塑成 型，最終得到聚醚醚酮基耐磨復(fù)合材料樣品。
[0035] 實(shí)施例3 :制備20wt% PEI包覆的碳纖維/3wt% KH570-Ti02/PEEK耐磨復(fù)合材料
[0036] 將0. 5g聚醚酰亞胺加入到30mL三氯甲烷中，25°C下攪拌至溶解后，加入碳纖維 20g，25°C下繼續(xù)攪拌3h，然后將混合液邊攪拌邊緩慢倒入無水乙醇中，過濾、洗滌后烘干， 制得PEI包覆的碳纖維，碳纖維和PEI的質(zhì)量比為40 :1。
[0037] 將3g二氧化鈦加入到40mL乙醇中超聲分散4h后，加入3. 2mL蒸餾水，并用氨水 調(diào)節(jié)混合液的PH至9,