[發明專利]三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法

無效

• 申請號: 201110022682.2
• 申請日: 2011-01-20
• 公開（公告）號: CN102134372A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 萬怡灶;羅紅林
• 申請（專利權）人: 天津市飛榮達科技有限公司
• 主分類號: C08L61/16
• 分類號: C08L61/16;C08K7/06;B29C70/24;D06M11/71;D06M101/30;D06M101/40
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

本發明涉及一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法。

背景技術

三維編織復合材料是近二十年來興起的一種新型復合材料，它從根本上克服了傳統層合板層間剪切強度低、易分層的缺點，已廣泛應用于航空、航天、醫療、體育等領域。例如，傳統的層合板復合材料具有難以克服的固有缺陷：沿厚度方向的剛度和強度性能差，面內剪切和層間剪切強度較低，易分層，沖擊韌性和損傷容限水平低等，因而在許多場合下不能滿足使用要求。復合材料與紡織技術結合產生的三維編織碳纖維復合材料克服了傳統層合板復合材料的缺點，并以其優異的性能成為航空、航天和武器裝備不可缺少的新型高性能材料。同時，三維編織碳纖維復合材料具有很高的彎曲強度，極高的疲勞強度和抗損傷性能，高的沖擊韌性。此外，三維編織體可方便地改變形狀，復合體無需二次加工，所以，三維編織碳纖維復合材料極適于制備骨科植入物，是一種很有發展潛力的新型生物材料。三維編織纖維與醫用聚合物組成的復合材料有望完全替代金屬骨植入物材料。本發明申請人與國外幾乎同時開展了三維編織復合材料用于骨科植入物的研究，但由于三維編織復合材料的制備難度大，目前僅能制備三維編織纖維增強某些熱固性聚合物基復合材料，而三維編織碳纖維增強熱塑性復合材料的制備難度很大。本專利發明人公開了三維編織碳纖維增強聚甲基丙烯酸甲酯(簡作PMMA)的制備方法(專利號ZL200610016187.X)，是該領域值得注意的技術進步。

與聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚醚醚酮(簡作PEEK)的性能更加優越，是一種新型的半晶態芳香族熱塑性工程材料，具有極其出色的物理和力學性能，在航空、機械、石油、化工、核電、軌道交通、醫療等眾多領域有著廣泛的應用。連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料最初主要應用于航空航天領域和特殊需求的工業品，近幾年開始在汽車、建筑、體育休閑等民用領域應用。但由于聚醚醚酮的性質顯著區別于聚甲基丙烯酸甲酯，因此，無法采用專利ZL200610016187.X公開的技術制備三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料制備。為此，需要獨辟蹊徑。

發明內容

本發明的目的在于提供一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料及制備方法。該方法以纖維混編加熱壓的組合技術制備三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，再采用獨特的熱壓工藝，可以有效克服聚醚醚酮的熱塑性性質給三維編織復合材料制備所帶來的困難，從而得到力學性能優異的三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料。

本發明提供的一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料是以聚醚醚酮纖維與碳纖維按碳纖維為原料，按碳纖維體積含量為18-54％的三維五向混合編織碳纖維增強聚醚醚酮復合而成，制備步驟：將聚醚醚酮纖維與碳纖維按所需體積含量進行三維混合編織，將混合織物進行溶液氧化預處理，水洗，干燥，模具熱壓成型。

所述的碳纖維包括聚丙烯腈(PAN)、粘膠基及瀝青基碳纖維，碳纖維束的尺寸包括1K、3K、6K、12K和24K，碳纖維單絲的直徑為5～20微米。

所述的聚醚醚酮以纖維的形式使用，其直徑為5～40微米。

本發明提供的一種三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的制備方法包括以下步驟：

1)將聚醚醚酮纖維與碳纖維進行三維五向混合編織，碳纖維體積含量為18-54％；

2)將混合織物進行溶液氧化處理(如：在3-6wt％(NH₄)₂HPO₄溶液中煮30-60min)，然后用水反復沖洗，干燥后再放入模具內；

3)將已放置纖維織物的模具置于真空熱壓機內，加熱至150℃，開始持續抽真空，并在此溫度下保溫2h，然后以10-20℃/min的速度升至360-400℃，保溫40min；加壓0.3-0.7MPa，去除真空，繼續保持溫度30-60min；緩慢降溫，在制品溫度低于100℃時進行脫模。

本發明的優點在于，可以有效克服聚醚醚酮的熱塑性性質給三維編織復合材料制備所帶來的困難，實施三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的熱壓工藝，選用獨特的工藝參數可以得到束內單根纖維與基體均能充分浸潤的三維編織復合材料，并使該復合材料沿纖維編織方向的彎曲強度可達500MPa，織物經過溶液氧化預處理后進行熱壓可進一步使該復合材料彎曲強度提高10％以上，從而得到纖維浸漬充分且力學性能優異的三維編織碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，具有廣泛的應用。

附圖說明

圖1是碳纖維與聚醚醚酮纖維三維混合織物實物照片(a-碳纖維體積含量為18％，b-碳纖維體積含量為54％)。