一種PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料及其製備方法與流程
2024-04-09 23:54:05
本發明屬於塑料改性技術領域，尤其涉及一種PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料及其製備方法。
背景技術：
聚醚醚酮(PEEK)主鏈含有大量的酮鍵、醚鍵，賦予PEEK優良的剛性和柔性，良的柔性，尤其是對交變應力具有良好的抗疲勞性。PEEK分子結構使其具有優異的耐化學腐蝕、耐磨性、尺寸穩定性以及高機械強度，耐高溫性能超過PPS、PTFE、PI等特種塑料，廣泛用於機械、石油、化工、核電、軌道交通、電子和醫學等領域。PEEK樹脂存在流動性差，以及原材料價格昂貴，限制了PEEK在民用企業中的應用。
目前，市面上的PEEK主要以填充、共混、增強等改性方法提高PEEK製品的精度、耐熱、耐摩擦、抗衝擊、抗疲勞。例如PEEK與PEK合金材料可提高力學性能，阻燃達到5VA，改善了PEEK合金材料的注塑成型工藝，但其生產成本沒有明顯降低。碳纖維可提高PEEK複合材料硬度、剛性、尺寸穩定性，中國專利號CN103073841A公開的玻璃纖維增強PEEK，增強材料耐老化、耐蠕變、耐化學性顯著提高，但纖維增強導致PEEK增強材料各向收縮率差異，注塑製件存在翹曲的風險，碳纖維相對於玻璃纖維增強材料的抗翹曲能力強、比重小，但碳纖維增強PEEK的成本遠高於玻璃纖維。礦物可提高PEEK複合材料的抗翹曲能力，提高材料的耐熱性、耐化學性、流動性，但礦物填充導致PEEK力學性能顯著降低。中國專利號CN 104403265A公開的PEEK/粉煤灰空心微珠/玻璃纖維複合材料製備方法，該複合材料具有力學性能優良，尺寸穩定性佳，但粉煤灰篩選獲得的空心微珠粒徑分布較寬，粒徑和比例不均勻，存在不規則雜質，甚至粗顆粒，降低複合材料的硬度，甚至造成模具損傷。
針對PEEK複合材料研究現狀，相對於粉煤灰空心微珠，高嶺土具有粒徑分布均勻，外觀規整，填充改性的PEEK具有優良的耐熱性、耐磨性、抗衝擊 性和抗翹曲性，而適量的玻璃纖維可彌補礦物填充引起的力學性能損毀，也保證了複合材料注塑所需的流動要求，注塑產品的抗翹曲能力。因此，從根本上解決了PEEK的流動性差和生產成本高等問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料及其製備方法，旨在解決現有的PEEK的流動性差和生產成本高等問題。
本發明目的是採用玻璃纖維、高嶺土對高性能PEEK材料進行改性，PEEK與高嶺土、PEEK與玻璃纖維相界面間的界面作用力，改善了PEEK複合材料的力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性，提高其抗翹曲性、抗衝擊性，降低PEEK生產成本。
本發明是這樣實現的，一方面，提供了一種力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性、抗翹曲性及抗衝擊性較強且PEEK生產成本較低的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：
進一步地，所述相容劑為接枝率為0.5％～1.0％的POE-g-GMA、SEBS-g-GMA或丙烯酸正丁酯-縮水甘油酯。
進一步地，所述高嶺土和所述玻璃纖維均經過偶聯劑活化處理的填料和纖維，增強與所述PEEK相界面間結合力。
進一步地，所述抗氧劑為β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸正十八碳醇酯、((N，N(3，5)-二叔丁基-4-羥基苯基)丙醯)已二胺或亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯中一種或幾種混合物。
進一步地，所述熱穩定劑為N-苯烯接枝馬來醯亞胺、有機銅鹽、受阻酚類或磷酸酯類中一種或幾種混合物。
進一步地，所述潤滑劑為聚矽氧烷、長鏈不飽和脂肪酸鹽、N.N-亞乙基雙硬脂酸醯胺或乙烯硬脂醯胺中一種或幾種混合物。
相應地，本發明還提供一種PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料製備方法，包括步驟：
(1)稱取配方組分
按照權利要求1所述的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料配方分別稱取PEEK、相容劑、矽烷偶聯劑、高嶺土、抗氧劑、熱穩定劑、潤滑劑及玻璃纖維；
(2)製備混合物
將步驟(1)中稱取的所述PPEEK、相容劑、矽烷偶聯劑、高嶺土、抗氧劑、熱穩定劑、潤滑劑及玻璃纖維加入高混機中高速混合2-10分鐘，得到混合物；
(3)熔融擠出
將步驟(2)中得到的混合物由主餵料系統加入嚙合同向雙螺杆擠出機中，將玻璃纖維通過排氣口加入，經熔融反應、擠出、冷卻、切粒、乾燥、獲得注塑原料成品。雙螺杆擠出機的工藝參數如下：一區溫度200～240℃；二區溫度280～320℃；三區、四區、五區溫度均為300～340℃；六區、七區、八區、九區溫度均為305～345℃；模頭溫度330～360℃；機頭模壓為10～13MPa；雙螺杆長徑比為25～40；塑料在擠出機中停留時間為2～3min。
本發明的有益效果是：本發明PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料以PEEK為主料，採用玻璃纖維、高嶺土填充對PEEK進行改性，PEEK與高嶺土、PEEK與玻璃纖維相界面結合力，改善了PEEK複合材料的力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性，提高了PEEK抗翹曲性、抗衝擊性，降低PEEK生產成本。
另外，本發明採用平行同向雙螺杆擠出機製備，具有操作簡單、成本低廉、生產效益高，適合工業化生產。
具體實施方式
下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
本發明目的是採用玻璃纖維、高嶺土對高性能PEEK材料進行改性，PEEK 與高嶺土、PEEK與玻璃纖維相界面間的界面作用力，改善了PEEK複合材料的力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性，提高其抗翹曲性、抗衝擊性，降低PEEK生產成本。
本發明實施例提供一種力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性、抗翹曲性及抗衝擊性較強且PEEK生產成本較低的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：
進一步地，所述相容劑為接枝率為0.5％～1.0％的POE-g-GMA、SEBS-g-GMA或丙烯酸正丁酯-縮水甘油酯，以增強PEEK與玻璃纖維相界面相容性，提高PEEK與玻璃纖維相界面的結合效果，實現體系中各組分的均勻混合。
進一步地，所述高嶺土和所述玻璃纖維均經過偶聯劑活化處理的填料和纖維，增強與所述PEEK相界面間結合力。
進一步地，所述抗氧劑為β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸正十八碳醇酯、((N，N(3，5)-二叔丁基-4-羥基苯基)丙醯)已二胺或亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯中一種或幾種混合物。
進一步地，所述熱穩定劑為N-苯烯接枝馬來醯亞胺、有機銅鹽、受阻酚類或磷酸酯類中一種或幾種混合物。
進一步地，所述潤滑劑為聚矽氧烷、長鏈不飽和脂肪酸鹽、N.N-亞乙基雙硬脂酸醯胺或乙烯硬脂醯胺中一種或幾種混合物。
本發明PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料以PEEK為主料，採用玻璃纖維、高嶺土填充對PEEK進行改性，PEEK與高嶺土、PEEK與玻璃纖維相界面結合力，改善了PEEK複合材料的力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性，提高了PEEK 抗翹曲性、抗衝擊性，降低PEEK生產成本。
相應地，本發明還提供一種PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料製備方法，包括步驟：
(1)稱取配方組分
按照權利要求1所述的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料配方分別稱取PEEK、相容劑、矽烷偶聯劑、高嶺土、抗氧劑、熱穩定劑、潤滑劑及玻璃纖維；
(2)製備混合物
將步驟(1)中稱取的所述PPEEK、相容劑、矽烷偶聯劑、高嶺土、抗氧劑、熱穩定劑、潤滑劑及玻璃纖維加入高混機中高速混合2-10分鐘，得到混合物；
(3)熔融擠出
將步驟(2)中得到的混合物由主餵料系統加入嚙合同向雙螺杆擠出機中，將玻璃纖維通過排氣口加入，經熔融反應、擠出、冷卻、切粒、乾燥、獲得注塑原料成品。雙螺杆擠出機的工藝參數如下：一區溫度200～240℃；二區溫度280～320℃；三區、四區、五區溫度均為300～340℃；六區、七區、八區、九區溫度均為305～345℃；模頭溫度330～360℃；機頭模壓為10～13MPa；雙螺杆長徑比為25～40；塑料在擠出機中停留時間為2～3min。
上述PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料製備方法採用平行同向雙螺杆擠出機製備，只需按配方將各組分混合併在適當的溫度下熔融擠出即可得到產品，在熔融擠出過程中只需控制熔融擠出的溫度和時間即可，具有操作簡單、成本低廉、生產效益高，適合工業化生產。
下面結合具體的實施例對本發明做一詳細的闡述。
實施例1
該實施例的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：PEEK 53.6％、相容劑7％、矽烷偶聯劑0.4％、高嶺土25％、抗氧劑0.3％，熱穩定劑0.5％、潤滑劑0.2及及玻璃纖維13％。
其製備方法如下：
(1)稱取配方組分
按照上述的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料配方分別稱取PEEK、相容劑、矽烷偶聯劑、高嶺土、抗氧劑、熱穩定劑、潤滑劑及玻璃纖維；
(2)製備混合物
將步驟(1)中稱取的所述PPEEK、相容劑、矽烷偶聯劑、高嶺土、抗氧劑、熱穩定劑、潤滑劑及玻璃纖維加入高混機中高速混合2-10分鐘，得到混合物；
(3)熔融擠出
將步驟(2)中得到的混合物由主餵料系統加入嚙合同向雙螺杆擠出機中，將玻璃纖維通過排氣口加入，經熔融反應、擠出、冷卻、切粒、乾燥、獲得注塑原料成品。雙螺杆擠出機的工藝參數如下：一區溫度200～240℃；二區溫度280～320℃；三區、四區、五區溫度均為300～340℃；六區、七區、八區、九區溫度均為305～345℃；模頭溫度330～360℃；機頭模壓為10～13MPa；雙螺杆長徑比為25～40；塑料在擠出機中停留時間為2～3min。
實施例2
該實施例的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：PEEK 48.6％、相容劑9％、矽烷偶聯劑0.4％、高嶺土28％、抗氧劑0.3％，熱穩定劑0.5％、潤滑劑0.2％及玻璃纖維13％。
其製備方法與實施例1相同。
實施例3
該實施例的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：PEEK 57.1％、相容劑8％、矽烷偶聯劑0.5％、高嶺土22％、抗氧劑0.3％，熱穩定劑0.5％、潤滑劑0.3％及玻璃纖維11％。
其製備方法與實施例1相同。
實施例4
該實施例的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：PEEK 45.2％、相容劑7％、矽烷偶聯劑0.6％、高嶺土28％、抗氧劑0.4％，熱穩定劑0.4％、潤滑劑0.4％及玻璃纖維18％。
其製備方法與實施例1相同。
實施例5
該實施例的PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料，按重量百分比由以下組分組成：PEEK 55.1％、相容劑3％、矽烷偶聯劑0.8％、高嶺土22％、抗氧劑0.3％，熱穩定劑0.3％、潤滑劑0.3％及玻璃纖維18％。
其製備方法與實施例1相同。
本發明的有益效果是：本發明PEEK/玻璃纖維/高嶺土複合材料以PEEK為 主料，採用玻璃纖維、高嶺土填充對PEEK進行改性，PEEK與高嶺土、PEEK與玻璃纖維相界面結合力，改善了PEEK複合材料的力學性能、耐化學腐蝕性、耐熱性，提高了PEEK抗翹曲性、抗衝擊性，降低PEEK生產成本。
另外，本發明採用平行同向雙螺杆擠出機製備，具有操作簡單、成本低廉、生產效益高，適合工業化生產。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。