一种复合改性聚醚醚酮材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及密封材料技术领域，具体涉及一种复合改性聚醚醚酮材料及其制备方法和应用。

背景技术

在流体输送系统当中，阀门是不可或缺的控制部件，其主要具有调节、导流、防逆流、截止、分流等功能，在工业和民用领域中的应用非常广泛。石油化工装置的操作温度比较高，介质多为油品、气品，且易燃、易爆，因此，在石油化工装置管道设计中选用阀门密封时，须认真研究阀门的密封结构和密封材料，选择合适的阀门密封。

聚四氟乙烯(ptfe)以其高度的化学稳定性，极强的耐高、低温性能，突出的不粘性，良好的润滑性，优异的电绝缘性、耐老化性，极小的吸水性等，在航空航天、石油化工、机械工业、电子电器、食品工业、纺织等领域具有广泛的应用。但同时，ptfe存在机械性能较差，线膨胀系数大，耐蠕变性差，耐磨损性差，硬度低，成型和二次加工困难等缺陷，使其应用范围受到一定的限制。

为了改善和克服ptfe的缺陷，常采用表面改性、填充改性或共混改性等手段来提高其综合性能，其中尤以填充改性最为简单、价格低而得以普遍采用。现有技术中通常采用铝粉、聚苯脂等对ptfe进行填充改性，但是制备得到的改性ptfe材料往往存在耐高温性能和力学性能不足的问题，使用寿命短。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合改性聚醚醚酮材料及其制备方法和应用，本发明提供的复合改性聚醚醚酮材料具有优异的耐高温性能和力学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种复合改性聚醚醚酮材料，按重量份数计，由包括以下组分的原料制备得到：

聚醚醚酮微粉55～65份，聚四氟乙烯微粉13～17份，碳纤维粉7～9份，玻纤粉2.3～2.7份，铜粉3.3～3.7份，石墨粉2.8～3.2份，二氧化硅粉1.8～2.2份，二硫化钼粉0.8～1.2份，脂环烃类溶剂2.8～3.2份，异构烷烃溶剂1.8～2.2份。

优选地，所述碳纤维粉的单丝直径为7～9μm，目数为50～100。

优选地，所述玻纤粉的单丝直径9～13μm，目数为300～400。

优选地，所述铜粉的粒径为3～5μm。

优选地，所述石墨粉的粒径为10～30μm。

本发明提供了上述技术方案所述复合改性聚醚醚酮材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚醚醚酮微粉、聚四氟乙烯微粉、碳纤维粉、玻纤粉、铜粉、石墨粉、二氧化硅粉、二硫化钼粉、脂环烃类溶剂和异构烷烃溶剂混合后进行加热处理，得到混合液态物料；

将所述混合液态物料进行压力注射成型，得到成型物料；

将所述成型物料进行烧结定型，得到复合改性聚醚醚酮材料。

优选地，所述加热处理的温度为420℃±5℃。

优选地，所述压力注射成型的压力为8～11mpa；保压时间为8～20min。

优选地，所述烧结定型包括依次进行的升温段、高温烧结段和降温段；所述升温段的温度为180～280℃；所述高温烧结段的温度为360～400℃；所述降温段的温度为150～320℃。

本发明提供了上述技术方案所述复合改性聚醚醚酮材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的复合改性聚醚醚酮材料在阀门密封圈中的应用。

本发明提供了一种复合改性聚醚醚酮材料，按重量份数计，由包括以下组分的原料制备得到：聚醚醚酮微粉55～65份，聚四氟乙烯微粉13～17份，碳纤维粉7～9份，玻纤粉2.3～2.7份，铜粉3.3～3.7份，石墨粉2.8～3.2份，二氧化硅粉1.8～2.2份，二硫化钼粉0.8～1.2份，脂环烃类溶剂2.8～3.2份，异构烷烃溶剂1.8～2.2份。本发明提供的复合改性聚醚醚酮材料中，各组分能够充分融合，相互之间具有协同作用，能够使复合改性聚醚醚酮材料具有优异的耐高温性能和力学性能。其中，所述聚醚醚酮微粉和聚四氟乙烯微粉作为复合改性聚醚醚酮材料的主体，二者能够很好的融合在一起，形成一种互补，使制备得到的复合改性聚醚醚酮材料在后续机加工过程中不会出现起层，内部结构出现空洞、气孔而影响制品质量；所述碳纤维粉能够与聚醚醚酮微粉进行很好的复合，提高复合改性聚醚醚酮材料的强度和耐磨性；所述玻纤粉和铜粉能够提高复合改性聚醚醚酮材料的耐磨性和耐蠕变性能；所述石墨粉能够起到自润滑作用，同时还能够提高复合改性聚醚醚酮材料的耐高温、耐磨性能；所述二氧化硅粉能够提高复合改性聚醚醚酮材料的强度、韧性，同时还能够提高其透明度所述二硫化钼粉可以减低复合改性聚醚醚酮材料的摩擦系数；所述脂环烃类溶剂能够使聚四氟乙烯微粉与聚醚醚酮微粉内部分子结构进行软化，更好的融合；所述异构烷烃溶剂能够使聚四氟乙烯微粉与聚醚醚酮微粉熟化，通过更轻的压力，使二者能够与其它原料更好的挤压融合。实施例的实验结果表明，采用本发明提供的复合改性聚醚醚酮材料制备的阀门密封圈的热变形温度达310～315℃，长期耐热性指数达280℃，抗拉强度达135mpa，摩擦系数为0.2，线膨胀系数为0.30k-1*104，显著优于对比例。

说明书附图

图1为对原料进行混合、加热处理和压力注射成型所采用的设备的结构示意图；图1中1-进料口、2-排气孔、3-搅拌叶轮、4-料筒、5-液压装置、6-短流通道、7-注压嘴、8-成型模具、9-电机；

图2为对成型物料进行烧结定型所采用的设备的结构示意图；图2中10-热风烘烤机、11-金属传送带、12-烘箱体、13-排烟管、14-传送电机、15-出坯口。

具体实施方式

本发明提供了一种复合改性聚醚醚酮材料，按重量份数计，由包括以下组分的原料制备得到：

聚醚醚酮微粉55～65份，聚四氟乙烯微粉13～17份，碳纤维粉7～9份，玻纤粉2.3～2.7份，铜粉3.3～3.7份，石墨粉2.8～3.2份，二氧化硅粉1.8～2.2份，二硫化钼粉0.8～1.2份，脂环烃类溶剂2.8～3.2份，异构烷烃溶剂1.8～2.2份。

如无特殊说明，本发明所采用的原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

在本发明中，按重量份数计，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括聚醚醚酮(peek)微粉55～65份，优选为60份。在本发明中，所述聚醚醚酮微粉的粒径优选为30～50μm，更优选为35～45μm。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括聚四氟乙烯微粉13～17份，优选为15份。在本发明中，所述聚四氟乙烯微粉的粒径优选为35～50μm，更优选为40～45μm。

在本发明中，所述聚醚醚酮微粉和聚四氟乙烯微粉作为复合改性聚醚醚酮材料的主体，二者能够很好的融合在一起，形成一种互补，使制备得到的复合改性聚醚醚酮材料在后续机加工过程中不会出现起层，内部结构出现空洞、气孔而影响制品质量。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括碳纤维粉7～9份，优选为8份。在本发明中，所述碳纤维粉的单丝直径优选为7～9μm，目数优选为50～100。在本发明中，所述碳纤维粉能够与聚醚醚酮微粉进行很好的复合，提高复合改性聚醚醚酮材料的强度和耐磨性。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括玻纤粉2.3～2.7份，更优选为2.5份。在本发明中，所述玻纤粉的单丝直径优选为9～13μm，目数优选为300～400。在本发明中，所述玻纤粉能够提高复合改性聚醚醚酮材料的耐磨性和耐蠕变性能。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括铜粉3.3～3.7份，优选为3.5份。在本发明中，所述铜粉的粒径优选为3～5μm。在本发明中，所述铜粉能够提高复合改性聚醚醚酮材料的耐磨性和耐蠕变性能。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括石墨粉2.8～3.2份，优选为3份。在本发明中，所述石墨粉的粒径优选为10～30μm，更优选为15～25μm。在本发明中，所述石墨粉能够起到自润滑作用，同时还能够提高复合改性聚醚醚酮材料的耐高温、耐磨性能。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括二氧化硅粉1.8～2.2份，优选为2份。在本发明中，所述二氧化硅粉的粒径优选为15～20μm。在本发明中，所述二氧化硅粉能够提高复合改性聚醚醚酮材料的强度、韧性，同时还能够提高其透明度。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括二硫化钼粉0.8～1.2份，更优选为1份。在本发明中，所述二硫化钼粉的粒径优选为1～5μm。在本发明中，所述二硫化钼粉可以减低复合改性聚醚醚酮材料的摩擦系数。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括脂环烃类溶剂2.8～3.2份，优选为3份。在本发明中，所述脂环烃类溶剂优选包括环己烷或环己酮。在本发明中，所述脂环烃类溶剂能够使聚四氟乙烯微粉与聚醚醚酮微粉内部分子结构进行软化，使之更好的融合。

在本发明中，以所述聚醚醚酮微粉的重量为基准，制备所述复合改性聚醚醚酮材料的原料包括异构烷烃溶剂1.8～2.2份，优选为2份。在本发明中，所述异构烷烃溶剂优选为g型异构烷烃溶剂。在本发明中，所述异构烷烃溶剂能够使聚四氟乙烯微粉与聚醚醚酮微粉熟化，熟化后的聚四氟乙烯微粉与聚醚醚酮微粉能通过更轻的压力使二者与其它原料更好的融合。

本发明提供了上述技术方案所述聚醚醚酮微粉的制备方法，包括以下步骤：

将聚醚醚酮微粉、聚四氟乙烯微粉、碳纤维粉、玻纤粉、铜粉、石墨粉、二氧化硅粉、二硫化钼粉、脂环烃类溶剂和异构烷烃溶剂混合后进行加热处理，得到混合液态物料；

将所述混合液态物料进行压力注射成型，得到成型物料；

将所述成型物料进行烧结定型，得到复合改性聚醚醚酮材料。

本发明将聚醚醚酮微粉、聚四氟乙烯微粉、碳纤维粉、玻纤粉、铜粉、石墨粉、二氧化硅粉、二硫化钼粉、脂环烃类溶剂和异构烷烃溶剂混合后进行加热处理，得到混合液态物料。本发明对于原料混合时的加料顺序没有特殊的限定，采用任意加料顺序均可。本发明对于所述混合没有特殊的限定，能够将各原料混合均匀即可。在本发明中，所述加热处理的温度优选为420℃±5℃。在本发明中，所述加热处理能够使聚醚醚酮微粉和聚四氟乙烯微粉达到沸点呈液态状物，便于进行后续压力注射成型。

得到混合液态物料后，本发明将所述混合液态物料进行压力注射成型，得到成型物料。在本发明中，所述压力注射成型的压力优选为8～11mpa，更优选为9～10mpa；保压时间优选为8～20min，更优选为10～15min。

在本发明中，在进行实际规模化生产时，原料的混合、加热处理和压力注射成型优选在图1所示的设备中进行；图1中1-进料口、2-排气孔、3-搅拌叶轮、4-料筒、5-液压装置、6-短流通道、7-注压嘴、8-成型模具、9-电机。如图1所示，所述进料口1设置在料筒4的顶部，所述排气孔2设置在料筒4的上端部，所述搅拌叶轮3设置在料筒4的内部，并通过所述料筒4的顶部与电机9连接，所述料筒4底部设置有短流通道6，所述短流通道6的一端设置有液压装置5，另一端设置有注压嘴7，所述注压嘴7与所述成型模具8连通。

在本发明的实施例中，采用图1所示的设备对原料进行混合、加热处理和压力注射成型的工艺流程具体包括以下步骤：

将原料从进料口1投入到料筒4中，经过电机9带动搅拌叶轮3持续搅拌进行混合，搅拌过程中产生的气体通过排气孔2排出，搅拌过程中，料筒4持续升温至420±5℃，使聚醚醚酮微粉和聚四氟乙烯微粉达到沸点呈液态状物进入短流通道6，用液压装置5的推力通过短流通道6，经注射嘴7注射进成型模具8的成型腔中进行成型；完成注射后，压注嘴7与成型腔形成保压状态进行压力注射成型，让其自然冷却成型，自然冷却到常温状态后，开模取样，得到成型物料。

在本发明中，为了使料筒中的原料保持为液态状，在原料未用尽时，料筒的温度优选一直保持在420±5℃；同时，为了防止原料中石墨粉、铜粉、玻纤粉、碳纤维粉、二氧化硅粉及二硫化钼粉在重力作用下沉淀，影响复合效果，在原料未用尽时，在保证料筒的温度为420±5℃的同时，优选保持搅拌叶轮持续搅拌。

在本发明中，所述短流通道和压注嘴优选保持在420±5℃恒温状态，以缩短混合液态物料压注流道，同时也能够防止混合液态物料压注作业时流道过长或温度过低，混合液态物料冷却结块，堵塞流道或压注嘴。

在本发明中，所述液压装置的推力优选为8～11mpa，更优选为9～10mpa。

在本发明中，将所述混合液态物料注射进成型腔的过程中，所述成型腔优选保持在60～70℃的恒温状态，以防止混合液态物料注射进成型腔后快速遇冷结块，造成注料不均，影响成型效果，同时对压力注射成型带来困难。

在本发明中，完成注射后，压注嘴与成型腔形成保压状态；本发明通过保压使浆料完全注满成型腔，同时，使浆料在冷却过程始终过压，冷却成型后产品材质致密性好，密度匀称，保障了复合改性聚醚醚酮材料的使用性能。

在本发明中，在成型模完成拆模取样，进行下次注射合模之前，优选在成型腔的内壁表面均匀喷涂润滑油脂，主要是减小压注时混合液态物料在成型腔的流动阻力，同时能够减小成型物料与成型腔内壁的粘性，方便拆模和取样。

得到所述成型物料后，本发明将所述成型物料进行烧结定型，得到复合改性聚醚醚酮材料。在本发明中，所述烧结定型优选包括依次进行的升温段、高温烧结段和降温段；所述升温段的温度优选为180～280℃；所述高温烧结段的温度优选为360～400℃；所述降温段的温度优选为150～320℃。

在本发明中，在进行实际规模化生产时，所述成型物料的烧结定型优选在图2所示的设备中进行；图2中10-热风烘烤机、11-金属传送带、12-烘箱体、13-排烟管、14-传送电机、15-出坯口。如图2所示，所述烘箱体12中烘道依次包括升温段、高温烧结段和降温段，所述升温段、高温烧结段和降温段独立地设置有排烟管13，在所述烘箱体12的升温段一侧设置有热风烘烤机10，所述金属传送带11由传送电机14带动，将成型物料依次经过烘箱体12的升温段、高温烧结段和降温段，最后由坯口15得到复合改性聚醚醚酮材料。

在本发明中，所述烘箱体中烘道的总长度优选为20米，每2米为1个小区，共计10个小区，具体如下：

升温段为第1～4个小区，温度分别设定为180℃、220℃、260℃、280℃；所述升温段主要是将成型物料中的油分和水分蒸发掉，为后续高温烧结不变形做准备。

高温烧结段为第5～7个小区，温度分别设定为360℃、400℃、380℃；所述高温烧结段主要是将成型物料烧结成型，通过高温烧结，调质成型物料的材质结构，提高耐高温性能和力学性能。

降温段为第8～10个小区，温度分别设定为320℃、220℃、150℃；所述降温段主要是将成型物料慢冷塑型，避免烧结成型后的成型物料速冷变形，影响耐高温性能和力学性能。

在本发明中，所述金属传送带的传输速度优选为3～8m/min，更优选为6m/min。

本发明提供了上述技术方案所述复合改性聚醚醚酮材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的复合改性聚醚醚酮材料在阀门密封圈中的应用。本发明对于所述应用的具体方法没有特殊的限定，根据实际情况，将制备得到的复合改性聚醚醚酮材料进行精细加工到所需阀门密封圈的设定尺寸即可。本发明对于所述阀门密封圈的尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的的尺寸即可；在本发明中，所述阀门密封圈的尺寸优选为：外圆35～150mm，厚度4～12mm。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制备外圆35mm、厚度4mm的阀门密封圈，包括以下步骤：

按重量份数计，将60份聚醚醚酮微粉(粒径为30～50μm)、15份聚四氟乙烯微粉(粒径为35～50μm)、8份碳纤维粉(单丝直径为7～9μm，目数为50～100)、2.5份玻纤粉(单丝直径9～13μm，目数为300～400)、3.5份铜粉(粒径为3～5μm)、3份石墨粉(粒径为10～30μm)、2份二氧化硅粉(粒径为15～20μm)、1份二硫化钼粉(粒径为1～5μm)、3份环己烷和2份g型异构烷烃溶剂从进料口投入到料筒中，经过电机带动搅拌叶轮持续搅拌进行混合，搅拌过程中产生的气体通过排气孔排出，搅拌过程中，料筒持续升温至420±5℃，使聚醚醚酮微粉和聚四氟乙烯微粉达到沸点呈液态状物进入短流通道，用液压装置以8mpa的推力通过短流通道，经注射嘴注射进成型模具的成型腔中进行成型；完成注射后，压注嘴与成型腔形成保压状态，保压8min，让其自然冷却成型，自然冷却到常温状态后，开模取样，得到成型物料；

将所述成型物料置于烤箱体中设置有热风烘烤机的一侧，金属传送带由传送电机带动，以6m/min的传输速度将所述成型物料经过烘箱体中20米长的烘道(所述烘道每2米为1个小区，共计10个小区：第1～4个小区为升温段，温度分别设定为180℃、220℃、260℃、280℃；第5～7个小区为高温烧结段，温度分别设定为360℃、400℃、380℃；第8～10个小区为降温段，温度分别设定为320℃、220℃、150℃)，最后由坯口得到复合改性聚醚醚酮材料，进行精细加工到设定尺寸，得到阀门密封圈。

实施例2

按照实施例1的方法制备阀门密封圈，不同之处在于：实施例2制备的阀门密封圈的外圆80mm，厚度8mm；制备过程中，液压装置的推力为9mpa、保压时间为10min、传输速度为5m/min。

实施例3

按照实施例1的方法制备阀门密封圈，不同之处在于：实施例3制备的阀门密封圈的外圆150mm，厚度12mm；制备过程中，液压装置的推力为10mpa、保压时间为15min、传输速度为3m/min。

对比例1

按照实施例1的方法制备阀门密封圈，不同之处在于：制备所述阀门密封圈的原料中未添加碳纤维粉、玻纤粉、铜粉、石墨粉、二氧化硅粉和二硫化钼粉。

实施例4

根据iso527-2规定的方法对实施例1～3和对比例1制备的阀门密封圈的性能进行测定，具体结果见表1。

表1实施例1～3和对比例1制备的阀门密封圈的性能测定结果

由表1可知，与对比例1提供的阀门密封圈相比，采用本发明提供的复合改性聚醚醚酮材料制备的阀门密封圈具有优异的耐高温性能和力学性能，能够提高所述阀门密封圈的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。