專利名稱：碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高分子復(fù)合材料的制備技術(shù)，具體涉及一種耐高溫、高強(qiáng)度、高模量、耐化學(xué)溶劑、耐沖擊性能的碳纖維增強(qiáng)的聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚醚酰亞胺(簡(jiǎn)稱PEI)是一種熱塑性的特種工程塑料，由美國(guó)通用公司于1972年研究開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)10年時(shí)間試制，于1982年以商品名Ultem推向世界市場(chǎng)。PEI分子結(jié)構(gòu)中既含有芳香胺官能團(tuán)，又含有醚結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其它芳族PI而言，是一種成本低、產(chǎn)量較高的熱塑性PI。PEI具有優(yōu)異的阻燃性能(氧指數(shù)大于47，發(fā)煙量低)、韌性、抗輻射性能、長(zhǎng)期耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，并且有良好的介電性能，在寬廣的頻率和溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的介電常數(shù)和介電損耗值以及極高的介電強(qiáng)度。PEI制品被廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、航空航天、粉塵及廢氣過(guò)濾、防彈衣等工業(yè)領(lǐng)域，并用作傳統(tǒng)產(chǎn)品的金屬代用材料。然后，雖然PEI提供了韌性、機(jī)械性能和加工性之間良好的平衡，但是其耐熱性較差(熱變形溫度不到200°C)，而且耐溶劑性也不是很理想，易受到許多溶劑的攻擊，從而生產(chǎn)裂紋，降低材料的物理機(jī)械性能。為了改善PEI的這些性能，尤其是適應(yīng)更高工作溫度及其它特殊環(huán)境的需求，需要對(duì)PEI進(jìn)行改性研究。
聚苯硫醚(簡(jiǎn)稱PPS)是一種結(jié)晶性的特種工程塑料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、高阻燃、耐化學(xué)藥品性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作結(jié)構(gòu)性高分子材料，在電子電器、航空航天、汽車(chē)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。PPS是工程塑料中耐熱性最好的品種之一，熱變形溫度一般大于260°C、抗化學(xué)溶劑性僅次于聚四氟乙烯，流動(dòng)性僅次于尼龍。其缺點(diǎn)在于脆性大、韌性差，耐沖擊強(qiáng)度低，其缺口沖擊強(qiáng)度一般只有3-5KJ/m2。如何解決聚醚酰亞胺和聚苯硫醚的上述缺陷，一直是人們研究的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)碳纖維增強(qiáng)的PEI/PPS復(fù)合材料的研究文獻(xiàn)和專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種耐高溫、高強(qiáng)度、高模量、耐化學(xué)溶劑、耐沖擊性能的碳纖維增強(qiáng)的聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料。本發(fā)明的第一發(fā)明目的在于提供一種上述符合材料的制備方法。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，按質(zhì)量百分比由以下組分組成
聚醚酰亞胺20 80% ;
聚苯硫醚10 70% ;
碳纖維5 40% ；
潤(rùn)滑劑0. I 2%。本發(fā)明的優(yōu)選，所述聚醚酰亞胺是由雙酚A型二酐與間苯二胺及調(diào)聚劑在溶劑中高溫縮聚而得，其密度為I. 27±0. 02g/cm3，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為210_220°C，采用該聚醚酰酰亞胺可以提供復(fù)合材料更高的物理機(jī)械性能和耐熱性能。本發(fā)明的優(yōu)選，所述聚苯硫醚是由對(duì)二氯苯和硫化鈉縮聚而成，其密度為
I.36±0. 02g/cm3，重均分子量為25000-60000，采用該聚苯硫醚可以賦予復(fù)合材料較好的加工性能和外觀性能。本發(fā)明的優(yōu)選，所述碳纖維由聚丙烯腈纖維經(jīng)碳化制得，采用該聚丙烯腈碳纖維價(jià)廉易得，可以賦予復(fù)合材料較高的性價(jià)比。本發(fā)明的優(yōu)選，所述碳纖維的抗拉強(qiáng)度為3000-6000MPa，抗拉彈性模量為200-500GPa,纖維直徑為6_15 μ m,采用該碳纖維可以賦予復(fù)合材料較高的強(qiáng)度和模量。本發(fā)明的優(yōu)選，所述潤(rùn)滑劑為季戊四醇硬脂酸酯、硅酮粉中的一種或兩種的混合。本發(fā)明的優(yōu)選，所述潤(rùn)滑劑為分解溫度大于375°C的硅酮粉。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于150-180°C和120-150°C的真空干燥箱中干燥4-6小時(shí)，然后按照配比準(zhǔn)確稱量聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌5 20分鐘；
(2)將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為260 290°C，290 300°C，300 330°C, 300 330°C，310 340°C，310 350°C，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為 250 480r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為34 60r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出粒條；
(3)上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶進(jìn)行輸送，在傳輸帶上方設(shè)置有3-6個(gè)風(fēng)扇對(duì)粒條進(jìn)行冷卻，風(fēng)干后的粒條進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，切得長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料顆粒。本發(fā)明的有益效果
(1)PPS是一種綜合性能優(yōu)異的特種工程塑料，具有優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、阻燃、均衡的物理機(jī)械性能和極好的尺寸穩(wěn)定性。另外，PPS是工程塑料中耐熱性最好的品種之一，熱變形溫度大于260°c、抗化學(xué)溶劑性僅次于聚四氟乙烯，流動(dòng)性僅次于尼龍。采用PPS與PEI制備PEI/PPS合金材料，可明顯改善PEI的耐溶劑性能、耐熱性、加工流動(dòng)性，同時(shí)還可以降低PEI的材料成本；
(2)本發(fā)明采用高強(qiáng)高模的聚丙烯腈基碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚合金材料，可以大大提高合金材料的強(qiáng)度、模量、耐熱溫度及沖擊強(qiáng)度；
(3)本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料在擠出造粒時(shí)采用輸送帶進(jìn)行輸送，與傳統(tǒng)的先將粒條經(jīng)過(guò)水槽水冷，然后再風(fēng)干的牽引方式相比，該方法可以有效降低復(fù)合材料的含水率，從而減少材料在注塑加工前的烘干成本；
(4)本發(fā)明的復(fù)合材料制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低，可以在常規(guī)的雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行加
工；
(5)本發(fā)明制備的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱溫度高、耐溶劑、加工流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子電氣、航天航空、軍工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)的一種碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料按質(zhì)量百分比含量計(jì)算由以下成分組成聚醚酰亞胺20 80%，聚苯硫醚10 70%，碳纖維5 40%，潤(rùn)滑劑O. I 2%。其中，聚醚酰亞胺(PEI)和聚苯硫醚(PPS)樹(shù)脂兩者之間可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)=PEI可提高PPS的耐沖擊性能；而PPS可改善PEI的耐熱性能、耐化學(xué)溶劑性和流動(dòng)性能，而且可以降低PEI材料的成本；碳纖維做為增強(qiáng)填料，可以提高聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性、耐熱溫度等性能。潤(rùn)滑劑的加入將有效改善材料在加工過(guò)程中與機(jī)器設(shè)備的摩擦，降低能耗，以及提高復(fù)合材料的流動(dòng)性、脫模性及改善材料的外觀性能。在以下實(shí)施例中，所用的聚醚酰亞胺為沙特基礎(chǔ)創(chuàng)新公司的Ultem 1000-1000，所用聚苯硫醚為四川得陽(yáng)特種新材料有限公司的pps-hb，所用碳纖維為日本東邦公司的UMS40,潤(rùn)滑劑為星貝達(dá)(北京)化工材料有限公司的硅酮粉ST-LS100。實(shí)施例I
按以下質(zhì)量百分比組成進(jìn)行配比聚醚酰亞胺29.8%，聚苯硫醚60%，碳纖維10%，潤(rùn)滑劑O. 2%。將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于150°C和120°C的真空干燥箱中干燥4小時(shí)，然后將準(zhǔn)確稱量的聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌5分鐘。將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共六區(qū)):270°C, 290°C, 300°C,310°C，320°C，320°C，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為360r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為48r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出。上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶輸送到切粒機(jī)進(jìn)行切粒，即可得到長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料。實(shí)施例2
按以下質(zhì)量百分比組成進(jìn)行配比聚醚酰亞胺34.7%，聚苯硫醚50%，碳纖維15%，潤(rùn)滑劑O. 3%。將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于150°C和120°C的真空干燥箱中干燥4小時(shí)，然后將準(zhǔn)確稱量的聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌5分鐘。將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共六區(qū))280oC,290°C,310°C,320°C，320 °C，330 °C，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為380r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為45r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出。上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶輸送到切粒機(jī)進(jìn)行切粒，即可得到長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料。實(shí)施例3
按以下質(zhì)量百分比組成進(jìn)行配比聚醚酰亞胺39. 5%，聚苯硫醚40%，碳纖維20%，潤(rùn)滑劑O. 5%。將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于150°C和120°C的真空干燥箱中干燥5小時(shí)，然后將準(zhǔn)確稱量的聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌8分鐘。將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共六區(qū))280oC,290°C,310°C,320°C，320°C，330°C，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為400r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為40r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出。上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶輸送到切粒機(jī)進(jìn)行切粒，即可得到長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料。實(shí)施例4
按以下質(zhì)量百分比組成進(jìn)行配比聚醚酰亞胺29. 7%，聚苯硫醚40%，碳纖維30%，潤(rùn)滑劑O. 3%。將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于150°C和120°C的真空干燥箱中干燥5小時(shí)，然后將準(zhǔn)確稱量的聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌10分鐘。將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共六區(qū))280oC,290°C,310°C,320°C，320 °C，330 °C，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為450r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為35r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出。上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶輸送到切粒機(jī)進(jìn)行切粒，即可得到長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料。實(shí)施例5
按以下質(zhì)量百分比組成進(jìn)行配比聚醚酰亞胺49. 7%，聚苯硫醚20%，碳纖維30%，潤(rùn)滑劑O. 3%。將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于160°C和120°C的真空干燥箱中干燥5小時(shí)，然后將準(zhǔn)確稱量的聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌15分鐘。將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共六區(qū))280°C，29(TC，31(rC，320 °C，320 °C，330°C，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為450r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為38r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出。上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶輸送到切粒機(jī)進(jìn)行切粒，即可得到長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料。上述實(shí)施例中所得材料的物理力學(xué)性能如下表所示
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，按質(zhì)量百分比由以下組分組成聚醚酰亞胺20 80% ;聚苯硫醚10 70% ;碳纖維5 40% ；潤(rùn)滑劑0. I 2%。
2.如權(quán)利要求I所述的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，其特征在于所述聚醚酰亞胺是由雙酚A型二酐與間苯二胺及調(diào)聚劑在二甲基乙酰胺溶劑中于200-300°C縮聚而得，其密度為I. 27±0. 02g/cm3，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為210_220°C。
3.如權(quán)利要求I所述的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，其特征在于所述聚苯硫醚是由對(duì)二氯苯和硫化鈉縮聚而成，其密度為1.36±0. 02g/cm3，重均分子量為25000-60000。
4.如權(quán)利要求I所述的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，其特征在于所述碳纖維由聚丙烯腈纖維經(jīng)碳化制得。
5.如權(quán)利要求4所述的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，其特征在于所述碳纖維的抗拉強(qiáng)度為3000-6000MPa，抗拉彈性模量為200_500GPa，纖維直徑為6_15μπι。
6.如權(quán)利要求I所述的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，其特征在于所述潤(rùn)滑劑為季戊四醇硬脂酸酯、硅酮粉中的一種或兩種的混合。
7.如權(quán)利要求6所述的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，其特征在于所述潤(rùn)滑劑為分解溫度大于375°C的硅酮粉。
8.如權(quán)利要求1-7所述的任一碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(I)將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚分別放置于150-180°C和120-150°C的真空干燥箱中干燥4-6小時(shí)，然后按照配比準(zhǔn)確稱量聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、潤(rùn)滑劑，加入到高速攪拌機(jī)中攪拌5 20分鐘；(2 )將攪拌均勻的上述物料加入到平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，碳纖維從擠出機(jī)排氣孔處加入，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)、六區(qū)的加熱溫度分別為260 29(TC，290 30(TC，300 33(TC，300 33(TC，310 34(TC，310 35(TC，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為250 480r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為34 60r/min，進(jìn)而將物料共混熔融擠出粒條；(3)上述經(jīng)擠出機(jī)口模出來(lái)的粒條通過(guò)鋼質(zhì)傳輸帶進(jìn)行輸送，在傳輸帶上方設(shè)置有3-6個(gè)風(fēng)扇對(duì)粒條進(jìn)行冷卻，風(fēng)干后的粒條進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，切得長(zhǎng)度為3 5mm的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料顆粒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料，由聚醚酰亞胺，聚苯硫醚，碳纖維，潤(rùn)滑劑組成，本發(fā)明還公開(kāi)了上述符合材料的制備方法；本發(fā)明采用PPS與PEI制備PEI/PPS合金材料，可明顯改善PEI的耐溶劑性能、耐熱性、加工流動(dòng)性，同時(shí)還可以降低PEI的材料成本。
文檔編號(hào)C08L81/02GK102936412SQ201210493679
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者郝源增, 任萍, 郝建鑫, 袁海兵 申請(qǐng)人:廣州聚賽龍新材料科技有限公司