一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法及PEEK基板材

摘要

本发明涉及一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法及PEEK基板材，包括如下步骤：S1、配制含PEEK的悬浮液；S2、将碳纤维的丝束展开后进行表面处理，得到预处理碳纤维；S3、将所述预处理碳纤维浸入所述悬浮液中进行浸渍处理，烘干后进行挤压成型，冷却后收卷得到碳纤维增强聚醚醚酮预浸料；PEEK基板材是将所述碳纤维增强PEEK预浸料铺层后模压成型所得。本发明的板材复合材料机械性能好、耐磨性能优异且成本低廉。

权利要求

1.一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、配制含PEEK的悬浮液；

所述悬浮液包括如下重量份数材料：增稠剂0.1‑1份、表面活性剂0.01‑0.2份、纳米碳材料0.01‑0.3份、聚四氟乙烯0.5‑5份、PEEK树脂5‑50份、三氧化二铝10‑30份、水100份；其中PEEK树脂是聚四氟乙烯树脂的10倍重量份数；

S2、将碳纤维的丝束展开后进行表面处理，得到预处理碳纤维；

S3、将所述预处理碳纤维浸入所述悬浮液中进行浸渍处理，烘干后进行挤压成型，冷却后收卷得到高性能碳纤维增强PEEK预浸料。

2.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，其特征在于，所述增稠剂为聚乙烯醇；所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、全氟辛酸酯中的一种或多种；所述纳米碳材料为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、石墨烯纳米片中的一种或多种；所述水的电导率为0.1‑1μS/cm。

3.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，其特征在于，所述纳米碳材料的直径30‑50nm、长度为0.5‑50μm；所述聚四氟乙烯的粒径为5‑100μm；所述PEEK树脂的粒径为300‑2000目，380℃、荷重5KG时的熔融指数为50‑200g/10min；所述三氧化二铝的粒径为300‑2000目。

4.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，其特征在于，所述表面处理的温度为200‑1000℃；所述浸渍处理是在室温下进行的；所述烘干的温度为

100‑500℃；所述挤压成型的温度为200‑500℃；所述收卷的速度为0.1‑5m/min。

5.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，其特征在于，所述高性能碳纤维增强PEEK预浸料中碳纤维占比40‑70wt％、余量为PEEK基材料，其中所述PEEK基材料按照100wt％物料计算含有：PEEK 30‑60wt％、聚四氟乙烯3‑6wt％、三氧化二铝

35‑65wt％、多壁碳纳米管0.05‑0.4wt％。

6.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的种类为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶纤维基碳纤维、沥青基碳纤维中任意一种或多种。

7.一种PEEK基板材，其特征在于，采用权利要求1‑6任一项所述的制备方法得到的碳纤维增强PEEK预浸料铺层后模压成型制备。

8.根据权利要求7所述的一种PEEK基板材，其特征在于，所述铺层是按照0°、+45°、‑

45°、90°中的任意两种以上角度进行多层铺设；所述模压成型的温度为350‑380℃、压力

0.5‑1.2MPa、层压时间0.5‑2h。

说明书

一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法及PEEK基板材

技术领域

[0001] 本发明涉及碳纤维增强热塑性树脂复合材料技术领域，具体涉及一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法及PEEK基板材。

背景技术

[0002] 碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料的比强度和比模量，要比纯工程材料或者短纤维增强的工程塑料性能要高几倍。其与基体相结合制成的复合材料被广泛应用于航空航天、国防军工、高端民用工业、体育用品等诸多领域。

[0003] 聚醚醚酮(PEEK)由于大分子链上含有刚性的苯环、柔性的醚键、用于提高分子间作用力的羰基以及规整的结构，使其成为一种半结晶性芳香族热塑性特种工程塑料。与其它传统工程塑料相比，具有优异的综合力学性能、尺寸稳定性、耐热性能、耐化学腐蚀、自润滑性好、耐剥离性、生物相容性、绝缘性好以及易加工成型等诸多优点。正是由于这些优异的特性，使得PEEK在航空航天、军工、汽车、船舶、仪表、医疗等领域得到广泛应用。随着各个领域对材料性能要求的不断提高，其应用领域正在逐步扩大。

[0004] 在工业生产或生活中，减摩耐磨材料必不可缺，随着使用要求的提高，树脂基耐磨材料以其独特的优势(质轻、自润滑、易加工等)正蓬勃发展。PEEK良好的自润滑性使其成为一种重要的减摩耐磨材料，在一定负载、滑行速度、温度范围内都能保持较好的耐磨性。因而广泛应用于各种转动和传动装置。但是随着装备使用环境的苛刻，寿命要求的不断提高，对材料的要求也越来越高，纯PEEK树脂难以满足复杂的工况需求。利用连续纤维增强及各种填料对其改性，是提升PEEK树脂摩擦性能、降低成本的重要途径。

[0005] 目前连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的现有技术情况如下：申请号为2021114043178的发明专利公开了“一种耐高温热塑性复合材料单向预浸带的制备方法”，首先制备树脂溶液，然后在纤维经树脂溶液充分浸润后，进行沉析处理，利用沉析剂将树脂从溶液中沉析出来附着在纤维上，实现溶剂回收和预浸带初步定型，经过烘干、高温定型、冷却收卷，得到纤维增强耐高温热塑性复合材料单向预浸带。

[0006] 申请号为2022100802581的发明专利公开了“一种高固含量聚醚醚酮水悬浮液及复合纤维的制备方法”，该悬浮液包括分散相PEEK树脂粉末和表面活性剂以及连续相去离子水，固含10–40(质量)％；复合纤维包括碳纤维增强PEEK复合纤维，制备方法包括：表面活性剂均匀分散在去离子水中，并用酸溶液或碱溶液调节溶液的pH值为2–12，混合溶液逐滴与PEEK树脂粉末混合形成悬浮液，然后将悬浮液涂覆在碳纤维表面，干燥后在热定型装置内恒温静置，冷却后得到。

[0007] 申请号为2022101912536的发明专利公开了“一种碳纤维‑聚芳醚酮复合材料单向预浸带及其制备方法”，先采用两亲性聚氧乙烯衍生物对碳纤维上浆，并在一定的较低温度下对碳纤维丝束进行扩展处理，然后再去除上浆剂，而后再与聚芳醚酮热熔复合，复合后进行辐照处理和再熔处理，进一步增加碳纤维与聚芳醚酮的界面相互作用。

[0008] 虽然已经有一些连续碳纤维增强PEEK预浸料或者其他类型的复合材料出现，但是高机械强度、优异耐磨性的、低成本的连续碳纤维增强PEEK的预浸料或者其它形式的复合材料鲜有。而实际的工业生产中对此类的产品需求迫切，鉴于以上问题，有必要研制出一种高强度、耐摩擦并且低成本的高性能碳纤维增强PEEK预浸料，用于制备各种产品。

发明内容

[0009] 为了解决上述技术问题，而提供一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法及PEEK基板材。本发明的碳纤维增强PEEK预浸料机械性能好、耐磨性能优异且成本低廉。

[0010] 为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

[0011] 一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，包括如下步骤：

[0012] S1、配制含PEEK的悬浮液；

[0013] S2、将碳纤维的丝束展开后进行表面处理，得到预处理碳纤维；

[0014] S3、将所述预处理碳纤维浸入所述悬浮液中进行浸渍处理，烘干后进行挤压成型，冷却后收卷得到高性能碳纤维增强PEEK预浸料。

[0015] 进一步地，所述悬浮液包括如下重量份数材料：增稠剂0.1‑1份、表面活性剂0.01‑0.2份、纳米碳材料0.01‑0.3份、聚四氟乙烯0.5‑5份、PEEK树脂5‑50份、三氧化二铝10‑30份、水100份；其中PEEK树脂是聚四氟乙烯树脂的10倍重量份数。

[0016] 再进一步地，所述增稠剂为聚乙烯醇，例如可以是1788、1792、1799、2099型PVA；所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、全氟辛酸酯中的一种或多种；所述纳米碳材料为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、石墨烯纳米片中的一种或多种；所述水的电导率为0.1‑1μS/cm。

[0017] 进一步地，所述表面处理的温度为200‑1000℃；所述浸渍处理是在室温下进行的；所述烘干的温度为100‑500℃；所述挤压成型的温度为200‑500℃；所述收卷的速度为0.1‑
5m/min。

[0018] 进一步地，所述预浸料中碳纤维占比40‑70wt％、余量为PEEK基材料，其中所述PEEK基材料按照100wt％物料计算含有：PEEK 30‑60wt％、聚四氟乙烯3‑6wt％、三氧化二铝35‑65wt％、多壁碳纳米管0.05‑0.4wt％；优选地，所述预浸料中碳纤维占比55‑65wt％、余量为PEEK基材料。

[0019] 进一步地，所述碳纤维的种类为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶纤维基碳纤维、沥青基碳纤维中任意一种或多种组合，碳纤维的规格为1K、3K、6K、12K、24K、48K等。

[0020] 本发明另一方面提供一种PEEK基板材，采用上述制备方法得到的碳纤维增强PEEK预浸料铺层后模压成型制备。

[0021] 进一步地，所述铺层是按照0°、+45°、‑45°、90°中的任意两种以上角度进行多层铺设；所述模压成型的温度为350‑380℃、压力0.5‑1.2MPa、层压时间0.5‑2h。

[0022] 有益技术效果：

[0023] 本发明以PEEK为基体树脂，连续碳纤维为增强体，并辅以碳纳米管、三氧化二铝、聚四氟乙烯为改性材料得到高性能碳纤维增强PEEK预浸料，以预浸料进行多层铺设从而获得高性能PEEK基板材。本发明将改性材料和基体树脂悬浮于水溶剂中，加以助剂保持悬浮溶液稳定。碳纤维经过高温处理浸渍悬浮液，之后经过烘烤去除水分和助剂，再经熔融、模具挤压，收卷等过程制得预浸料。与现有技术项目，本发明的复合材料机械力学性能好、耐磨性能优异、成本低廉。

附图说明

[0024] 图1为高性能PEEK基板材制备的工艺流程图。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

[0027] 以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。

[0028] 以下所用碳纳米管的直径30‑50nm、长度为0.5‑50μm；聚四氟乙烯的粒径为5‑100μm；PEEK树脂粉的粒径为300‑2000目，380℃、荷重5KG时的熔融指数为50‑200g/10min；三氧化二铝的粒径为300‑2000目。

[0029] 实施例1

[0030] 一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，包括如下步骤：

[0031] S1、配制含PEEK的悬浮液，所述悬浮液包括如下重量份数材料：PVA17880.1份、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO‑3 0.01份、多壁碳纳米管0.01份、聚四氟乙烯0.5份、PEEK树脂粉5份、三氧化二铝10份、去离子水100份；

[0032] 配制过程是：将PVA1788与AEO‑3溶于水中形成均相溶液，然后加入多壁碳纳米管、聚四氟乙烯、PEEK树脂粉以及三氧化二铝搅拌形成悬浮液，置于浸渍槽中待用；

[0033] S2、将10卷6K(T700)碳纤维置于纱架上，将每根碳纤维经过陶瓷穿纱孔、梳齿使得每根碳纤维出纱架后不交错、并行排列，采用震动展纱装置将碳纤维丝束展开，然后经过200℃的高温表面处理，得到预处理碳纤维；

[0034] S3、将所述预处理碳纤维浸入浸渍槽的所述悬浮液中于常温下进行浸渍处理，然后100℃下烘箱烘干，然后进入200℃的模具中进行挤压成型，经过冷却后以0.1m/min的速度收卷，得到高性能碳纤维增强PEEK预浸料，所述预浸料中碳纤维占比70wt％、PEEK基材料占比30wt％(其中，PEEK基材料中具有PEEK32.24wt％、聚四氟乙烯3.22wt％、多壁碳纳米管0.07wt％、三氧化二铝64.47wt％)。

[0035] 高性能PEEK基板材：采用上述方法制得的碳纤维增强PEEK预浸料，按照0°/90°进行铺层(即下层铺设角度为0°、上层铺设角度为90°)后，于360℃、1MPa压力下进行模压成型1h，得到高性能PEEK基板材。

[0036] 实施例2

[0037] 一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，包括如下步骤：

[0038] S1、配制含PEEK的悬浮液，所述悬浮液包括如下重量份数材料：PVA17920.3份、十二烷基硫酸钠0.03份、多壁碳纳米管0.08份、聚四氟乙烯1.5份、PEEK树脂粉15份、三氧化二铝15份、去离子水100份；

[0039] 配制过程是：将PVA1792与十二烷基硫酸钠溶于水中形成均相溶液，然后加入多壁碳纳米管、聚四氟乙烯、PEEK树脂粉以及三氧化二铝搅拌形成悬浮液，置于浸渍槽中待用；

[0040] S2、将10卷12K(T700)碳纤维置于纱架上，将每根碳纤维经过陶瓷穿纱孔、梳齿使得每根碳纤维出纱架后不交错、并行排列，采用震动展纱装置将碳纤维丝束展开，然后经过400℃的高温表面处理，得到预处理碳纤维；

[0041] S3、将所述预处理碳纤维浸入浸渍槽的所述悬浮液中于常温下进行浸渍处理，然后180℃下烘箱烘干，然后进入270℃的模具中进行挤压成型，经过冷却后以1m/min的速度收卷，得到碳纤维增强PEEK预浸料；所述预浸料中碳纤维占比62wt％、PEEK基材料占比38wt％(其中，PEEK基材料中具有PEEK 47.50wt％、聚四氟乙烯4.75wt％、多壁碳纳米管
0.25wt％、三氧化二铝47.50wt％)。

[0042] 高性能PEEK基板材：采用上述方法制得的碳纤维增强PEEK预浸料，按照0°/90°进行铺层(即下层铺设角度为0°、上层铺设角度为90°)后，于360℃、1MPa压力下进行模压成型1h，得到高性能PEEK基板材。

[0043] 实施例3

[0044] 一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，包括如下步骤：

[0045] S1、配制含PEEK的悬浮液，所述悬浮液包括如下重量份数材料：PVA17990.5份、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO‑3 0.1份、多壁碳纳米管0.15份、聚四氟乙烯2.8份、PEEK树脂粉28份、三氧化二铝20份、去离子水100份；

[0046] 配制过程是：将PVA1799与AEO‑3溶于水中形成均相溶液，然后加入多壁碳纳米管、聚四氟乙烯、PEEK树脂粉以及三氧化二铝搅拌形成悬浮液，置于浸渍槽中待用；

[0047] S2、将10卷12K(T700)碳纤维置于纱架上，将每根碳纤维经过陶瓷穿纱孔、梳齿使得每根碳纤维出纱架后不交错、并行排列，采用震动展纱装置将碳纤维丝束展开，然后经过600℃的高温表面处理，得到预处理碳纤维；

[0048] S3、将所述预处理碳纤维浸入浸渍槽的所述悬浮液中于常温下进行浸渍处理，然后260℃下烘箱烘干，然后进入350℃的模具中进行挤压成型，经过冷却后以2m/min的速度收卷，得到碳纤维增强PEEK预浸料；所述预浸料中碳纤维占比55wt％、PEEK基材料占比45wt％(其中，PEEK基材料中具有PEEK 54.97wt％、聚四氟乙烯5.49wt％、多壁碳纳米管
0.29wt％、三氧化二铝39.25wt％)。

[0049] 高性能PEEK基板材：采用上述方法制得的碳纤维增强PEEK预浸料，按照0°/90°进行铺层(即下层铺设角度为0°、上层铺设角度为90°)后，于360℃、1MPa压力下进行模压成型1h，得到高性能PEEK基板材。

[0050] 实施例4

[0051] 一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，包括如下步骤：

[0052] S1、配制含PEEK的悬浮液，所述悬浮液包括如下重量份数材料：PVA20990.8份、全氟辛酸酯0.15份、多壁碳纳米管0.2份、聚四氟乙烯4份、PEEK树脂粉40份、三氧化二铝25份、去离子水100份；

[0053] 配制过程是：将PVA2099与全氟辛酸酯溶于水中形成均相溶液，然后加入多壁碳纳米管、聚四氟乙烯、PEEK树脂粉以及三氧化二铝搅拌形成悬浮液，置于浸渍槽中待用；

[0054] S2、将10卷12K(T700)碳纤维置于纱架上，将每根碳纤维经过陶瓷穿纱孔、梳齿使得每根碳纤维出纱架后不交错、并行排列，采用震动展纱装置将碳纤维丝束展开，然后经过800℃的高温表面处理，得到预处理碳纤维；

[0055] S3、将所述预处理碳纤维浸入浸渍槽的所述悬浮液中于常温下进行浸渍处理，然后350℃下烘箱烘干，然后进入400℃的模具中进行挤压成型，经过冷却后以3m/min的速度收卷，得到碳纤维增强PEEK预浸料；所述预浸料中碳纤维占比50wt％、PEEK基材料占比50wt％(其中，PEEK基材料中具有PEEK 57.80wt％、聚四氟乙烯5.78wt％、多壁碳纳米管
0.29wt％、三氧化二铝36.13wt％)。

[0056] 高性能PEEK基板材：采用上述方法制得的碳纤维增强PEEK预浸料，按照0°/90°进行铺层(即下层铺设角度为0°、上层铺设角度为90°)后，于360℃、1MPa压力下进行模压成型1h，得到高性能PEEK基板材。

[0057] 实施例5

[0058] 一种高性能碳纤维增强PEEK预浸料的制备方法，包括如下步骤：

[0059] S1、配制含PEEK的悬浮液，所述悬浮液包括如下重量份数材料：PVA17881份、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO‑3 0.2份、多壁碳纳米管0.3份、聚四氟乙烯5份、PEEK树脂粉50份、三氧化二铝30份、去离子水100份；

[0060] 配制过程是：将PVA1788与AEO‑3溶于水中形成均相溶液，然后加入多壁碳纳米管、聚四氟乙烯、PEEK树脂粉以及三氧化二铝搅拌形成悬浮液，置于浸渍槽中待用；

[0061] S2、将10卷12K(T700)碳纤维置于纱架上，将每根碳纤维经过陶瓷穿纱孔、梳齿使得每根碳纤维出纱架后不交错、并行排列，采用震动展纱装置将碳纤维丝束展开，然后经过1000℃的高温表面处理，得到预处理碳纤维；

[0062] S3、将所述预处理碳纤维浸入浸渍槽的所述悬浮液中于常温下进行浸渍处理，然后400℃下烘箱烘干，然后进入400℃的模具中进行挤压成型，经过冷却后以5m/min的速度收卷，得到碳纤维增强PEEK预浸料；所述预浸料中碳纤维占比40wt％、PEEK基材料占比60wt％(其中，PEEK基材料中具有PEEK 58.62wt％、聚四氟乙烯5.86wt％、多壁碳纳米管
0.35wt％、三氧化二铝35.17wt％)。

[0063] 高性能PEEK基板材：采用上述方法制得的碳纤维增强PEEK预浸料，按照0°/90°进行铺层(即下层铺设角度为0°、上层铺设角度为90°)后，于360℃、1MPa压力下进行模压成型1h，得到高性能PEEK基板材。

[0064] 对比例1

[0065] 本对比例的PEEK基板材制备与实施例3相同，不同之处在于，PEEK的悬浮液中包括如下重量份数材料：PVA1799 0.5份、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO‑3 0.1份、聚四氟乙烯23份、PEEK树脂粉28份、去离子水100份。

[0066] 对比例2

[0067] 本对比例的PEEK基板材制备与实施例3相同，不同之处在于，PEEK的悬浮液中包括如下重量份数材料：PVA1799 0.5份、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO‑3 0.1份、多壁碳纳米管0.15份、聚四氟乙烯22.8份、PEEK树脂粉28份、去离子水100份。

[0068] 对比例3

[0069] 本对比例的PEEK基板材制备与实施例3相同，不同之处在于，PEEK的悬浮液中包括如下重量份数材料：PVA1799 0.5份、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO‑3 0.1份、聚四氟乙烯2.8份、PEEK树脂粉28份、三氧化二铝20.15份、去离子水100份。

[0070] 以上实施例及对比例碳纤维增强PEEK预浸料配方见表1。

[0071] 表1实施例及对比例碳纤维增强PEEK预浸料配方

[0072]

[0073] 对以上实施例及对比例PEEK基板材按ASTM D3039(聚合物基复合材料的拉伸性能标准测试方法)进行拉伸强度测试；摩擦测试使用的对磨件为45钢、转速为346r/min、132N的力；实验结果如表2所示。

[0074] 表2实验结果

[0075]

[0076] 由表2可知，采用本发明方法以碳纤维为增强体、PEEK为基料，以三氧化二铝为填料、辅以极少量的碳纳米管和少量PTFE制成碳纤维增强PEEK预浸料，然后将预浸料进行铺层后可以得到拉伸强度350‑645MPa、摩擦系数0.37以下的高强度、耐磨的高性能PEEK基板材。

[0077] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。