[发明专利]一种聚醚醚酮基耐磨复合材料、制备方法及其在减摩耐磨方面的应用

说明书

技术领域

本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种聚醚醚酮基耐磨复合材料、制备方法及其在减摩耐磨方面的应用。

背景技术

高分子材料由于其与金属相比具有低的摩擦系数、良好的阻尼性能和自润滑能力，在摩擦学应用领域内有较强的竞争力，但是常规通用高分子材料已不能满足日益扩大的应用需求。聚醚醚酮作为一种半结晶性、热塑性特种工程塑料，不仅具有高力学性能、耐热性、耐腐蚀性、耐疲劳性、绝缘性及抗辐射性，而且摩擦性能及自润滑性优异，然而纯树脂的应用范围及条件十分有限，因此需要对其进行改性填充以拓宽应用领域。

碳纤维常被用作填充剂，以提高复合材料的耐磨性能，在摩擦发生过程中，其会随着材料的磨损暴露于表面，承担大部分载荷，进而大幅提升摩擦磨损性能。

无机纳米粒子的添加能有效地改善材料的摩擦磨损性能，在摩擦时刚性较大的纳米粒子的脱落不仅能够承担载荷，也提供了一种摩擦接触面间的滚动摩擦机制，提高材料耐磨性能。但由于纳米粒子较高的比表面积和表面能，在基体中易发生团聚而影响其在聚合物基体中的作用，所以对其进行表面改性十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种填料分散性良好，低摩擦系数、低磨损率，减摩耐磨性能优异的聚醚醚酮基复合材料、其制备方法及其在减摩耐磨方面的应用。

为了优化微米尺寸短切碳纤维的分散性，我们利用与聚醚醚酮相容性良好且耐高温的聚醚酰亚胺对碳纤维进行包覆处理；同时对纳米二氧化钛进行偶联剂接枝以降低其团聚程度。与不经任何处理的填料相比，其具有在复合材料中分散均匀且与基体的界面作用强等优点。

本发明所述的一种聚醚醚酮基耐磨复合材料，其特征在于：按质量和100％计算，含有65％～87％聚醚醚酮(PEEK)，10％～30％聚醚酰亚胺(PEI)包覆的碳纤维，3～5％偶联剂改性的二氧化钛。

优选地，本发明所述的聚醚醚酮粒径为38～75μm，熔融指数为20～25g/10min(由XRZ-400熔融指数仪测定，测试条件：400℃，负荷砝码重5kg，聚合物装入测试料筒预热5min)。

优选地，本发明所述的聚醚酰亚胺(PEI)的分子量M_w为55000～60000。

优选地，本发明所述的碳纤维为上海吴羽化学有限公司生产的石油沥青基石墨化短切碳纤维，长度为100～200μm，直径10～20μm。

优选地，本发明所述的二氧化钛，粒径为40～100nm，且经偶联剂改性，所用的偶联剂为硅烷偶联剂KH570或KH550。

一种聚醚醚酮基耐磨复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将聚醚酰亚胺(PEI)加入到三氯甲烷中，浓度为0.1g～0.5g/10mL，20～30℃下搅拌至溶解，再加入碳纤维，碳纤维和PEI的质量比为5～50：1，继续搅拌2～4h，然后将所得混合液边搅拌边缓慢倒入无水乙醇中，制得PEI包覆的碳纤维，过滤洗涤后烘干；

(2)将二氧化钛加入到无水乙醇中，浓度为0.5～1g/10mL，超声分散3～5h后加入无水乙醇体积5～10％的蒸馏水，并利用氨水调节混合液的pH值为8～10，再加入偶联剂，二氧化钛和偶联剂的质量比为20～100：1，然后在50～80℃的条件下反应1～3h，制得偶联剂改性的二氧化钛，离心洗涤后烘干；

(3)将聚醚醚酮树脂、PEI包覆的碳纤维、偶联剂改性的二氧化钛按质量百分比65％～87％：10％～30％：3％～5％，经高速搅拌混合机混合后，于100～120℃条件下干燥8～12h；

(4)将步骤(3)干燥好的混合物加入到双螺杆挤出机中，在370～390℃的条件下混炼、挤出、造粒，并将粒料干燥；将干燥好的粒料通过注塑机注塑成型，最终得到聚醚醚酮基复合材料样品。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：选用拥有较高的综合性能且价格相对较低的沥青基短切碳纤维，同时以聚醚酰亚胺对其进行表面物理包覆，提高了碳纤维在聚醚醚酮树脂中的分散及与基体的界面相容性。通过摩擦学测试对比，包覆后的碳纤维/聚醚醚酮复合材料拥有更低的摩擦系数和磨损率。进一步利用碳纤维和无机纳米粒子的协同效应，将偶联剂接枝后的纳米二氧化钛引入复合体系，偶联剂的表面处理有效地降低了纳米粉体在基体中的团聚现象。