[发明专利]碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐温承压的碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料及其制备方法和应用。 

背景技术

压裂技术是开发非常规油气资源的核心技术。压裂球是决定压裂是否成功的主要部件，压裂球的材质决定了其应用领域及复杂工艺的先决条件。因此有必要对合成其材料进行研究。以保证非常规资源的合理开发及利用。 

纳米复合材料（Namocomposites）的主要特征是复合体系中的一个组分至少有一维以纳米尺寸（≤100nm）均匀分散在另一组分基体中。聚芳醚酮（PEAK）与碳纤维（CF）组成纳米复合材料，PEAK与具有纳米尺寸的碳纤维形成均匀而牢固的结合。纳米相比表面积大，存在特殊的相互作用，故其性能比相应的宏观或微米级复合材料的性能有非常显著的提高。表现出新的性能和功能。复合材料的制备方法包括：插层复合法、交联法和乳液聚合法等。PEAK改性技术是最新发展起来的新技术，但是由于PEAK的极性弱、低表面能和疏水性的本质，与无机物的相容性差，同时其分子量较大难以向层间运动。都阻碍了制备有效的纳米复合材料。本方法通过聚合物分子链中加入分子（纳米级）尺寸的增强材料赋予材料新的更优的性能。将此种材料应用于非常规油气开采的压裂工具中，制成压裂球制品。因而开辟了一条开发新一代特种材料的应用路线。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备非常规油气压裂球的聚芳醚酮/碳纤维的纳米复合材料及其制备方法。该方法可有效解决聚芳醚酮与碳纤维纳米复合材料制备中存在相容性差和大分子插层困难等问题。提高PEAK与碳纤维（CF）之间相容性，提高其结合强度。从而获得性能比普通聚芳醚酮优良的纳米复合材料。 

本发明的技术方案如下： 

一种碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料制备方法，先对聚芳醚酮进行干燥处理，然后将聚芳醚酮、碳纤维和热稳定剂混合，搅拌均匀；在甲苯中超声分散均匀，然后加热至80-100℃并保温6小时去除甲苯溶剂。

干燥条件为干燥温度100~120℃，时间6~8 h。 

所述聚芳醚酮、碳纤维和热稳定剂进行混合后的混合物中，聚芳醚酮类树脂所占重量百分比为60 ~95.99%，热稳定剂所占重量百分比为0.01 ~5%，其余为碳纤维。 

热稳定剂是由主抗氧剂和辅助抗氧剂组成的混合物，主抗氧剂为双(3，5- 二叔丁基-4- 羟基苄基磷酸单乙酯) 钙)、1，3，5，三(3，5- 二叔丁基，4- 羟基苄基) 均三嗪，2，4，6-(1H，3H，5H) 三酮或1，3，5，三(4- 叔丁基-3- 羟基-2，6- 二甲基苄基)-1，3，5- 三嗪苯酰胺-2，4，6- 三酮。 

一种碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料，利用上述任意一项方法制备而成。 

一种石油完井用压裂球，上述的碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料在350-400℃注塑而成。 

本发明采用注塑工艺制备耐温承压热复合材料，制备方法简单、产品质量稳定、生产效率高。本方法在提高该复合材料的热稳定性同时，仍保持了优异力学性能。该产品具有良好的熔融加工稳定性，产品熔融加工后颜色变化微小，性能稳定，缩小了该类材料与国外产品的差距，具有广阔的应用前景。该材料注塑成的压裂球，抗压能力高、耐温性能好。 

说明书附图

图1为该碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料的红外光谱图。

图2-9为碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料的气-质联用裂解图。 

具体实施方式

下面结合说明书对本发明做进一步描述。 

该碳纤维改性聚芳醚酮纳米复合材料由聚芳醚酮类树脂、碳纤维与热稳定剂组成，聚芳醚酮类树脂所占重量百分比为60 ~95.99%，热稳定剂所占重量百分比为0.01 ~5%，其余为碳纤维；聚芳醚酮类树脂为聚醚醚醚酮、聚醚醚酮酮、聚醚醚酮、聚醚酮、联苯型聚醚醚酮、联苯型聚醚醚酮酮、聚醚酮醚酮酮、联苯型聚醚酮醚酮酮中的一种或几种的混合物；热稳定剂是由主抗氧剂和辅助抗氧剂组成的混合物，按重量比计算，主抗氧剂的用量为0 ～100％，主抗氧剂为双(3，5- 二叔丁基-4- 羟基苄基磷酸单乙酯) 钙)、1，3，5，三(3，5- 二叔丁基，4- 羟基苄基) 均三嗪，2，4，6-(1H，3H，5H) 三酮或1，3，5，三(4- 叔丁基-3- 羟基-2，6- 二甲基苄基)-1，3，5- 三嗪苯酰胺-2，4，6- 三酮，其结构式分别为：