三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法

专利名称：三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法。
背景技术：
三维编织复合材料是近二十年来兴起的一种新型复合材料，它从根本上克服了传 统层合板层间剪切强度低、易分层的缺点，已广泛应用于航空、航天、医疗、体育等领域。例 如，传统的层合板复合材料具有难以克服的固有缺陷沿厚度方向的刚度和强度性能差，面 内剪切和层间剪切强度较低，易分层，冲击韧性和损伤容限水平低等，因而在许多场合下不 能满足使用要求。复合材料与纺织技术结合产生的三维编织碳纤维复合材料克服了传统层 合板复合材料的缺点，并以其优异的性能成为航空、航天和武器装备不可缺少的新型高性 能材料。同时，三维编织碳纤维复合材料具有很高的弯曲强度，极高的疲劳强度和抗损伤性 能，高的冲击韧性。此外，三维编织体可方便地改变形状，复合体无需二次加工，所以，三维 编织碳纤维复合材料极适于制备骨科植入物，是一种很有发展潜力的新型生物材料。三维 编织纤维与医用聚合物组成的复合材料有望完全替代金属骨植入物材料。本发明申请人与 国外几乎同时开展了三维编织复合材料用于骨科植入物的研究，但由于三维编织复合材料 的制备难度大，目前仅能制备三维编织纤维增强某些热固性聚合物基复合材料，而三维编 织碳纤维增强热塑性复合材料的制备难度很大。本专利发明人公开了三维编织碳纤维增强 聚甲基丙烯酸甲酯(简作PMMA)的制备方法(专利号ZL200610016187.X)，是该领域值得注 意的技术进步。与聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚醚醚酮(简作PEEK)的性能更加优越，是一种新型 的半晶态芳香族热塑性工程材料，具有极其出色的物理和力学性能，在航空、机械、石油、化 工、核电、轨道交通、医疗等众多领域有着广泛的应用。连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料 最初主要应用于航空航天领域和特殊需求的工业品，近几年开始在汽车、建筑、体育休闲等 民用领域应用。但由于聚醚醚酮的性质显著区别于聚甲基丙烯酸甲酯，因此，无法采用专利 ZL200610016187. X公开的技术制备三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料制备。为此，需 要独辟蹊径。

发明内容
本发明的目的在于提供一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法。 该方法以纤维混编加热压的组合技术制备三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，再采用 独特的热压工艺，可以有效克服聚醚醚酮的热塑性性质给三维编织复合材料制备所带来的 困难，从而得到力学性能优异的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。本发明提供的一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是以聚醚醚酮纤维与 碳纤维按碳纤维为原料，按碳纤维体积含量为18巧4%的三维五向混合编织碳纤维增强聚 醚醚酮复合而成，制备步骤将聚醚醚酮纤维与碳纤维按所需体积含量进行三维混合编织， 将混合织物进行溶液氧化预处理，水洗，干燥，模具热压成型。
所述的碳纤维包括聚丙烯腈(PAN)、粘胶基及浙青基碳纤维，碳纤维束的尺寸包括 1K.3K.6KU2K和MK，碳纤维单丝的直径为5 20微米。所述的聚醚醚酮以纤维的形式使用，其直径为5 40微米。本发明提供的一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法包括以下 步骤1)将聚醚醚酮纤维与碳纤维进行三维五向混合编织，碳纤维体积含量为 18-54% ；2)将混合织物进行溶液氧化处理(如在3_6wt % (NH4) 2ΗΡ04溶液中煮 30-60min)，然后用水反复冲洗，干燥后再放入模具内；3)将已放置纤维织物的模具置于真空热压机内，加热至150°c，开始持续抽真 空，并在此温度下保温2h，然后以10-20°C /min的速度升至360-400°C，保温40min ；加压 0. 3-0. 7MPa，去除真空，继续保持温度30-60min ；缓慢降温，在制品温度低于100°C时进行 脱模。本发明的优点在于，可以有效克服聚醚醚酮的热塑性性质给三维编织复合材料制 备所带来的困难，实施三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的热压工艺，选用独特的工 艺参数可以得到束内单根纤维与基体均能充分浸润的三维编织复合材料，并使该复合材料 沿纤维编织方向的弯曲强度可达500MPa，织物经过溶液氧化预处理后进行热压可进一步使 该复合材料弯曲强度提高10%以上，从而得到纤维浸渍充分且力学性能优异的三维编织碳 纤维增强聚醚醚酮复合材料，具有广泛的应用。


图1是碳纤维与聚醚醚酮纤维三维混合织物实物照片(a_碳纤维体积含量为 18%, b-碳纤维体积含量为)。图2是三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料最终成型试样的表面组织照片 (a-碳纤维体积含量为18%，b-碳纤维体积含量为)。图3是三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料最终成型试样截面金相照片(a_碳 纤维体积含量为18%，b-碳纤维体积含量为)。
具体实施例方式实例1将聚醚醚酮纤维(英国ZYEX公司生产，纤维直径30微米)与6K聚丙烯腈基碳纤 维(由山西煤化所提供，纤维直径7微米)按碳纤维体积含量18%进行三维五向混合编织 (图la)，将混合织物在5wt % (NH4) 2ΗΡ04溶液中煮沸40min后，用蒸馏水反复冲洗、干燥，将 混合织物放入模具，置于真空热压机内，加热至150°C，开始持续抽真空，并在此温度下保温 2h，然后以15°C /min的速度升温至370°C，保温40min，加压0. 3MPa，去除真空，继续保持温 度30min，缓慢降温，在制品温度低于100°C时脱模，所得复合材料沿纤维编织方向的弯曲 强度为252MPa，其表面组织照片和最终成型试样截面金相照片示于图加和图3a。实例2将聚醚醚酮纤维(英国ZYEX公司生产，纤维直径30微米)与碳纤维II聚丙烯腈基(由山西煤化所提供，纤维直径7微米)按碳纤维体积含量进行三维五向混合编 织，将混合织物在5wt% (NH4)2HPO4溶液中煮沸40min后，用蒸馏水反复冲洗、干燥，将混合 织物放入模具，置于真空热压机内，加热至150°C，开始持续抽真空，并在此温度下保温池， 然后以15°C /min的速度升至370°C，保温40min，加压0. 6MPa，去除真空，继续保持温度 60min，缓慢降温，在制品温度低于100°C时脱模，所得复合材料沿纤维编织方向的弯曲强度 达 50IMPa。实例3将聚醚醚酮纤维(英国ZYEX公司生产，纤维直径30微米)与碳纤维6K聚丙烯腈 基(由山西煤化所提供，纤维直径7微米)按碳纤维体积含量进行三维五向混合编织 (图lb)，将混合织物在5wt% (NH4)2HPO4溶液中煮沸40min后，用蒸馏水反复冲洗、干燥， 将该织物放入模具，置于真空热压机内，加热至150°C，开始持续抽真空，并在此温度下保温 池，然后以15°C /min的速度升至370°C，保温40min，加压0. 6MPa，去除真空，继续保持温度 60min，缓慢降温，在制品温度低于100°C时脱模，所得复合材料沿纤维编织方向的弯曲强度 达556MPa，其表面组织照片和最终成型试样截面金相照片示于图加和图3a。
权利要求
1 一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，其特征在于它是以聚醚醚酮纤维与碳 纤维按碳纤维为原料，按碳纤维体积含量为18- %的三维五向混合编织碳纤维增强聚醚 醚酮复合而成，制备步骤将聚醚醚酮纤维与碳纤维按所需体积含量进行三维混合编织，将 混合织物进行溶液氧化预处理，水洗，干燥，模具热压成型。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的碳纤维为聚丙烯腈(PAN)、粘胶 基及浙青基碳纤维，碳纤维束的尺寸为1K、3K、6K、1I或ΜΚ，碳纤维单丝的直径为5 20 微米。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的聚醚醚酮以纤维的形式使用， 其直径为5 40微米。
4.一种权利要求1所述的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征 在于包括以下步骤1)将聚醚醚酮纤维与碳纤维按碳纤维体积含量18巧4%进行三维五向混合编织；2)将混合织物氧化处理，然后用水反复冲洗，干燥后再放入模具内；3)将已放置纤维织物的模具置于真空热压机内，加热至150°C，开始持续抽真空， 并在此温度下保温2h，然后以10-20°C /min的速度升至360_400°C，保温40min ；加压 0. 3-0. 7MPa，去除真空，继续保持温度30-60min ；缓慢降温，在制品温度低于100°C时进行 脱模。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的氧化处理的条件为将混合织物在 3-6wt % (NH4)2HPO4 溶液中煮 30-60min。
全文摘要
本发明涉及一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制备方法。以聚醚醚酮纤维与碳纤维按碳纤维为原料，按碳纤维体积含量为18-54％的三维五向混合编织碳纤维增强聚醚醚酮复合而成。采用纤维混编加热压的组合技术进行制备，其工艺过程包括将聚醚醚酮纤维与碳纤维进行三维混合编织，将混合织物进行溶液氧化预处理，然后用蒸馏水反复冲洗，干燥后放入模具内进行热压成型。本发明可以有效克服聚醚醚酮的热塑性性质给三维编织复合材料制备所带来的困难，从而得到纤维浸渍充分且力学性能优异的三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
文档编号D06M101/40GK102134372SQ20111002268
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者万怡灶, 罗红林 申请人:天津市飞荣达科技有限公司