[发明专利]一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明以聚醚醚酮作为基体，通过添加聚酰亚胺、碳纤维、纳米二氧化硅、纳米二硫化钨，有效提高了聚醚醚酮复合材料的耐磨擦性能，降低了聚醚醚酮复合材料热膨胀系数，并提高了复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度。本发明制备的聚醚醚酮复合材料，具备低热膨胀、高强度、耐磨、耐腐蚀等特性，可用于制造水、酸、碱、有机溶剂等介质输送用离心泵的耐磨口环，提高离心泵的运转效率，改善离心泵的运行可靠性与寿命。

技术领域

本发明涉及一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。

背景技术

离心泵是一种流体输送设备，高性能离心泵在核电、船舶、航空、化工等领域广泛应用。耐磨口环安装于离心泵叶轮和泵体之间，主要作用是防止出口端介质倒流回进口端介质，同时也起耐磨作用，避免叶轮和泵壳直接接触损坏，起保护作用。口环间隙设计直接影响离心泵的运行效率和可靠性，小的口环间隙有利于提高离心泵的运行效率。随着对离心泵效率、运行寿命的更高要求，对口环材料的热膨胀、耐磨性、自润滑性提出了更高的要求。

目前，离心泵耐磨口环主要包括两大类材料：一是金属材料，包括球墨铸铁、黄铜、灰口铸铁、铸钢、不锈钢等，但金属口环在小间隙运行时会跟金属部件发生刮擦乃至剧烈摩擦，迅速升温导致摩擦焊接使泵卡死；二是聚合物复合材料，包括玻璃纤维填充尼龙、青铜填充聚四氟乙烯、玻璃纤维填充聚四氟乙烯、酚醛树脂等，但现有大多数材料的热膨胀系数高(如40％青铜填充的PTFE，大于80ppm/℃)，在高低温工况下口环间隙变化大，泵的效率不稳定，此外材料在低粘度介质流体中使用时的耐磨性不足，会导致运行时口环间隙逐渐变大，难以长期保持稳定高效运转。

聚醚醚酮是一种典型的高性能热塑性聚合物，具有轻质、高强、耐热、耐磨、自润滑、耐化学腐蚀性能，相对于其它特种工程塑料具有诸多优势，在航空航天、机械制造、生物医疗、核电等领域有着广泛的应用，尤其是可用于替代金属材料，在机械设备的结构和功能部件中实现应用。但是纯聚醚醚酮材料用于制造离心泵耐磨口环时，其热膨胀系数、耐磨性、自润滑性能难以满足实际需求。现有采用聚四氟乙烯和聚酰亚胺复合聚醚醚酮的复合材料，具备一定的耐磨和自润滑性，但因聚四氟乙烯本身的热膨胀系数高，且聚四氟乙烯在聚醚醚酮基底中呈海岛状分布，难以与聚醚醚酮完全相容，加入聚四氟乙烯会大幅提高复合材料的热膨胀系数，这难以保障复合材料口环与金属部件在不同温度下的精密配合，影响离心泵的稳定、高效运转。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，一方面降低聚醚醚酮材料的热膨胀，另一方面改善聚醚醚酮材料的耐磨性和自润滑性，以匹配离心泵耐磨口环的应用需求。既可最大程度的减少口环间隙，提升离心泵运行效率，又可降低口环与金属面摩擦后产生的磨损，提升离心泵的运行可靠性，避免非设计工况下离心泵的卡死故障，实现延寿。

本发明的第一个目的是提供一种耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料，按重量百分比计，包括如下组分：聚醚醚酮40-60wt％、聚酰亚胺5-10wt％、磨碎碳纤维30-50wt％、纳米二氧化硅0.5-5wt％和纳米二硫化钨0.5-2wt％。

进一步地，所述的聚醚醚酮的粒径为45-65μm。

进一步地，所述的聚酰亚胺的粒径为50-75μm。

进一步地，所述的磨碎碳纤维的直径为7-10μm，长度为100-200μm。

该尺寸的碳纤维可保障碳纤维粉体在复合材料中的良好分散，有助于提高复合材料强度，降低复合材料热膨胀系数。

进一步地，所述的纳米二氧化硅的粒径为50-100nm。

进一步地，所述纳米二硫化钨的粒径为60-100nm。

本发明的第二个目的是提供所述的耐磨低热膨胀聚醚醚酮复合材料的制备方法，包括如下步骤：