本发明属于叶轮设备
技术领域：
，具体涉及一种塑料叶轮用复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：目前叶轮一般由金属材料制备(例如油泵叶轮、风车叶轮、水泵叶轮等等)，但金属叶轮在工作过程中容易受到介质的腐蚀，同时金属材料叶轮不耐磨损、质量重，随着技术要求的不断提高，上述缺陷逐渐被放大，进而使得金属制备的叶轮在实际应用中受到了很大的限制。塑料叶轮具有质量轻、耐化学腐蚀、缓冲、吸振、惯性低的特点，目前有部分叶轮开始使用塑料制备，然而普通工程塑料制备的叶轮工作温度较低，一般低于120℃，在一些高温、辐射、高压、高耐磨等严苛工况下不能使用。peek特种工程塑料制备的叶轮具有优异的性能，但价格过于昂贵，难以大规模应用。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的塑料叶轮用复合材料，其能够兼具优异的耐温、耐压、耐磨、韧性等性能，综合性能好，成本相对于高端特种工程塑料更低，适于大规模应用。本发明还提供了一种塑料叶轮用复合材料的制备方法。本发明同时还提供了一种塑料叶轮。为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：一种塑料叶轮用复合材料，所述复合材料的原料包括树脂成分、抗氧剂，所述树脂成分由液晶聚合物、聚苯硫醚和聚醚砜构成，所述液晶聚合物、所述聚苯硫醚和所述聚醚砜的投料质量比为1-3︰1.1-4︰1，所述原料还包括改性碳纤维、改性氧化石墨烯、聚四氟乙烯、丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶；其中，所述丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的投料质量与所述液晶聚合物和所述聚苯硫醚的总投料质量之比为0.02-0.25︰1，所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶与所述聚醚砜的投料质量之比为0.02-0.20︰1。根据本发明，液晶聚合物(lcp)为公知市售产品，购自于韩国seyang公司，型号：h树脂。根据本发明，聚苯硫醚(pps)为公知市售产品，购自于重庆聚狮新科技材料有限公司公司，型号：gl08。根据本发明，聚醚砜(pes)为公知市售产品，购自于巴斯夫公司，型号：e2020p。根据本发明的一些具体方面，聚四氟乙烯为公知市售产品，可选用杜邦公司的ptfe微粉，型号mp1000。根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述改性碳纤维占所述原料的质量百分含量为10-50％。更优选地，以质量百分含量计，所述改性碳纤维占所述原料的质量百分含量为10-25％。根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述改性氧化石墨烯占所述原料的质量百分含量为2-10％。根据本发明的一些优选方面，所述改性碳纤维通过如下方法制备而得：先采用混合酸氧化碳纤维得到氧化的碳纤维，再使所述氧化的碳纤维与硅烷偶联剂反应而制成所述改性碳纤维，其中，所述混合酸为浓硫酸与浓硝酸的混合物，所述浓硝酸与所述浓硫酸的投料体积比为2-5︰1。本发明中，浓硫酸为质量分数大于或等于70％的硫酸水溶液；浓硝酸为质量分数大于或等于60％的硝酸水溶液。根据本发明的一些具体方面，碳纤维可采用日本东丽公司t700短切碳纤维6mm。根据本发明的一些具体且优选的方面，所述硅烷偶联剂与所述氧化的碳纤维的投料质量比为1︰200-1000。根据本发明的一个具体且优选的方面，所述改性碳纤维通过如下方法制备而得：首先使用丙酮清洗碳纤维，超声分散，4～6小时后使用清水冲洗3～5次，烘干；再将干燥后的碳纤维浸入浓硝酸与浓硫酸体积比为3:1的混合酸溶液中，60～80℃下超声分散，30～120min后，蒸馏水冲洗3～5次，80～100℃真空干燥。将上述处理后的碳纤维浸渍在硅烷偶联剂kh550与乙醇和蒸馏水配比为20:72:8比例混合均匀的溶液中，超声分散，4～24小时后，使用蒸馏水冲洗3～5次后，80～100℃真空干燥后，制成改性碳纤维，备用。根据本发明的一些优选方面，所述改性氧化石墨烯通过改性剂与氧化石墨烯反应制成，所述改性剂由植物酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂和液体石蜡构成，所述植物酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂与所述液体石蜡的投料质量比为1︰0.8-1.5。根据本发明的一些具体且优选的方面，所述改性剂与所述氧化石墨烯的投料质量比为0.005-0.03︰1。根据本发明的一些具体方面，氧化石墨烯材料为公知市售产品，可选用常州第六元素科技股份有限公司，型号：se2430w。根据本发明的一些优选方面，所述抗氧剂由抗氧剂irganox1098和抗氧剂p-epq构成，所述抗氧剂irganox1098与所述抗氧剂p-epq的投料质量比为1︰1.2-2。根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述聚四氟乙烯占所述原料的质量百分含量为0.1-3％。根据本发明的一些优选方面，所述复合材料通过先使所述液晶聚合物、所述聚苯硫醚和所述丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物共混熔融制成二元合金材料，再使所述二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出而制成。根据本发明的一些具体且优选的方面，以质量份数计，所述原料中，所述液晶聚合物占20-50份、所述聚苯硫醚占30-60份、所述聚醚砜占10-50份、所述改性碳纤维占10-50份、所述改性氧化石墨烯占2-10份、所述聚四氟乙烯占0.5-5份、所述丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物占2-15份、所述丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶占1-8份和所述抗氧剂占0.01-3份。本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的塑料叶轮用复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)按配方称取各原料，将称取的液晶聚合物、聚苯硫醚和聚醚砜分别进行干燥；(2)将经步骤(1)干燥后的液晶聚合物、聚苯硫醚与丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物混合，熔融挤出，制成二元合金材料；(3)将步骤(2)制备的二元合金材料与剩余原料混合，熔融挤出，制成所述塑料叶轮用复合材料。在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中的干燥处理在温度140-160℃下进行，干燥时间为4-8小时。根据本发明的一些具体方面，步骤(2)中和步骤(3)的熔融挤出操作分别在挤出机中进行。优选地，所述挤出机中各段温度分别为：一区220-240℃、二区240-270℃、三区270-310℃、四区310-320℃、五区310-320℃、六区310-320℃、七区310-320℃、八区310-320℃、九区310-320℃、十区310-320℃，十一区310-320℃，其中，螺杆长径比36～48，螺杆转速200～500rpm。本发明提供的又一技术方案：一种塑料叶轮，所述塑料叶轮由上述所述的塑料叶轮用复合材料制成。由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的塑料叶轮用复合材料制成的塑料叶轮能够兼具优异的耐温、耐压、耐磨、韧性、刚性等性能，综合性能优异。其相比于目前金属叶轮，具有质量轻、耐腐蚀、吸振、惯性低、使用寿命长等特点；与目前普通工程塑料叶轮相比，具有可在200℃高温下使用，抗辐射、高耐磨、韧性、刚性等性能优异的特点；与昂贵的peek材料相比，成本优势更明显，因此本发明的塑料叶轮用复合材料能够适于特种工况例如高温、辐射、高压、高耐磨等严苛工况下的大规模应用。具体实施方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。下述中，如无特殊说明，所有的原料均来自于商购或者通过本领域的常规方法制备而得。下述中，液晶聚合物(lcp)购自于韩国seyang公司，型号：h树脂。聚苯硫醚(pps)为公知市售产品，购自重庆聚狮新科技材料有限公司公司，型号：gl08。聚醚砜(pes)为公知市售产品，购自巴斯夫公司，型号：e2020p。碳纤维购自于日本东丽公司t700短切碳纤维6mm。氧化石墨烯材料为公知市售产品，购自于常州第六元素科技股份有限公司，型号：se2430w。聚四氟乙烯购自于杜邦公司的ptfe微粉，型号mp1000。抗氧剂由巴斯夫股份抗氧剂irganox1098与科莱恩抗氧剂p-epq按照1:1.5混配而成。丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物购自于深圳市帕斯特新材料科技有限公司，型号s902。丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶购自于深圳市帕斯特新材料科技有限公司，型号g1088。下述中，改性碳纤维通过如下方法制备而得：首先使用丙酮清洗碳纤维，超声分散，4～6小时后使用清水冲洗3～5次，烘干；再将干燥后的碳纤维浸入浓硝酸(质量分数90％)与浓硫酸(质量分数98％)体积比为3:1的混合酸溶液中，60～80℃下超声分散，120min后，蒸馏水冲洗3～5次，80～100℃下真空干燥。将上述处理后的碳纤维浸渍在硅烷偶联剂kh550与乙醇和蒸馏水配比为20:72:8比例混合均匀的溶液中，超声分散，10小时后，使用蒸馏水冲洗3～5次后，80～100℃真空干燥后，制成改性碳纤维，备用；其中，碳纤维与硅烷偶联剂kh550的投料质量比为800︰1。下述中，改性氧化石墨烯通过改性剂与氧化石墨烯按投料质量比0.02︰1反应制成，所述改性剂由植物酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂kr-tts和液体石蜡构成，所述植物酸型单烷氧基类钛酸酯偶联剂kr-tts与所述液体石蜡的投料质量比为1︰1。实施例1本实施例提供一种塑料叶轮用复合材料，以质量份数计，其原料包括：液晶聚合物(lcp)30份；聚苯硫醚(pps)40份；聚醚砜(pes)20份；上述方法制备的改性碳纤维20份；上述方法制备的改性氧化石墨烯5份；丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物6份；ptfe微粉1.5份；抗氧剂0.1份；丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶4份。其制备方法为：(1)按配方量称取各原料，将所述液晶聚合物(lcp)、聚苯硫醚(pps)、聚醚砜(pes)，放入干燥箱，温度设定150℃，干燥时间8小时；(2)将经步骤(1)干燥后的液晶聚合物、聚苯硫醚与丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物在高速混料机中混料10min，然后在挤出机中熔融挤出，制成二元合金材料；挤出机中各段温度分别为：一区230℃、二区255℃、三区290℃、四区315℃、五区315℃、六区315℃、七区315℃、八区315℃、九区315℃、十区315℃，十一区315℃，其中，螺杆长径比44，螺杆转速300rpm；(3)将步骤(2)制备的二元合金材料与剩余原料混合，在挤出机中熔融挤出，制成所述塑料叶轮用复合材料；其中改性碳纤维在5区侧喂料口加入，改性氧化石墨烯在7区侧喂料口加入，均采用失重式喂料；挤出机中各段温度分别为：一区230℃、二区255℃、三区290℃、四区315℃、五区315℃、六区315℃、七区315℃、八区315℃、九区315℃、十区315℃，十一区315℃，其中，螺杆长径比44，螺杆转速300rpm。注塑样品，工艺设定：干燥温度150℃，干燥时间8小时，注塑机前段温度310℃，中段温度320℃，后段温度310℃，喷嘴温度300度，背压35mpa，注塑压力100mpa，注射速度80mm/s，模具温度140℃。测得注塑样品性能如下表一所示。表一项目特征值单位测试标准拉伸强度5mm/min130mpaastmd638断裂伸长率5mm/min4％astmd638拉伸弹性模量1mm/min12000mpaastmd638弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min200mpaastmd790弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min11200mpaastmd790缺口冲击强度200j/mastmd256无缺口冲击强度4j1100j/mastmd4812热导系数，厚度方向12w/(m.k)astme1530动摩擦系数，uk，对钢0.32--astmd1894热变形温度，1.8mpa220℃astmd648实施例2本实施例提供一种塑料叶轮用复合材料，以质量份数计，其原料包括：液晶聚合物(lcp)30份；聚苯硫醚(pps)50份；聚醚砜(pes)30份；上述方法制备的改性碳纤维30份；上述方法制备的改性氧化石墨烯6份；丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物8份；ptfe微粉1.5份；抗氧剂0.1份；丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶5份。制备方法及注塑工艺均同实施例1。测得注塑样品性能如下表二所示。表二项目特征值单位测试标准拉伸强度5mm/min170mpaastmd638断裂伸长率5mm/min2％astmd638拉伸弹性模量1mm/min19000mpaastmd638弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min260mpaastmd790弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min18000mpaastmd790缺口冲击强度240j/mastmd256无缺口冲击强度4j1250j/mastmd4812热导系数，厚度方向16w/(m.k)astme1530动摩擦系数，uk，对钢0.3--astmd1894热变形温度，1.8mpa232℃astmd648实施例3本实施例提供一种塑料叶轮用复合材料，以质量份数计，其原料包括：液晶聚合物(lcp)40份；聚苯硫醚(pps)50份；聚醚砜(pes)40份；上述方法制备的改性碳纤维40份；上述方法制备的改性氧化石墨烯6份；丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物11份；ptfe微粉1.5份；抗氧剂0.1份；丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶6份。制备方法及注塑工艺均同实施例1。测得注塑样品性能如下表三所示。表三项目特征值单位测试标准拉伸强度5mm/min210mpaastmd638断裂伸长率5mm/min2％astmd638拉伸弹性模量1mm/min22000mpaastmd638弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min300mpaastmd790弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min21500mpaastmd790缺口冲击强度270j/mastmd256无缺口冲击强度4j1360j/mastmd4812热导系数，厚度方向18w/(m.k)astme1530动摩擦系数，uk，对钢0.28--astmd1894热变形温度，1.8mpa245℃astmd648对比例1基本同实施例1，其区别仅在于不加丙烯酸酯接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。测得注塑样品性能如下表四所示。表四对比例2基本同实施例1，其区别仅在于不加丙烯酸缩水甘油酯接枝乙丙橡胶。测得注塑样品性能如下表四所示。表四对比例3基本同实施例1，其区别仅在于制备方法中所有原料同时共混熔融挤出。测得注塑样品性能如下表六所示。表六项目特征值单位测试标准拉伸强度5mm/min106mpaastmd638断裂伸长率5mm/min2％astmd638拉伸弹性模量1mm/min10500mpaastmd638弯曲强度，跨距50mm，1.3mm/min158mpaastmd790弯曲模量，跨距50mm，1.3mm/min9300mpaastmd790缺口冲击强度162j/mastmd256无缺口冲击强度4j940j/mastmd4812热导系数，厚度方向12w/(m.k)astme1530动摩擦系数，uk，对钢0.34--astmd1894热变形温度，1.8mpa210℃astmd648上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12