碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明之方法是將碳纖維紡織成2D機(jī)織平紋或斜紋預(yù)成型件，然后將編織好的預(yù)成型件于丙酮中浸泡48小時(shí)后，用硫酸和硝酸的混酸超聲20分鐘，再用去離子水洗凈后烘干；將二苯砜溶解在適量丙酮中，然后加入聚醚醚酮粉末，蒸出丙酮后粉末烘干，得到聚醚醚酮/二苯砜混合物；稱出適量混合物，以390℃，壓力3～4MPa熱壓成純聚醚醚酮樹脂薄片；按碳纖維體積分?jǐn)?shù)為30%～70%的比例，將干燥預(yù)成型件與聚醚醚酮樹脂薄片交替平鋪于模具中，以10～15℃/min的升溫速度升到380℃～390℃，停留30min，然后加壓2～3MPa，保溫30min；模具內(nèi)制品以10～15℃/min的中等降溫速度降溫，同時(shí)將壓力提到4～5MPa，繼續(xù)保壓3h，經(jīng)脫模處理得到編織碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料。
【專利說明】碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種2D碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]金屬固定器械因其具有高強(qiáng)度，可以為骨折處提供即刻穩(wěn)定性等多種優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于臨床。但金屬內(nèi)固定物較低的組織相容性降低了其在骨內(nèi)的力學(xué)穩(wěn)定性；金屬材質(zhì)屏蔽射線造成檢查視野缺失等諸多致命缺陷。
[0003]碳纖維是由含碳量較高，具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦及耐腐蝕等，同時(shí)其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維以其優(yōu)良的組織相容性、牢固的纖維基質(zhì)結(jié)合及較高的抗壓縮性能成為最常用的加強(qiáng)材料。PEEK是一種新型半晶態(tài)，其尺寸穩(wěn)定性較好、線脹系數(shù)小、耐化學(xué)腐蝕、抗輻射能力強(qiáng)、韌性好、耐疲勞性突出、耐摩擦，耐滑動(dòng)磨損和微動(dòng)磨損性能優(yōu)異的芳香族系超耐熱熱塑性樹脂。近來的研究發(fā)現(xiàn)，這種材料的彈性模量介于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間，可產(chǎn)生微動(dòng)，減少應(yīng)力遮擋，促進(jìn)骨愈合。編織碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料是一種可適合用于骨外固定器的材料。申請(qǐng)?zhí)枮?00910051159.5的發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種短碳纖維增強(qiáng)PEEK的復(fù)合材料注塑成型方法，但PEEK樹脂黏度高，對(duì)于清洗機(jī)器難度要求大，其模具預(yù)熱工序復(fù)雜，且短纖制品強(qiáng)度不高(彎曲強(qiáng)度400~800MPa)，應(yīng)用方面會(huì)有所限制。目前一些專利公開三維編織碳纖維/PEEK復(fù)合材料制備方法，但三維編織技術(shù)難度大，PEEK纖維一般為進(jìn)口，成本高，制品力學(xué)性能不高(500~llOOMPa)。本方法采用高溫模壓方法，其工藝簡單、復(fù)合體形狀加工靈活、制品強(qiáng)度高(彎曲強(qiáng)度可達(dá)到1783MPa)，可在航空、工業(yè)、建筑、醫(yī)療領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明之方法包括以下步驟:
[0006](I)、將碳纖維紡織成2D機(jī)織平紋或斜紋預(yù)成型件，編織角度θ=90° ;然后將編織好的預(yù)成型件于丙酮中浸泡48小時(shí)后，用混酸(硫酸:硝酸=3:2)超聲20分鐘，再用去離子水洗凈后烘干；
[0007](2)、將二苯砜(DPS)溶解在適量丙酮中，攪拌，待二苯砜(DPS)充分溶解后，按重量百分比80%比例加入聚醚醚酮(PEEK)粉末，充分?jǐn)嚢?，蒸出丙酮后粉末烘干，得到聚醚醚? 二苯砜(PEEK/DPS)混合物；稱出適量混合物，以390°C，壓力3~4MPa熱壓成純聚醚醚酮樹脂薄片，熱壓過程中二苯砜(DPS)升華；
[0008](3)、按碳纖維體積分?jǐn)?shù)為30%~70%的比例，將步驟(1)獲得的干燥預(yù)成型件與步驟(2)制備的聚醚醚酮(PEEK)樹脂薄片交替平鋪于模具中，以10~15°C /min的升溫速度升到380°C~390°C，停留30min，然后加壓2~3MPa，保溫30min。
[0009](4)將步驟(3)的模具內(nèi)制品以10~15°C /min的中等降溫速度降溫，同時(shí)將壓力提到4~5MPa，繼續(xù)保壓3h，經(jīng)脫模處理得到編織碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料。
[0010]所述的碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維。
[0011]所述的碳纖維的型號(hào)為T300。
[0012]所述的碳纖維束包括1K、3K、6K、12K和24K。
[0013]所述的聚醚醚酮(PEEK)為粉末或顆粒。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]1、本發(fā)明之方法エ藝簡單、復(fù)合體形狀加工靈活、制品強(qiáng)度高(彎曲強(qiáng)度可達(dá)到1783MPa)，可在航空、エ業(yè)、建筑、醫(yī)療領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
[0016]2、本發(fā)明生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料適合于高負(fù)荷、長壽命及苛刻條件下使用
[0017]3、本發(fā)明生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料強(qiáng)度高，彈性模量低，具有可透X光性，組織相容性較好，可以替代金屬材質(zhì)應(yīng)用于臨床，強(qiáng)化在骨內(nèi)的界面固定。
[0018]4、有效克服聚醚醚酮(PEEK)的粘度大帶來的浸潰困難問題，采用碳纖維編織預(yù)成型件及獨(dú)特的熱壓成型エ藝條件提高了復(fù)合材料力學(xué)性能，制品彎曲強(qiáng)度可達(dá)1783MPa，分解溫度達(dá)578°C，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是碳纖維織物預(yù)成型件經(jīng)丙酮中浸泡48小時(shí)后，用混酸(硫酸:硝酸=3:2)超聲20分鐘后碳纖維表面刻蝕程度電鏡照片。
[0020]圖2是碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)以本發(fā)明方法制備的CF/PEEK復(fù)合材料的斷面微觀形態(tài)電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1:
[0022]將碳纖維紡織成2D機(jī)織平紋預(yù)成型件，編織角度0 =90°，然后將編織好的預(yù)成型件于丙酮中浸泡48小時(shí)后，用混酸:(硫酸:硝酸=3:2)超聲20分鐘，其微觀圖貌如圖1所示，再用去離子水洗凈后烘干。將二苯砜(DPS)溶解在適量丙酮中，攪拌，待二苯砜(DPS)充分溶解后，按80%質(zhì)量比例加入聚醚醚酮(PEEK)粉末，充分?jǐn)嚢?，蒸出丙酮后粉末烘干，得到聚醚醚? 二苯砜(PEEK/DPS)混合物。稱出適量混合物，以390°C，壓カ3MPa熱壓成純聚醚醚酮樹脂薄片，熱壓過程中二苯砜(DPS)升華。按碳纖維(CF)體積分?jǐn)?shù)45%，聚醚醚酮(PEEK)體積分?jǐn)?shù)為65%，將獲得的干燥預(yù)成型件與制備的聚醚醚酮(PEEK)樹脂薄片交替平鋪于模具中，以10°C /min的升溫速度升到380°C，停留30min，然后加壓2MPa，保溫30min。將模具內(nèi)制品以10°C /min的中等降溫速度降溫，同時(shí)將壓カ提到5MPa，繼續(xù)保壓3h，經(jīng)脫模處理得到Vcf為45%的碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料，該制品彎曲強(qiáng)度可達(dá)789MPa，拉伸強(qiáng)度165MPa。
[0023]實(shí)施例2:
[0024]將碳纖維紡織成2D機(jī)織平紋預(yù)成型件，編織角度0 =90°，然后將編織好的預(yù)成型件于丙酮中浸泡48小時(shí)后，用混酸(硫酸:硝酸=3:2)超聲20分鐘，再用去離子水洗凈后烘干。將二苯砜(DPS)溶解在適量丙酮中，攪拌，待二苯砜(DPS)充分溶解后，按80%質(zhì)量比例加入聚醚醚酮(PEEK)粉末，充分?jǐn)嚢?，蒸出丙酮后粉末烘干，得到聚醚醚? 二苯砜(PEEK/DPS)混合物。稱出適量混合物，以390°C，壓力4MPa熱壓成純聚醚醚酮(PEEK)樹脂薄片，熱壓過程中二苯砜升華。按碳纖維(CF)體積分?jǐn)?shù)60%聚醚醚酮(PEEK)體積分?jǐn)?shù)為40%，將獲得的干燥預(yù)成型件與制備的聚醚醚酮(PEEK)樹脂薄片交替平鋪于模具中，以150C /min的升溫速度升到385°C，停留30min，然后加壓2.5MPa，保溫30min。將模具內(nèi)制品以15°C /min的中等降溫速度降溫，同時(shí)將壓力提到4.5MPa，繼續(xù)保壓3h，經(jīng)脫模處理得到Vcf為60%的碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料，該制品彎曲強(qiáng)度可達(dá)1783MPa，拉伸強(qiáng)度 29 IMPa。
[0025]實(shí)施例3: [0026]將碳纖維紡織成2D機(jī)織平紋預(yù)成型件，編織角度Θ =90°，然后將編織好的預(yù)成型件于丙酮中浸泡48小時(shí)后，用混酸(硫酸:硝酸=3:2)超聲20分鐘，再用去離子水洗凈后烘干。將二苯砜(DPS)溶解在適量丙酮中，攪拌，待二苯砜(DPS)充分溶解后，按80%質(zhì)量比例加入聚醚醚酮(PEEK)粉末，充分?jǐn)嚢?，蒸出丙酮后粉末烘干，得到聚醚醚? 二苯砜(PEEK/DPS)混合物。稱出適量混合物，以390°C，壓力4MPa熱壓成純聚醚醚酮(PEEK)樹脂薄片，過程中二苯砜升華。按碳纖維(CF)體積分?jǐn)?shù)70%，聚醚醚酮(PEEK)體積分?jǐn)?shù)為30%，將獲得的干燥預(yù)成型件與制備的聚醚醚酮(PEEK)樹脂薄片交替平鋪于模具中，以10°C /min的升溫速度升到390°C，停留30min，然后加壓3MPa，保溫30min。將模具內(nèi)制品以15°C /min的中等降溫速度降溫，同時(shí)將壓力提到5MPa，繼續(xù)保壓3h，經(jīng)脫模處理得到Vcf為70%的碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料，該復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度可達(dá)1164MPa，拉伸強(qiáng)度216MPa。
[0027]Vcf表示碳纖維所占的體積。
[0028]碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料的微觀形態(tài)如圖2所示。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法，該方法包括以下步驟: (1)、將碳纖維紡織成2D機(jī)織平紋或斜紋預(yù)成型件，編織角度0=90°;然后將編織好的預(yù)成型件于丙酮中浸泡48小時(shí)后，用混酸(硫酸:硝酸=3:2)超聲20分鐘，再用去離子水洗凈后烘干；所述的混酸是硫酸和硝酸的混合物，硫酸:硝酸=3:2 ； (2)、將二苯砜溶解在適量丙酮中，攪拌，待二苯砜充分溶解后，按重量百分比80%比例加入聚醚醚酮粉末，充分?jǐn)嚢?，蒸出丙酮后粉末烘干，得到聚醚醚? 二苯砜混合物；稱出適量混合物，以390°C，壓カ3~4MPa熱壓成純聚醚醚酮樹脂薄片，熱壓過程中二苯砜升華; (3)、按碳纖維體積分?jǐn)?shù)為30%~70%的比例，將步驟(1)獲得的干燥預(yù)成型件與步驟(2)制備的聚醚醚酮樹脂薄片交替平鋪于模具中，以10~15°C /min的升溫速度升到380°C~390°C，停留30min，然后加壓2~3MPa，保溫30min。 (4)將步驟(3)的模具內(nèi)制品以10~15°C/min的中等降溫速度降溫，同時(shí)將壓カ提到4~5MPa，繼續(xù)保壓3h，經(jīng)脫模處理得到編織碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ー種碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的碳纖維的型號(hào)為T300。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的聚醚醚酮為粉末或顆`粒。
【文檔編號(hào)】C08K7/06GK103602039SQ201310570942
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】敖玉輝, 尚壘, 石飛, 杜威峰, 張會(huì)軒 申請(qǐng)人:長春工業(yè)大學(xué)