CN118056672A - 一种高强度、高硬度的聚醚醚酮棒材材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高强度、高硬度聚醚醚酮棒材，直径为4～20mm，长度为30～200mm；具有表面化的片状壳层结构；壳层厚度为20～200μm。利用高速变形技术，材料室温拉伸抗拉强度为208MPa左右，比普通约16.4％；维氏显微硬度也从19.4Hv提升到35.7Hv，提升了约84％。制备方法简单，可以大幅度降低能耗。应用性强，产品的附加值高，经久耐用。在极端使役环境比如航空航天以及水下作业等场景具有重要的潜在应用价值。
Description
技术领域
本申请涉及一种高强度、高硬度的聚醚醚酮棒材材料及制备方法和应用，属于材料加工领域。
背景技术
聚醚醚酮(PEEK)，是一种半结晶、高性能、具有热塑性的特种工程材料，自1980年代PEEK材料上市以来，一直备受关注。它主要用于石油和天然气、航空航天、汽车、电气、生物医学和半导体应用等行业。典型的应用实例，比如可制造加工成各种机械零部件，如汽车齿轮、油筛、换档启动盘；飞机发动机零部件、自动洗衣机转轮、医疗器械零部件等等。
出色的机械性能、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性和高达250℃的高温使役温度，使PEEK成为塑料行业中最具开发潜力和利用率最高的热塑性材料之一。然而，过高的加工温度要求，以及过高的产品价格也在一定程度上限制了聚醚醚酮的应用和发展。
传统塑料加工成型工艺，也包括塑料的二次成型过程，如挤出成型，注射成型，吹塑成型，模压成型等，普遍存在的问题是能耗过大，生产成本高，过程可控性不够，产品稳定性不足，加工过程容易引入工业杂质等等。
聚合物固态成型技术是类比金属加工发展起来的一种面向塑料制品生产的特种制造技术。常见的固态成型技术手段包括：冷锻，冷轧，冲压，墩粗等。这类技术相较传统塑料加工成型工艺，可以做到节约生产成本，提高生产效率，但是仍有两个不容忽视的致命缺陷：一是产品报废率高，加工后的高分子锻造件容易出现开裂，变形，表面微裂纹等问题；二是产品尺寸控制精度低，加工完成的试样往往不能保持加工完成瞬间的尺寸，回弹现象明显。
发明内容
基于以上事实与分析，本发明首次对高分子材料应用动态高速变形技术，对棒材聚醚醚酮进行单方向多次原位处理来制备高强度、高硬度聚醚醚酮棒材。该发明具有简单、节能、高效，还可保证产品产率等优点。
本发明的目的是提供一种具有高强度、高硬度聚醚醚酮材料及其制备方法。制备方法采用动态变形原位加工技术。
根据本申请的一个方面，提供一种高强度、高硬度聚醚醚酮棒材，所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材的直径为4～20mm，长度为30～200mm；
所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材的直径上限为20mm、19mm、18mm、17mm、16mm、15mm、14mm、13mm、12mm、11mm、10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm；下限为4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm；
所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材的长度上限为200mm、190mm、180mm、170mm、160mm、150mm、140mm、130mm、120mm、110mm、100mm、90mm、80mm、70mm、60mm、50mm、40mm；下限为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm；
所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材具有表面化的片状壳层结构；
所述壳层的厚度为20～200μm；所述壳层的厚度上限为200μm、190μm、180μm、170μm、160μm、150μm、140μm、130μm、120μm、110μm、100μm、90μm、80μm、70μm、60μm、50μm、40μm、30μm；下限为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm；
所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材的拉伸强度为175～210MPa；
所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材在15～35℃下显微硬度为20～36Hv。
根据本申请的另一个方面，提供一种上述的高强度、高硬度聚醚醚酮棒材的制备方法，包括以下步骤：
采用动态变形原位加工技术，对聚醚醚酮棒材进行单方向多次处理，得到所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材。
所述动态变形原位加工技术包括：
采用半球形刀具在一定自转角速度旋转的棒状聚醚醚酮材料表面进行滚动，同时半球形刀具沿被处理工件轴向运动，使材料表层产生形变。
所述动态变形原位加工技术的参数如下：
温度：30～200℃；
应变速率：101～104s-1；
变形应变量：0.08～0.17；
单次的变形应变量：0.0013～0.0075；
自转角速度：50～900rad/min。
计算方法：
ε为变形量，R0为材料变形前厚度，R为材料变形后的厚度。
进一步地，温度的上限为200℃、190℃、180℃、170℃、160℃、150℃、140℃、130℃、120℃、110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃；下限为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃；
进一步地，应变速率的上限为104s-1、103s-1、102s-1；下限为101s-1、102s-1、103s-1；
进一步地，变形应变量上限为0.17、0.16、0.15、0.14、0.13、0.12、0.11、0.1、0.09；下限为0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16；
进一步地，单次的变形应变量上限为0.0075、0.0070、0.0065、0.0060、0.0055、0.0050、0.0045、0.0040、0.0035、0.0030、0.0025、0.0020、0.0015；下限为0.0013、0.0015、0.0020、0.0025、0.0030、0.0035、0.0040、0.0045、0.0050、0.0055、0.0060、0.0070；
根据本申请的另一个方面，提供一种上述的高强度、高硬度聚醚醚酮棒材或上述的制备方法制备的高强度、高硬度聚醚醚酮棒材的应用，其特征在于，
用于航空航天或水下领域。
本发明具有如下优点：
1、制备的棒材聚醚醚酮同时具有高强度和高硬度。本发明利用高速变形技术，选择合适变形应变量、变形应变速率和变形温度，在回避传统聚合物材料二次加工繁杂的加工条件下，制备出具有壳层化的类似多层复合材料的聚醚醚酮材料，室温拉伸抗拉强度最高可达210MPa左右，比普通均质聚醚醚酮棒材抗拉强度(175MPa左右)提高约20％；材料的维氏显微硬度也从19.4Hv提升到35.7Hv，提升了约84％。采用半球形刀具在一定自转角速度旋转的棒状聚醚醚酮材料表面进行滚动，同时半球形刀具沿被处理工件轴向运动，在材料表层产生形变，使被处理加工材料表面层分子间距离减小，甚至晶区重排。从而形成“壳层化”甚至“梯度化”的微观结构，微观结构的总深度可达100微米以上，单层深度为20微米左右。
2、制备方法简单，可以大幅度降低能耗。本发明利用高速变形技术，制备方法简单，易于控制好变形工艺参数和变形温度。对目前传统的变形技术进行必要的改进，优化工艺参数和变形温度，即可制备出高强度、高硬度的壳层化的聚醚醚酮材料。
3、应用性强。过高的产品价格也在一定程度上限制了聚醚醚酮的应用。本发明加工强化的样品，提高了聚醚醚酮材料的性能，进而提升了产品的附加值。除了加工过程生产成本降低外，加工产品经久耐用，也变相降低了产品的价格。另外，加工强化的聚醚醚酮材料，在极端使役环境比如航空航天以及水下作业等场景具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1是实施例1得到的复合材料截面SEM表征图；
图2是棒材动态变形原位加工设备示意图。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
本申请中所使用的聚醚醚酮材料，均购自长春吉大特塑工程研究有限公司，产品牌号：021G，样品初始为黄色粉末；所用初始样品棒材，均采用注塑成型工艺加工生产。
该制备方法采用的设备包括棒状材料转动***、加工半球形刀具***、刀具进给***和加热与冷却***，由数字化PLC***统一控制实现的(见图2)。其中：被处理样品安装于棒状材料转动***的输出端，棒状材料转动***带动被处理工件旋转，加工半球形刀具***安装在刀具进给***上，半球形刀具与被处理工件的一侧相对，通过刀具进给***控制半球形刀具在被处理工件表面的进给量。被处理工件的另一侧设置加热与冷却***，从而达到加工区域的理想环境温度。
实施例1
利用高速变形技术制备高强度、高硬度聚醚醚酮棒材材料；
设备：棒材动态变形原位加工设备；
变形应变速率：104s-1
变形应变量：变形量0.105(8次变形，每次变形0.0126)；
变形温度：30℃；
制备出壳层式微米(纳米)尺寸的聚醚醚酮类复合材料。
图1是实施例1得到的复合材料截面SEM表征图，从图中可以看出，其微观结构主要特征是形成表面化的片状壳层式结构，壳层厚度可达80μm。
使用2mm/s的拉伸速度进行室温拉伸实验，抗拉强度达207.6MPa，测量得到的材料显微硬度为22Hv。
实施例2
利用高速变形技术制备高强度、高硬度聚醚醚酮棒材材料；
设备：棒材动态变形原位加工设备；
变形应变速率：103s-1
变形应变量：变形量0.0834(8次变形，每次变形0.01)；
变形温度：30℃；
制备出壳层式微米(纳米)尺寸的聚醚醚酮类复合材料，其微观结构与实施例1类似，主要特征是形成表面化的片状壳层式结构，壳层厚度至少为20μm。
使用2mm/s的拉伸速度进行室温拉伸实验，抗拉强度达180MPa，测量得到的材料显微硬度为35.7Hv。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (6)
1.一种高强度、高硬度的聚醚醚酮棒材，其特征在于，
所述聚醚醚酮棒材的直径为4～20mm，长度为30～200mm；
所述高强度、高硬度聚醚醚酮棒材具有表面化的片状壳层结构；
所述壳层的厚度为20～200μm。
2.根据权利要求1所述的聚醚醚酮棒材，其特征在于，
所述聚醚醚酮棒材的拉伸强度为175～210MPa；
所述聚醚醚酮棒材在15～35℃下显微硬度为20～36Hv。
3.一种权利要求1或2任一项所述的高强度、高硬度的醚醚酮棒材的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
采用动态变形原位加工技术，对聚醚醚酮棒材进行单方向处理，得到所述聚醚醚酮棒材。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
所述动态变形原位加工技术包括：
采用半球形刀具在一定自转角速度旋转的棒状聚醚醚酮材料表面进行滚动，同时半球形刀具沿被处理工件轴向运动，使材料表层产生形变。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
所述动态变形原位加工技术的参数如下：
温度：30～200℃；
应变速率：101～104s-1；
变形应变量：0.08～0.17；
单次的变形应变量：0.0013～0.0075；
自转角速度：50～900rad/min。
6.一种权利要求1或2任一项所述的高强度、高硬度聚的醚醚酮棒材或权利要求3～5任一项所述的制备方法制备的高强度、高硬度的聚醚醚酮棒材的应用，其特征在于，
用于航空航天或水下领域。
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