CN104723577A

CN104723577A - 一种碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104723577A
Application number: CN201510111874.9A
Authority: CN
Inventors: 张云鹤; 陶巍; 姜振华; 张吉亮
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-03-15
Filing date: 2015-03-15
Publication date: 2015-06-24

Abstract

本发明的一种碳纤维织物增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，属于复合材料制备的技术领域。将碳纤维织物表面进行除浆剂处理；将聚芳砜粉末溶解在氯仿或N,N-二甲基甲酰胺配置成一定浓度的聚合物溶液，再加入聚醚醚酮超细粉，搅拌得到悬浮液；将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤；在热压机中熔融、加压、保压；之后降温冷却至室温后脱模。本发明解决了现有的聚醚醚酮树脂在浸润碳纤维过程中的工艺控制难度大、设备和能耗成本过高、聚醚醚酮与碳纤维的粘结性能不佳等问题，使本发明采用简单的设备、简便的工艺方法，实现大型纤维织物增强聚醚醚酮复合材料的制备。

Description

一种碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于纤维织物树脂基复合材料制备的技术领域，具体涉及一种碳纤维织物增强聚醚醚酮复合材料的制备方法。

背景技术

纤维织物增强高性能热塑性树脂基复合材料使用在飞机、直升机、航天飞机、舰艇、轮船、海洋平台、汽车、运动器械、桥梁、建筑等等几乎所有的高级工程结构上。纤维织物增强高性能热塑性树脂复合材料的使用量不断增长，不仅在传统工业领域上应用越来越多，而且在一些新兴领域(如生物医学)上也确立了其地位。但是，国内关于这方面的研究报道不多。

碳纤维突出的特点是高强度、高模量、低密度、其比强度、比模量远高于合金钢、铝合金和钛合金。同时还具有抗疲劳性能好、耐磨耗性和润滑性优异、良好的阻尼性能、良好的吸能减振性能等特点。并且其外形有显著的各向异性，柔软，可加工成各种织物，连续纤维织物相比短纤维具有更高的结构有序性和紧密度，因此相比短纤维增强复合材料，织物增强复合材料具有更为优异的比强度、承载能力和耐磨性。

聚醚醚酮(PEEK)是一种典型的热塑性高性能聚合物，具有高强度、高模量、高断裂韧性以及优良的尺寸稳定性，对交变应力的优良耐疲劳性是所有塑料中最出众的。由于耐高温热塑性树脂一般都具有良好耐溶剂和耐油性，不溶于常规有机溶剂，目前主要采用热熔浸渍，但由于热塑性树脂基体的熔融粘度比较大。热熔预浸对设备要求较高，技术和工艺控制难度大，使其应用受到很大限制。因此，扩大聚醚醚酮复合材料的应用面临的一个最大难题就是解决树脂基体对纤维的浸润，同时树脂与增强纤维的粘合能力也是决定其发挥优越性能的重要因素。

目前，一些专利公开了三维编制碳纤维/PEEK复合材料制备方法(如中国专利201110022682.2)，其编织技术难度大，且制品力学性能不高(弯曲强度500-900MPa)，本方法生产设备简单、操作简便可满足多个领域的发展与需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维织物增强聚醚醚酮复合材料的制备方法以解决聚醚醚酮树脂基体对纤维的浸润及粘合能力；并且生产设备简单、操作简便，可适用于大型纤维织物增强聚醚醚酮复合材料的制备。

本发明所述的碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料，是碳纤维机织预成型件经添加了聚醚醚酮超细粉的聚芳砜溶液浸没抽滤、再热压处理得到的碳纤维质量分数为50％～61.1％的复合材料。

本发明的技术方案如下。

一种碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，有以下步骤：

1)将编织角度θ＝90°的平纹、斜纹2D碳纤维织物(即，碳纤维机织预成型件)浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，再用去蒸馏水洗净、烘干；

2)将聚芳砜粉末溶解在氯仿或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，使溶液的质量浓度为2.2％～3.2％，搅拌，待聚芳砜粉末充分溶解后，加入聚醚醚酮(PEEK)粉末，聚醚醚酮与碳纤维质量比为0.45～0.5∶0.5～0.55，搅拌使之均匀混合得到悬浮液；

3)将步骤1中处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把步骤2中配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，使溶剂完全挥发；

4)将步骤3中得到的碳纤维织物置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压至15～20MPa，保压30min；再以20～30℃/min的速率降至室温。

所述的聚芳砜，优选聚醚砜(PES)或联苯聚醚醚砜(PPSU)。

所述碳纤维的种类包括聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维或沥青基碳纤维。碳纤维束包括1K、3K、6K、12K或24K。

所述的聚醚醚酮(PEEK)粉末，目数为100～600目，熔融指数为60～150g/10min。

所述的低压抽滤，可以在真空度为0.01MPa下抽滤。

与现有技术相比，本发明解决了现有的聚醚醚酮树脂在浸润碳纤维过程中一些问题，比如技术和工艺控制难度大、设备和能耗成本过高、聚醚醚酮与碳纤维的粘结性能不好等问题。由制备得到的复合材料形貌电镜照片可以明显看出本发明的复合材料具有较好的浸润和粘合性能。本发明采用的设备简单、工艺方法简便，制备得到的复合材料有较好的力学性能，拉伸强度可达512MPa、弯曲强度可达940MPa。

附图说明

图1是以本发明方法制备得到的复合材料表面形貌电镜照片。

图2是以本发明方法制备得到的复合材料断面形貌电镜照片。

具体实施方式

通过改变聚芳砜溶液浓度、碳纤维含量、热压压力得到不同的实施例。实施例中所述的高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，就是100～600目、熔融指数为60～150g/10min的聚醚醚酮(PEEK)粉末。

实施例1：

将编织角度θ＝90°的平纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将联苯聚醚醚砜(PPSU)粉末溶解在适量氯仿中配置成质量浓度为3.2％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，待氯仿挥发完全后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压15MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为50.2％的复合材料，其拉伸强度为331MPa，弯曲强度为663MPa。

实施例2：

将编织角度θ＝90°的斜纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将联苯聚醚醚砜(PPSU)粉末溶解在适量氯仿中配置成质量浓度为3.2％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，待氯仿挥发完全后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压15MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为50.2％的复合材料，其拉伸强度为311MPa，弯曲强度为641MPa。

实施例3：

将编织角度θ＝90°的平纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将聚醚砜(PES)粉末溶解在适量DMF中配置成质量浓度为3.2％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，烘干后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压15MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为50.0％的复合材料，其拉伸强度为307MPa，弯曲强度为619MPa。

实施例4：

将编织角度θ＝90°的斜纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将聚醚砜(PES)粉末溶解在适量DMF中配置成质量浓度为3.2％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，烘干后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压15MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为50.0％的复合材料，其拉伸强度为316MPa，弯曲强度为611MPa。

实施例5：

将编织角度θ＝90°的平纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将联苯聚醚醚砜(PPSU)粉末溶解在适量氯仿中配置成质量浓度为2.6％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，待氯仿挥发完全后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压18MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为51.9％的复合材料，其拉伸强度为411MPa，弯曲强度为726MPa。

实施例6：

将编织角度θ＝90°的平纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将聚醚砜(PES)粉末溶解在适量DMF中配置成质量浓度为2.6％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，烘干后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压18MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为52.1％的复合材料，其拉伸强度为387MPa，弯曲强度为702MPa。

实施例7：

将编织角度θ＝90°的平纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将联苯聚醚醚砜(PPSU)粉末溶解在适量氯仿中配置成质量浓度为2.2％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.45∶0.55的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，待氯仿挥发完全后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压18MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为52.5％的复合材料，其拉伸强度为423MPa，弯曲强度为733MPa。

实施例8：

将编织角度θ＝90°的平纹2D碳纤维机织预成型件浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，除去碳纤维表面上浆剂，再用去蒸馏水洗净、烘干、称重。将联苯聚醚醚砜(PPSU)粉末溶解在适量氯仿中配置成质量浓度为2.2％的聚合物溶液，之后在溶液中按质量比碳纤维(CF)：聚醚醚酮超细粉(PEEK)＝0.5∶0.5的比例加入高熔融指数的聚醚醚酮(PEEK)超细粉，充分搅拌，使之均匀混合得到悬浮液。将处理好的碳纤维织物平铺在布式漏斗中，把配置好的悬浮液倒在碳纤维织物上，低压抽滤，待氯仿挥发完全后取出。将其置于热压机中，升温至380℃，熔融60min，然后加压20MPa，保压30min。之后以20～30℃/min的中等降温速度冷却，冷却至室温后脱模得到碳纤维质量分数为61.1％的复合材料，其拉伸强度为512MPa，弯曲强度为940MPa。

Claims

1.一种碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，有以下步骤：

1)将编织角度θ＝90°的平纹、斜纹2D碳纤维织物浸泡在丙酮中加热超声48～72小时，再用去蒸馏水洗净、烘干；

2)将聚芳砜粉末溶解在氯仿或N,N-二甲基甲酰胺中，使溶液的质量浓度为2.2％～3.2％，搅拌，待聚芳砜粉末充分溶解后，加入聚醚醚酮粉末，聚醚醚酮与碳纤维织物质量比为0.45～0.5∶0.5～0.55，搅拌得到悬浮液；

2.根据权利要求1所述的碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述的聚芳砜，是聚醚砜或联苯聚醚醚砜。

3.根据权利要求1所述的碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维织物，是聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维或沥青基碳纤维。

4.根据权利要求1所述的碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述的聚醚醚酮粉末，目数为100～600目，熔融指数为60～150g/10min。

5.根据权利要求1、2或3所述的碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述的低压抽滤，是在真空度为0.01MPa下抽滤。

6.根据权利要求1或3所述的碳纤维织物增强聚醚醚酮聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维织物，是1K、3K、6K、12K或24K。