单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法
【专利摘要】一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法，属于热塑性复合材料【技术领域】。该方法过程包括：(1)采用纺丝级聚醚醚酮专用料通过熔融纺丝方法制备线密度为10～150tex的聚醚醚酮复丝；(2)将制得的聚醚醚酮复丝通过花式捻线机均匀包缠在连续碳纤维上，制备得到混杂纤维束；(3)将混杂纤维束作为经向纤维，聚醚醚酮复丝作为纬向纤维，通过平纹编织的方式编织为平纹织物；(4)将编织得到的平纹织物层叠后在热压机上热压，排气，冷却，脱模得到本发明所述的单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。该方法的优点在于，整个过程都没有溶剂的参与，对环境无污染，制备过程相对简单且制得的复合材料强度更高。
【专利说明】单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热塑性复合材料【技术领域】，具体涉及一种单向连续碳纤维增强聚醚醚 酮复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 连续碳纤维增强树脂基复合材料通常采用热固性树脂作为基体，这是由于热固性 树脂预聚体在常温下通常具有较低粘度和易操作等特点，这些低粘度的预聚体可以有效地 浸润碳纤维并在升温过程中固化成型。近年来，随着对碳纤维增强树脂基复合材料性能要 求的不断提高，热固性树脂基复合材料已无法满足高断裂韧性、高损伤容限等使用要求，因 此热塑性树脂基复合材料正受到越来越多的关注。
[0003] 热塑性树脂基复合材料之所以引起人们的关注在于它克服了热固性复合材料的 一些缺点（如断裂韧性差、损伤容限比较低、吸湿、使用期短、成型加工周期长等）。热塑性 复合材料具有较高的断裂韧性、耐化学药品及耐水性、热成型性能好、生产率高、成型方法 多、工艺简单、生产周期短，并具有多次可加工性。因此，在工业、交通运输、国防等领域得到 广泛的应用。
[0004] 热塑性树脂基复合材料虽然具有一系列的优点，但在其成型过程中通常要面临热 塑性树脂特别是高性能热塑性树脂熔融黏度高、浸渍纤维困难的问题，这在一定程度上阻 碍了其发展。聚醚醚酮是一种半晶态芳香族高性能热塑性树脂，具有耐高温、耐腐蚀、自润 滑、易加工和高机械强度等优异性能，将其与碳纤维相结合制备的碳纤维增强聚醚醚酮复 合材料具有优异的综合性能，已在航空、工业、建筑、医疗等领域中得到较广泛应用。然而， 由于聚醚醚酮本身良好的耐溶剂性，无法采用溶液预浸方法制备连续碳纤维增强聚醚醚酮 复合材料，而由于聚醚醚酮的熔体粘度较高，采用熔融预浸工艺和装置复杂、苛刻，很难制 备出纤维分布均匀、浸渍充分的复合材料，因此国内对连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料 的研究较少，技术相对还比较落后。专利号为CN102417600B的发明报道了一种采用悬浮 预浸法制备碳纤维增强热塑性树脂复合材料的方法，将难溶热塑性粉末状树脂（如聚苯硫 醚，聚醚醚酮）分散在聚醚砜溶液中形成悬浮液，再用此悬浮液浸渍连续碳纤维制备预浸 料。这种方法虽然在很大程度上解决了纤维浸渍的困难，但由于引入了聚醚砜树脂，其在很 大程度上还是一种碳纤维增强聚醚砜复合材料，没有从根本上解决聚醚醚酮难以浸渍的问 题，并且在制备过程中溶剂的参与将对环境产生一定的危害。专利号CN102134372A的发 明公布了一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，但这种方法只是将碳纤 维与聚醚醚酮纤维简单混杂，浸渍效果并不明显，编织和成型过程中碳纤维也极易受到磨 损，三维编织技术难度较大，成本较高，制得的复合材料达不到较高的机械强度。
【发明内容】
[0005] 通过设计不同熔融指数的纺丝级聚醚醚酮专用料来制备不同线密度的聚醚醚酮 纤维，采用聚醚醚酮纤维与碳纤维包缠而制备单向连续碳纤维/聚醚醚酮纤维平纹编织物 (单向是指碳纤维的方向只沿着一个方向，连续碳纤维是指碳纤维在复合材料中的形态是 连续的，而不是以短纤维的形态存在），再通过热压成型方法制备高强度的复合材料为制备 航空航天、武器装备和民用高【技术领域】所需的高性能热塑性复合材料提供了新的思路。
[0006] 因此，本发明的目的在于提供一种浸渍效果较好、制备过程相对简单、对环境无 害、强度较高的单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备新方法，其步骤如下：
[0007] (1)采用纺丝级聚醚醚酮专用料通过熔融纺丝方法制备线密度为10?150tex的 聚醚醚酮复丝；
[0008] (2)将制得的聚醚醚酮复丝通过花式捻线机均匀包缠在连续碳纤维上，制备得到 混杂纤维束；
[0009] (3)将混杂纤维束作为经向纤维，聚醚醚酮复丝作为纬向纤维，通过平纹编织的方 式编织为平纹织物；
[0010] (4)将编织得到的平纹织物层叠后在热压机上热压，排气，冷却，脱模得到本发明 所述的单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
[0011] 步骤（1)所述的纺丝级聚醚醚酮专用料的烙融指数为12?88g/10min(测试温度 为400°C，载荷为5kg，测试样品装入料筒预热5min)。按各组份和IOOwt%计算，含90. 0? 100.Owt%聚醚醚酮树脂，0?3.Owt%的高温润滑剂和0?10.Owt%结构式如下式所示的 聚芳醚酮液晶聚合物。
[0012]
【权利要求】
1. 一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其步骤如下： (1) 采用纺丝级聚醚醚酮专用料通过熔融纺丝方法制备线密度为10?150tex的聚醚 醚酮复丝； (2) 将制得的聚醚醚酮复丝通过花式捻线机均匀包缠在连续碳纤维上，制备得到混杂 纤维束； (3) 将混杂纤维束作为经向纤维，聚醚醚酮复丝作为纬向纤维，通过平纹编织的方式编 织为平纹织物； (4) 将编织得到的平纹织物层叠后在热压机上热压，排气，冷却，脱模得到本发明所述 的单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
2. 如权利要求1所述的一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其 特征在于：步骤（1)所述的纺丝级聚醚醚酮专用料的烙融指数为12?88g/10min，测试条 件为温度为400°C，载荷为5kg，测试样品装入料筒预热5min ;按各组份和lOOwt%计算，含 90. 0?KKX Owt %聚醚醚酮树脂，0?3. Owt %的高温润滑剂和0?KX Owt %结构式如（I) 所示的聚芳醚酮液晶聚合物，
y = 0. 2?0. 8, η为正整数，表示聚合度；且高温润滑剂为德国Wacker公司生产的颗 粒状或粉沫状GENIOPLAST Pellet S润滑剂。
3. 如权利要求1所述的一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特 征在于：步骤（1)中所述的熔融纺丝是将干燥处理后的纺丝级聚醚醚酮专用料在纺丝挤出 机料筒内熔融后进入熔体计量泵，再经过滤系统的过滤网、多孔喷丝板后形成多根聚醚醚 酮单丝，多根聚醚醚酮单丝经上油装置进入集束装置，集束后得到的聚醚醚酮复丝经导向 辊、牵伸盘进行热拉伸定型，再将经热拉伸定型的聚醚醚酮复丝缠绕在纤维卷绕装置上，从 而得到聚醚醚酮复丝纤维；纺丝挤出机采用八区加热，纺丝速度为150?1200m/min，热位 伸的温度为190?260°C，拉伸比为L 5?4. 5 :1。
4. 如权利要求1所述的一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其 特征在于：步骤（2)中所述的碳纤维为聚丙烯腈基、粘胶基或浙青基碳纤维，碳纤维型号为 1-24K。
5. 如权利要求1所述的一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特 征在于：步骤（2)中所述的包缠工艺的捻度为100?2000捻/m，得到的混杂纤维束的线密 度为80?2000tex ;混杂纤维束中连续碳纤维体积含量为30?70%。
6. 如权利要求1所述的一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特 征在于：步骤（3)中所述平纹织物的经密为5?250根/cm，纬密为2?20根/cm。
7. 如权利要求1所述的一种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其 特征在于：步骤（4)中所述的热压机为平板硫化机，热压成型步骤是将热压模具放入热压 机的上下热压板之间，加热升温至380?440°C，将平纹织物置入模具中在压力为0. 5? I. OMPa下预热20?60min，然后将热压压力升高到2?25MPa保温30?60min，排气5? 20次；再以3?500°C /min的冷却速度降温至200?220°C恒温30?60min，继续以3? 50°C /min的冷却速度降温至100?130°C脱模，得到单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材 料。
8. -种单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，其特征在于：由权利要求 1?7任何一项方法制备得到。
【文档编号】C08L61/16GK104262900SQ201410468070
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】王贵宾, 刘川, 栾加双, 李永刚, 屠楠, 张淑玲 申请人:吉林大学