专利名称：碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料的制作方法
所属领域本发明叙述了一种具有高耐磨、高机械强度，适合于高负荷、长寿命、及苛刻条件下使用的碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料及其制备方法。
背景技术：
高分子材料用作减摩耐磨材料始于60年代，但其发展极为迅速。目前，高分子材料在摩擦领域中的应用已越来越广泛。常用的除尼龙和聚苯醚等工程塑料外，近年出现了一些新型耐高温聚合物材料如聚醚醚酮、聚苯硫醚以及液晶聚合物等。由于它们具有优良的自润滑性，加之电绝缘性及阻尼性好，因而特别适合用于制作干滑动部件。其中，具有芳香结构的聚醚醚酮(简称PEEK)是一种引人注目的具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料。
耐高温PEEK树脂具有较高的玻璃化转变温度(143℃)和熔点(334℃)，这是它可在有耐热性要求的用途中可靠应用的理由之一。其负载热变型温度高达316℃(30％GF或CF增强牌号)，连续使用温度为260℃。
机械特性PEEK树脂是韧性和刚性兼备并取得平衡的塑料。特别是它对交变应力的优良耐疲劳性是所有塑料中最出众的，可与合金材料媲美。
自润滑性PEEK树脂在所有塑料中具有出众的滑动特性，适合于严格要求低摩擦系数和耐摩耗用途使用。特别是碳纤、石墨、聚四氟乙烯各占10％比例混合改性的滑动牌号或30％CF增强牌号等均为具有优异滑动特性的牌号。
耐化学药品性(耐腐蚀性)PEEK树脂具有优异的耐化学药品性，在通常的化学药品中，能溶解或者破坏它的只有浓硫酸，它的耐腐蚀性与镍钢相近。
阻燃性PEEK树脂是非常稳定的聚合物，1.45mm厚的样品，不加任何阻燃剂就可达到最高阻燃标准。
易加工性PEEK树脂虽然是超耐热性树脂，但由于它具有高温流动性好和热分解温度很高等特点，因此可采用注射、挤出、模压、吹塑、熔融纺丝、旋转成型和粉末喷涂等。
碳纤维是纤维状的碳材料，即其化学组成中碳元素占总质量的90％以上。元素碳根据其原子结合方式的不同，可形成金刚石、石墨、卡宾等结晶态，也可形成非晶态的各种过渡态碳。碳纤维织物是用碳纤维编织的二维或三维形状的整体材料，编织物具有纤维形态的稳定和单向纤维所不具备的一些特性。
碳纤维增强热塑性树脂复合材料具有密度小、高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能，综合了碳纤维和工程塑料及特种工程塑料的优点，在性能上起协同作用，得到单一材料无法比拟的优越的综合性能，成为一类新型的复合材料。目前，碳纤维增强热塑性树脂复合材料已广泛地用于宇航、火箭、导弹、航空、原子能等国防军工部门并已广泛推广到民用产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐磨、高机械强度，适合于高负荷、长寿命、及苛刻条件下使用的碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料及其制备方法。
在碳纤维增强树脂复合材料成型过程中，碳纤维的表面处理和树脂对碳纤维表面的润湿性的大小是复合材料设计成败的关键。由于PEEK树脂具有优异的耐化学药品性，在通常的化学药品中，能溶解或者破坏它的只有浓硫酸。但是，浓硫酸如果用来溶解PEEK，会破坏PEEK的分子结构，另外在复合材料成形后，材料体系中的残余硫酸去处不净，会腐蚀与该材料接触的金属部件。
本发明通过如下措施来实现一种碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料，选用聚醚醚酮或聚醚醚酮中添加润滑剂石墨粉，聚四氟乙烯，碳纤维粉作为基体，采用碳纤维和石墨纤维，或碳纤维和石墨纤维的二维编织物为增强相。基体中的各组分重量百分含量为聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纤维粉0～15％。该材料的纤维编织物的用量占整个材料的重量比为40～65％。
本发明的碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料，具体制备方法依次包括如下步骤1.碳纤维和石墨纤维或其编织物用丙酮在超声波中清洗至表面无胶，清洗完后在烘箱中烘至丙酮完全挥发。
2.塑料粉料的混合和溶解按重量百分含量为聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纤维粉0～15％称取基体，将称好的基体材料加入到对氯代苯酚中，基体占总溶液的重量百分含量为15～25％。于80～130℃充分溶解备用。
3.清洗好的碳纤维和石墨纤维或编织物在低温冷等离子体中于空气介质，5～6Pa，100～150V，150～200mA条件下处理3min。
4.处理好的碳纤维和石墨纤维或编织物在80～130℃下浸渍在基体的对氯代苯酚溶液中，于超声波中在80～130℃下充分浸渍30min。
5.从超声波中取出处理好的纤维或编织物，在烘箱中烘至对氯苯酚完全挥发。
6.烘好的纤维或编织物剪裁成55×100mm的片材，并将片材装入模具。
7.将装好片材的模具在压机上于370～380℃在15～30MPa下热压30min。
8.当温度降到小于80℃后取出样片。
本发明材料的制备方法的特点是采用将PEEK在对氯苯酚中热溶解，这样，既增加了PEEK与碳纤维的润湿性且保持PEEK的分子结构不变，又能使溶剂在压制成型过程中完全挥发，对成型后的材料不产生影响。
所制备的样片在MM-2000摩擦磨损试验机上评价结果如下条件对偶45#钢，转速每分钟200转，载荷200牛顿，干摩擦，大气介质。
结果摩擦系数0.18～0.55，磨痕宽度2.0～4.5mm。
复合材料主要用于摩擦部件，具体的讲，可作为轻质结构润滑材料或磨阻材料应用于各类刹车装置等。
以上成型工艺同样适用于三维碳纤维编织物增强树脂复合材料。
具体实施例方式
实施例1选取碳纤维二维编织物为增强相，纯聚醚醚酮为基体，具体步骤如下1. 碳纤维二维编织物50g用丙酮在超声波中清洗三次，每次十分钟，清洗完后在烘箱中于80℃烘干。
2.塑料粉料溶解称取重量为30g的聚醚醚酮将称好的基体材料加入到120g对氯代苯酚中于90℃充分溶解备用。
3.碳纤维二维编织物在低温冷等离子体中于空气介质，6Pa，150V，0～200mA条件下处理3min。
4.处理好的碳纤维二维编织物在90℃下浸渍在基体的对氯代苯酚溶液中，于超声波中在90℃下充分浸渍30min。
5.从超声波中取出处理好的碳纤维编织物，在烘箱中于150℃烘干。
6.烘好的碳纤维编织物剪裁成55×100mm的片材，并将片材装入模具。
7.将装好片材的模具在50吨压机上于375℃在30MPa下热压30min。
8.当温度降到小于80℃后取出样片。
所制备的样片在MM-2000摩擦磨损试验机上评价结果如下条件对偶45#钢，转速每分钟200转，载荷200牛顿，干摩擦，大气介质。
结果摩擦系数0.35～0.55，磨痕宽度4.0～4.5mm。
应用前景可作为磨阻材料应用于各类刹车装置等。
实施例2选取石墨纤维二维编织物100g为增强相，纯聚醚醚酮120g为基体，具体实施步骤如同实施例1。
所制备的样片在MM-2000摩擦磨损试验机上评价结果如下条件对偶45#钢，转速每分钟200转，载荷200牛顿，干摩擦，大气介质。
结果摩擦系数0.18～0.25，磨痕宽度2.0～3.2mm。
应用前景可作为轻质结构润滑材料。
实施例3选用碳纤维或石墨纤维二维编织物为增强相，聚醚醚酮添加润滑剂为基体，具体实施步骤如下1.碳纤维或石墨纤维或编织物用丙酮在超声波中清洗三次，每次十分钟，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为聚醚醚酮70g，石墨粉10g，聚四氟乙烯10g，碳纤维粉10g称取基体，将称好的基体材料加入到400g对氯代苯酚中于90℃充分溶解备用。
3.碳纤维或墨纤维或编织物在低温冷等离子体中于空气介质，6Pa，0～150V，200mA条件下处理3min。
4.处理好的碳纤维或墨纤维或编织物在90℃下浸渍在基体的对氯代苯酚溶液中，于超声波中在90℃下充分浸渍30min。
5.从超声波中取出处理好的纤维编织物，在烘箱中于160℃烘干。
6.烘好的纤维编织物剪裁成55×100mm的片材，并将片材装入模具。
7.将装好片材的模具在50吨压机上于380℃在25MPa下热压30min。
8.当温度降到小于80℃后取出样片。
本实施例中所制备的两类样品都比以纯聚醚醚酮为基体的材料耐磨性要好的多。
权利要求
1.一种碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料，选用聚醚醚酮或聚醚醚酮中添加润滑剂石墨粉，聚四氟乙烯，碳纤维粉作为基体，采用碳纤维和石墨纤维，或碳纤维和石墨纤维的二维编织物为增强相。基体中的各组分重量百分含量为聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纤维粉0～15％；材料的纤维编织物的用量占整个材料的重量比为40～65％。
2.如权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于该方法依次包括如下步骤1)碳纤维和石墨纤维或其编织物用丙酮在超声波中清洗至表面无胶，清洗完后在烘箱中烘至丙酮完全挥发；2)塑料粉料的混合和溶解按重量百分含量为聚醚醚酮60～100％，石墨粉0～10％，聚四氟乙烯0～15％，碳纤维粉0～15％称取基体，将称好的基体材料加入到对氯代苯酚中，基体占总溶液的重量百分含量为15～25％。于80～130℃充分溶解备用；3)清洗好的碳纤维和石墨纤维或编织物在低温冷等离子体中于空气介质，5～6Pa，100～150V，150～200mA条件下处理3min；4)处理好的碳纤维和石墨纤维或编织物在80～130℃下浸渍在基体的对氯代苯酚溶液中，于超声波中在80～130℃下充分浸渍30min；5)从超声波中取出处理好的纤维或编织物，在烘箱中烘至对氯苯酚完全挥发；6)烘好的纤维或编织物剪裁成55×100mm的片材，并将片材装入模具；7)将装好片材的模具在压机上于370～380℃在15～30MPa下热压30min；8)当温度降到小于80℃后取出样片。
全文摘要
本发明叙述了一种具有高耐磨、高机械强度，适合于高负荷、长寿命、及苛刻条件下使用的碳纤维或石墨纤维织物增强聚醚醚酮层压复合材料及其制备方法。该类材料主要用于摩擦部件，在基体树脂中添加不同的添加剂可制成润滑部件或摩阻材料。
文档编号C08K7/06GK1415662SQ0214172
公开日2003年5月7日 申请日期2002年8月30日 优先权日2002年8月30日
发明者简令奇, 王宏刚, 杨生荣, 王建民, 曾继华, 张国强 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所