专利名称：聚苯醚复合材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及新材料领域，尤其是涉及一种聚苯醚基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
聚苯醚(Polyphenylene oxide)，简称ΡΡ0，是一种综合性能较好的工程塑料，具有良好的物理机械性能、耐热性和电气绝缘性，高温下耐蠕变性是所有热塑性工程塑料中最优异的，并具有优良的耐酸、耐碱、耐化学药品性，水解稳定性极好，成型收缩率和热膨胀系数小，尺寸稳定性好，制品在高压蒸汽中反复使用其性能稳定。PPO已广泛应用于电子电器、 汽车、家用电器、办公室设备和工业机械等方面。作为特种工程塑料，虽然聚苯硫醚具有上述的优异性能，但由于其仍然存在诸如耐溶剂性差、制品容易发生应力开裂、缺口冲击强度低，熔体粘度高，加工成型性差等不足之处。由于PPO的上述缺陷及成本因素，对PPO的改性成为国内外研究的热点，其主要手段有纤维增强ΡΡ0、颗粒填充改性ΡΡ0、以及与聚合物共混等，具体如下(1)纤维增强PPO复合材料常用的纤维有玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF)，能达到提高材料的强度、刚度和耐热性的目的，且工艺简单，挤出、模压、注塑等常规加工方法均适用。但使用纤维对PPO进行性能增强时会增大材料的各向异型，使得复合材料在晶体不同方向上的物理、化学特性相差较大。晶须(Whisker)是具有一定长径比(一般L/D>20)的金属氧化物或盐类，不同于一般的粉末填料，其纤维状的微观结构使其在作为填料填充高分子材料时，具有显著的增强材料的强度效果，并能克服纤维增强复合材料时材料各向异性大的缺陷。现有技术表明纤维(或晶须)的加入使得PPO的热力学性能得到改善，力学性能得到增强，复合材料的拉伸强度和弯曲强度均得到了提高。(2)颗粒填充改性PPO聚合物/无机填料复合材料的开发，最初是希望在保证材料性能的基础上降低材料的成本，然而，经过几十年的发展，尤其是纳米技术产生以后，聚合物/无机填料复合材料不但实现了降低成本的目的，而且无机填料的加入还能提高复合材料的刚性、耐热性、增强、增塑、增韧及导电性等性能。但无机物与大分子高聚物之间相容性较差，难以保证纳米粒子在其中均勻分散，因而对材料性能的增强效果大打折扣。(3) PPO与聚合物共混改性近年来，人们利用聚苯乙烯(PS)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPQ等来对PPO进行改性的研究比较多。 对PP0/PS复合材料的研究发现，PP0/PS合金能保持纯PPO的优良特性，且其流动性得到改善；HIPS加入PPO后，材料的缺口冲击强度有所提高但不超过15KJ/m2 ；ΡΡ0/ΡΑ(聚酰胺)、PP0/PBT (聚对苯二甲酸丁二酯)、PP0/PPS (聚苯硫醚)复合材料改善了 PPO的耐热性、耐油性和耐溶剂性。
改性效果与添加聚合物性质相关度大，当聚合物与PPO完全相容或完全不相容时，改性效果不甚理想。综上，现还需要研究PPO的增强复合材料，以使得该复合材料具有更为优异的耐磨性、耐热性和承载能力(PV极限值高)，制备工艺简单、价格较低。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种强度高、耐磨性好、耐热性好和承载能力高的聚苯醚基复合材料。本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种工艺简单、成本低廉的聚苯醚基复合材料制备方法。本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种该聚苯醚基复合材料的应用。为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的聚苯醚基复合材料，包含质量百分数为35-45%的聚苯醚、25-35%高抗冲聚苯乙烯、15-25%以偶联剂处理过的钛酸钾晶须、 8% -12%的聚四氟乙烯以及适量的加工助剂。具体来说，所述偶联剂水解后与钛酸钾晶须混合，制得所述以偶联剂处理过的钛酸钾晶须，其中所述偶联剂的用量为所述钛酸钾晶须重量的1_3%。进一步优选，包含质量百分数为38-42%的聚苯醚、28-32%高抗冲聚苯乙烯、钛酸钾晶须重量百分数为18 22%、聚四氟乙烯重量百分数为10%。具体的说，所述加工助剂包括抗氧剂和分散剂中的至少一种；所述加工助剂选自抗氧剂168、抗氧剂1010、白油和硅油；所述偶联剂选自KH550和KH570。为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的聚苯醚基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤(a)将偶联剂水解，并与钛酸钾晶须均勻拌合，然后烘干活化，其中所述偶联剂的用量为钛酸钾晶须重量的1-3% ；(b)将质量百分数为35-45%的聚苯醚、25-35%高抗冲聚苯乙烯、15-25%以偶联剂处理过的钛酸钾晶须、8% -12%的聚四氟乙烯以及适量的加工助剂混合后干燥；(c)采用混料机均勻混料；(d)经挤出、切粒、烘干后，进行制品成型。所述的挤出和注射成型温度在220_240°C。为了解决上述第三个技术问题，本发明提供的聚苯醚基复合材料的应用，聚苯醚基复合材料应用在制造耐磨零件中。具体而言，所述的耐磨零件包括水泵导轴承、油泵导轴承、滑块和类似零件。本发明创造性地采用高抗冲聚苯乙烯、钛酸钾晶须、聚四氟乙烯对聚苯醚进行改性。利用聚四氟乙烯的自润滑性，在对磨面上形成均勻的转移膜，在摩擦过程中摩擦变为 PTFE与复合材料的摩擦，改善复合材料的自润滑性，降低磨损量，提高复合材料耐磨性；钛酸钾晶须则使复合材料的拉伸强度和弯曲强度均得到了提高，且改善了复合材料的耐热性；高抗冲聚苯乙烯能改善PPO的流动性、提高其抗冲击性能。发明提供的PPO基复合材料性能优异，表现在力学性能方面拉伸强度达到62-75MPa,弯曲强度达到73-125MPa,冲击强度可达到8. 0-13. 5KJ/m2，PV极限值为2. 2-3. IMPa. m/s ；在热性能方面，长期使用温度> 120°C ；在摩擦学性能方面，摩擦系数为 0. 18-0. 19，磨损量为 5-7mg。本发明PPO基复合材料的制备工艺简单易操作，制备成本低廉。本发明PPO复合材料能应用在航空航天、机械、汽车零部件、石化等领域的各种耐磨零件上，尤其是水(油)泵导轴承，使用范围广泛，应用价值突出。
具体实施例方式本发明PPO基复合材料包含PPO、HIPS、PTW、PTFE以及适量的加工助剂，优选地， PPO 复合材料中包含 35-45 % 的 PP0、25-35 % 的 HIPS、15-25 % 的 PTW、8_12 % 的 PTFE 以及适量的加工助剂；更进一步地，包含重量百分数为ssiz^mppojs-sz^mHiPsusjz^m PTW 及 10% 的 PTFE。钛酸钾晶须(PTW)是最新一代的高性能复合材料增强剂，是一种细小纤维状的亚纳米材料，是分子式为K2O · nTi02的人工矿物，其中η = 2，4时为层状结构，η = 6，8时为隧道式结构，具有良好的力学性能和物理性能，还具有很高的电绝缘性、耐热(在空气中 1200°C )、隔热性能和优异的红外波长区域发射性能。膨胀系数与塑料相当，复合增强塑料相容性好，表现出良好的耐磨性和润滑性，其主要技术指标如下强度抗拉7000MPa ；模量280GPa ；尺寸细小Φ0. 2-1. OX 10-50 μ m。它使得PEEK复合材料的拉伸强度和拉伸模量得到了提高，并且由于PTW的硬度较低(莫氏硬度仅为4)，对加工设备与模具的磨损也较高抗冲聚苯乙烯(HIPS)即High Impact Polystryrene，简称HIPS。它实质上是 PS的一个冲击改性品种，主要组成是PS与橡胶，其突出特性是易加工、尺寸稳定性好、冲击强度高，并且有较高的刚性。但在耐热性、拉伸强度、透明度、氧气渗透性、紫外光稳定性和耐油品性方面与PS相比有一定的不足。在复合材料中主要起提高冲击强度，改善加工性能作用。聚四氟乙烯(PTFE)被誉为“塑料王”，是当前国内外广泛使用的具有自润滑性特种工程塑料之一。PTFE分子中含有13或15个-CF4-基化学重复单元，没有分枝且彼此不形成交链，故其分子轮廓光滑，这2种光滑的分子轮廓使它既具有低摩擦的特性，又能够在滑动过程中转移到对偶面上形成薄的转移膜，是理想的固体减磨材料。在复合材料中它作为固体润滑剂存在而并未发生融化，结果使得其在摩擦产生的较强机械和热效应作用下很快发生塑性变形和被挤压团聚，并最终形成片状物向对摩面转移，形成了转移膜，从而提高了复合材料的耐磨性。前述加工助剂包括抗氧剂、分散剂等。抗氧化剂在本发明中作为可选成分，用于提高本发明组合物的加工和储存稳定性。能消除刚刚产生的自由基，或者促使氢过氧化物的分解，阻止链式反应的进行，能够抑制或者延缓高聚物和其他有机化合物在空气中热氧化的有机化合物，则可以保持高分子材料的优良性能，延长使用寿命。本发明中优选抗氧剂168、抗氧剂1010，但不限于它们。分散剂在本发明中作为可选成分，用于提高本发明组合物的物料混合均勻性。本发明的实施例采用白油、硅油，但不限于它们。本发明的加工助剂具体可选自抗氧剂168、抗氧剂1010、白油、硅油，但不限于它们。 本发明PPO复合材料具有优异的性能，与连续纤维增强PPO复合材料相比，本发明采用晶须增强能减弱复合材料的各向异性倾向，使复合材料在各方向上的性能差距减小； 与聚合物改性PPO相比，既能提高复合材料的承载能力，又能改善复合材料的摩擦学性能； 与现有碳纤维增强材料相比成本大幅度降低。与单一 MPPO材料的性能对比结果详见下表 1 表 权利要求
1.一种聚苯醚基复合材料，其特征在于包含重量百分数为35-45 %的聚苯醚、 25-35%高抗冲聚苯乙烯、15-25%以偶联剂处理过的钛酸钾晶须、8% -12%的聚四氟乙烯以及适量的加工助剂。
2.根据权利要求1所述的聚苯醚基复合材料，其特征在于包含质量百分数为38-42% 的聚苯醚、28-32%高抗冲聚苯乙烯、钛酸钾晶须重量百分数为18 22%、聚四氟乙烯重量百分数为10%。
3.根据权利要求1或2所述的聚苯醚基复合材料，其特征在于所述偶联剂水解后与钛酸钾晶须混合，制得所述以偶联剂处理过的钛酸钾晶须，其中所述偶联剂的用量为所述钛酸钾晶须重量的1_3%。
4.根据权利要求1或2所述的聚苯醚基复合材料，其特征在于所述加工助剂包括分散剂和抗氧剂中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的聚苯醚基复合材料，其特征在于所述加工助剂选自抗氧剂 168、抗氧剂1010、硅油、白油。
6.根据权利要求1或2所述的聚苯醚基复合材料，其特征在于所述偶联剂选自KH550 和 KH570。
7.制备要得要求1所述的聚苯醚基复合材料的方法，重量百分数为35-45%的聚苯醚、 25-35 %高抗冲聚苯乙烯、15-25 %以偶联剂处理过的钛酸钾晶须、8 % -12 %的聚四氟乙烯以及适量的加工助剂，其特征在于包括以下步骤(a)将偶联剂水解，并与钛酸钾晶须均勻拌合，然后烘干活化，其中所述偶联剂的用量为钛酸钾晶须重量的1-3% ；(b)将聚苯醚、高抗冲聚苯乙烯、以偶联剂处理过的钛酸钾晶须、聚四氟乙烯以及适量的加工助剂混合后干燥；(c)采用混料机均勻混料；(d)经挤出、切粒、烘干后，进行制品成型。
8.根据权利要求7所述的制备聚苯醚基复合材料的方法，其特征在于所述的挤出和注射成型温度在220-240°C。
9.根据权利要求1所述的聚苯醚基复合材料的应用，其特征在于制造耐磨零件。
10.根据权利要求8所述的聚苯醚基复合材料的应用，其特征在于所述的耐磨零件是指水油泵或油泵用导轴承、滑块。
全文摘要
本发明公开了一种聚苯醚复合材料及其制备方法和应用，包含重量百分数为35-45％的聚苯醚、25-35％高抗冲聚苯乙烯、15-25％以偶联剂处理过的钛酸钾晶须、8％-12％的聚四氟乙烯以及适量的加工助剂。可用于制造耐磨零件。该材料相比现有改性聚苯醚(PPO/HIPS)共混物，其耐磨性、部分力学性能、PV极限值得到显著改善，并且制备工艺简单容易，成本较低，使用范围广泛，应用价值突出。
文档编号C08L51/00GK102199342SQ20111014304
公开日2011年9月28日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者刘习文, 李洪辉, 林海佳, 龙春光 申请人:长沙天鹅工业泵股份有限公司