本发明专利技术公开了一种长纤维增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料及其制备方法，属于纤维增强热塑性树脂复合材料领域。所述长纤维增强PEEK复合材料按重量份由如下组分构成：聚醚醚酮(PEEK)100份、聚醚酰亚胺10～40份、增强纤维1～100份、纳米改性剂0.01～1份；其制备方法主要包括长纤维母粒的制备和复合材料的成型两个步骤；所述长纤维母粒采用溶液法制备，由PEI树脂、增强纤维及纳米改性剂构成；所述复合材料采用注塑工艺进行成型，以长纤维母粒与PEEK粉末的混合物为原料。本发明专利技术可显著提高PEEK复合材料中的纤维保留长度、改善PEEK树脂对纤维的浸渍效果、增加PEEK树脂和增强纤维间的界面性能、提高复合材料的力学性能和耐高温性能，适用于航空航天、交通运输、机械等领域。机械等领域。机械等领域。
【技术实现步骤摘要】
一种长纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法
[0001]本专利技术属于纤维增强热塑性树脂复合材料领域，提供了一种具有优异力学性能的长纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法。
技术介绍
[0002]纤维增强热塑性复合材料具有力学性能优异(如高断裂韧性、高抗冲击和高损伤容限)、高耐热性、易修复、可回收利用等众多优点，在航空航天、军工装备、汽车交通、电子等领域的应用广泛。目前航空工业使用的高性能热塑性复合材料主要以聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚为基体材料，碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等高性能纤维为增强材料。PEEK作为一种半结晶型聚合物，其玻璃化转变温度为143℃，熔点大约为340℃，是目前综合性能最好的特种工程塑料。连续纤维增强PEEK复合材料的力学性能优异，但存在制造成本高、生产效率低、难以成型异型和复杂结构等问题。短纤维增强PEEK复合材料可利用传统的挤出注塑工艺制备成型，具有生产效率高、可成型复杂结构等优势。但相对连续纤维增强PEEK复合材料，短纤维增强PEEK复合材料的力学性能较差，进而限制了其在航空航天等高端领域的应用。
[0003]对于短纤维增强PEEK复合材料，其力学性能较差的原因是纤维长度在挤出注塑过程中折减严重。近年来，人们提出通过拉挤工艺制备长纤维增强塑料母粒，可有效提高注塑成型复合材料中纤维的保留长度，从而提高其力学性能。然而，利用拉挤工艺制备长纤维增强PEEK母粒面临较多挑战：1)拉挤设备造价高额且占地面积巨大；2)PEEK的加工温度极高，熔融后黏度大，对纤维丝束浸渍困难；3)PEEK疏水性高且缺乏活性官能团，加之常用于增强PEEK的纤维表面化学性质不活泼，增强纤维与PEEK树脂之间很难形成化学键，进而导致增强纤维与PEEK树脂之间的界面层性能不理想。因此，如何使用简单有效的方法提高PEEK复合材料中的纤维长度、PEEK树脂对纤维的浸渍效果及PEEK树脂和增强纤维间的界面性能，对于拓展PEEK复合材料在航空航天等领域的应用意义重大。
技术实现思路
[0004]专利技术目的：针对现有非连续纤维增强PEEK复合材料所存在的纤维保留长度短、界面结合性能差等问题，本专利技术提供一种具有良好界面性能和力学性能的长纤维增强PEEK复合材料及其制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述一种具有优异力学性能的长纤维增强PEEK复合材料及其制备方法。
[0006](A)本专利技术所述长纤维增强PEEK复合材料由以下组分按重量份数构成：聚醚醚酮(PEEK)100份、聚醚酰亚胺(PEI)10～40份、增强纤维1～100份和纳米改性剂0.01～1份。
[0007]所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的至少一种。
[0008]所述纳米改性剂为碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)、纳米二氧化硅(SiO2)中的至少一种。
[0009]所述纳米改性剂经功能化处理，含有氨基、羟基或羧基官能团的至少一种，但不仅限于此。
[0010](B)本专利技术所述长纤维增强PEEK复合材料的制备方法主要包括以下步骤：
[0011](1)纤维预处理。将增强纤维浸泡于丙酮中，60～80℃回流提取12～24h，用去离子水清洗后100～120℃烘干，以去除增强纤维表面的商业上浆剂。然后，将增强纤维置于30～70℃强酸或强碱中浸泡120～240min，接着用去离子水将其洗涤至中性，100～120℃烘干。
[0012](2)制备长纤维母粒。将经预处理后的增强纤维剪成10～40mm的长纤维；将纳米改性剂均匀分散到有机溶剂中，得到浓度为0.0001～0.01g/mL的纳米改性剂溶液；将PEI树脂加入到有机溶剂中，40～90℃下搅拌直至PEI完全溶解，得到浓度为0.1～0.3g/mL的PEI溶液。然后将配方用量的长纤维及纳米改性剂溶液依次放入到PEI溶液中，充分搅拌确保纳米改性剂和增强纤维分散均匀。将上述混合物铺展成2
‑
4mm的薄层，采用梯度烘干的方式进行干燥处理，然后利用粉碎机进行造粒处理，再次在120～150℃下烘干1～4h，即得到PEI改性长纤维母粒。
[0013](3)复合材料的注塑成型。将100份粒径为10～100μm的PEEK粉末与配方用量的上述长纤维母粒混合均匀，然后利用注塑机进行注塑成型，注塑机从进料口到喷嘴的温度为360～390℃，模具温度为180～200℃，即得可得到最终的长纤维增强PEEK复合材料。
[0014]步骤(1)中所述增强纤维为新生产的连续纤维束或经回收再利用的非连续纤维。
[0015]步骤(1)中所述的强酸为浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸中的至少一种；所述强碱为0.1～1mol/L的氢氧化钠溶液。
[0016]步骤(2)中所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)、N,N
‑
二甲基乙酰胺(DMAc)、二氯甲烷(CH2Cl2)、N
‑
甲基吡咯酮(NMP)中的至少一种。
[0017]步骤(2)中所述的梯度烘干程序为40～100℃10～20h，120～160℃5～10h，180～220℃1～5h。
[0018]步骤(2)中所述的造粒处理过程，粒料筛子直径为10
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20mm，造粒后得到的母粒中的纤维长度分布在5～20mm。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的创新之处：
[0020](1)本专利技术提供了一种长纤维增强PEEK复合材料，其具有如下特点：A.与传统短纤维增强PEEK复合材料相比，该PEEK复合材料中纤维的保留长度可提升一倍以上，增强效果明显。B.PEI与PEEK具有相似分子结构，通过制备PEI改性长纤维母粒，将PEI引入到PEEK树脂，可以显著改善PEEK树脂对于纤维的浸润特性。C.PEEK复合材料中PEI的含量高达10～40phr，由于PEI的玻璃化转变温度高于PEEK，可以显著提升PEEK复合材料在玻璃化转变温度附近(140～170℃)的力学性能。D.纳米改性剂的引入，不但可以改善纤维与PEI及PEEK之间的浸润性，而且可以增加纤维与基体的机械咬合力，从而显著提高复合材料的界面性能。总之，该PEEK复合材料具有较高的纤维长度保持率、良好界面特性，从而大幅度提升了PEEK复合材料的力学性能。
[0021](2)本专利技术提供了一种新型的长纤维增强PEEK复合材料的制备方法。与传统的先挤出造粒再进行注塑成型的工艺相比，该方法所制备复合材料中纤维长度的保持率较高(因其母粒未经历挤出工艺)，从而可显著提升其性能。与现有先通过拉挤工艺进行造粒，再进行注塑成型的工艺相比，具有如下优势：A.不需要大型、昂贵的拉挤生产线，具有成本低
的优势；B.利用溶液法制备PEI改性长纤维母粒，在对纤维进行表面处理改性的同时，可引入高含量的改性树脂PEI，这与传统的纤维上浆处理有着本质的区别。C.该方法可使用回收再利用的连续或者非连续纤维作为原料。
附图说明
[0022]图1为本专利技术制备长纤维增强聚醚醚酮复合本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种长纤维增强聚醚醚酮复合材料，所述的长纤维增强复合材料按重量份数由聚醚醚酮100份、聚醚酰亚胺10～40份、增强纤维1～100份和纳米改性剂0.01～1份构成，其制备方法包括如下步骤：(1)纤维预处理。将增强纤维浸泡于丙酮中，60～80℃回流提取12～24h，用去离子水清洗后100～120℃烘干；然后，将增强纤维置于30～70℃强酸或强碱中浸泡120～240min，接着用去离子水将其洗涤至中性，100～120℃烘干。(2)制备长纤维母粒。将经预处理后的增强纤维剪成10～40mm的长纤维；将纳米改性剂均匀分散到有机溶剂中，得到浓度为0.0001～0.01g/mL的纳米改性剂溶液；将PEI树脂加入到有机溶剂中，40～90℃下搅拌直至PEI完全溶解，得到浓度为0.1～0.3g/mL的PEI溶液。然后，将配方用量的长纤维和纳米改性剂溶液依次放入到PEI溶液中，充分搅拌确保纳米改性剂和增强纤维分散均匀。将上述混合物铺展成2
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4mm的薄层，采用梯度烘干的方式进行干燥处理，然后利用粉碎机进行造粒处理，再次在120～150℃下烘干1～4h，即得到PEI改性长纤维母粒。(3)复合材料的注塑成型。将100份粒径为10～100μm的PEEK粉末与配方用量的上述长纤维母粒混合均匀，然后利用注塑机进行注塑成型，注塑机从进料口到喷嘴的温度为3...
【专利技术属性】
技术研发人员：李元庆，刘全秀，张园园，关博文，付绍云，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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