專利名稱：高模量低膨脹熱塑性復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高模量低膨脹熱塑性復(fù)合材料。
本發(fā)明還涉及上述復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
高模量低膨脹材料在環(huán)境溫度變化時(shí)具有高尺寸穩(wěn)定性，是各種精密裝置、設(shè)備關(guān)鍵部件的重要材料。金屬合金、玻璃、陶瓷是主要的高模量低膨脹材料。鑄鐵(USP 6110305)在室溫～100℃線性熱膨脹系數(shù)為8×10-6/℃；硼硅酸鹽玻璃(CN 96190542)在20～300℃線性熱膨脹系數(shù)為3.9～4.5×10-6/K；玻璃陶瓷(CN 01120896)線性熱膨脹系數(shù)為0.6～3.5×10-6/℃；燒結(jié)陶瓷(CN 000808790)在25～800℃線性熱膨脹系數(shù)可達(dá)0.5×10-6/℃；此外，石英玻璃、微晶玻璃、INVAR鋁合金、鐵鎳合金、鉻鎳鐵合金等材料也具有高模量低膨脹的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高模量低膨脹熱塑性復(fù)合材料；本發(fā)明的另一目的是提供上述材料的制備方法；本發(fā)明提供的復(fù)合材料具有高模量、低膨脹的特征。
本發(fā)明中采用的所有原料都是工業(yè)化產(chǎn)品，具有來源充分、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)工藝流程簡單，設(shè)備投資小，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的復(fù)合材料以高分子聚合物為基體材料，連續(xù)碳纖維做增強(qiáng)材料，短碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)和低翹曲材料，納米粒子作為晶體調(diào)整材料，硅酮低聚物為加工助劑，其具體重量組成為聚醚醚酮(PEEK)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)45～60份，長度為0.5～1.0mm的碳纖維(LCF)15～40份，長度為0.1～0.2mm的短碳纖維(SCF)5～30份，納米二氧化硅(SiO2)3～5份，硅酮低聚物為3～7份。
本發(fā)明提供的制備上述復(fù)合材料的方法為將粉狀聚合物放入高速混合機(jī)中，加入納米微粒、短碳纖維和硅酮低聚物，先用低速750轉(zhuǎn)/分，混合2～4分鐘，然后再高速2500轉(zhuǎn)/分，混合6～8分鐘，得預(yù)混物，將該預(yù)混物在雙螺桿擠出機(jī)中塑化、共混、擠出，同時(shí)在雙螺桿擠出機(jī)的纖維加入口將連續(xù)碳纖維引入，雙螺桿擠出機(jī)料筒溫度為280～380℃，螺桿轉(zhuǎn)速180～200轉(zhuǎn)/分鐘，擠出物經(jīng)切粒得到長3～5毫米、直徑2～3毫米的顆粒狀復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為98.6～220MPa，彎曲模量為10.1～21GPa，線性熱膨脹系數(shù)為4.7～18×10-6/℃。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1.
將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)45份，SCF5份，納米SiO23份，硅酮低聚物7份(重量份數(shù)，以下相同)放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段260±2℃，二段270±2℃，三段275±2℃，機(jī)頭275±2℃，LCF從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速180轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量控制為40份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度130.5MPa，彎曲模量19.6GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～60℃為4.7×10-6/℃。
實(shí)施例2.
將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)45份，SCF30份，納米SiO23份，硅酮低聚物7份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段260±2℃，二段270±2℃，三段275±2℃，機(jī)頭275±2℃，LCF從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速180轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為15份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度108.0MPa，彎曲模量14.8GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～60℃為9.2×10-6/℃。
實(shí)施例3.
將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)60份，SCF7份，納米SiO25份，硅酮低聚物3份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段252±2℃，二段260±2℃，三段270±2℃，機(jī)頭265±2℃，LCF從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速180轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為25份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度105.5MPa，彎曲模量11.9GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～60℃為15×10-6/℃。
實(shí)施例4.
將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)60份，SCF17份，納米SiO25份，硅酮低聚物3份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段252±2℃，二段260±2℃，三段270±2℃，機(jī)頭265±2℃，LCF從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速180轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為15份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度98.6 MPa，彎曲模量10.1GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～60℃為18×10-6/℃。
實(shí)施例5.
將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)50份，SCF10份，納米SiO24份，硅酮低聚物6份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段258±2℃，二段265±2℃，三段275±2℃，機(jī)頭275±2℃，LCF從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速180轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為30份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度115.2MPa，彎曲模量15.1GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～60℃為7.2×10-6/℃。
實(shí)施例6.
將聚醚醚酮(PEEK)45份，SCF5份，納米SiO23份，硅酮低聚物7份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段345±3℃，二段360±3℃，三段370±3℃，機(jī)頭375±3℃，碳纖維從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為40份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度220.0MPa，彎曲模量21.0GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～100℃為6.8×10-6/℃。
實(shí)施例7.
將聚醚醚酮(PEEK)45份，SCF30份，納米SiO23份，硅酮低聚物7份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段345±3℃，二段360±3℃，三段370±3℃，機(jī)頭375±3℃，碳纖維從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為15份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度150.3MPa，彎曲模量18.1GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～100℃為8.5×10-6/℃。
實(shí)施例8.
將聚醚醚酮(PEEK)60份，SCF5份，納米SiO27份，硅酮低聚物3份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段330±3℃，二段346±3℃，三段360±3℃，機(jī)頭365±3℃，碳纖維從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為25份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度176.8MPa，彎曲模量13.5GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～100℃為12.0×10-6/℃。
實(shí)施例9.
將聚醚醚酮(PEEK)60份，SCF15份，納米SiO27份，硅酮低聚物3份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段330±3℃，二段346±3℃，三段360±3℃，機(jī)頭365±3℃，碳纖維從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為15份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度138.7MPa，彎曲模量11.7GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～100℃為17×10-6/℃。
實(shí)施例10.
將聚醚醚酮(PEEK)50份，SCF10份，納米SiO24份，硅酮低聚物6份，放入高速混合機(jī)中，先低速混合2分鐘后，高速混合8分鐘，將該預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度為一段345±3℃，二段360±3℃，三段370±3℃，機(jī)頭375±3℃，碳纖維從纖維加入口引入，螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，碳纖維加入量為30份，將擠出物切粒得碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其性能如下拉伸強(qiáng)度202.5MPa，彎曲模量19.5GPa，線性熱膨脹系數(shù)在20～100℃在7.9×10-6/℃。
權(quán)利要求
1.一種高模量低膨脹熱塑性復(fù)合材料，用高分子聚合物為基體材料，用連續(xù)碳纖維做增強(qiáng)材料，短碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)和低翹曲材料，納米粒子作為晶體調(diào)整材料，硅酮低聚物為加工助劑，其重量組成為聚醚醚酮或聚對苯二甲酸乙二醇酯45～60份；長碳纖維15～40份；短碳纖維5～30份；納米二氧化硅3～5份；硅酮低聚物3～7份。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述長碳纖維的長度為0.5～1.0mm。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述短碳纖維的長度為0.1～0.2mm。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為98.6～220MPa，彎曲模量為10.1～21GPa，線性熱膨脹系數(shù)為4.7～18×10-6/℃。
5.一種制備權(quán)利要求1所述復(fù)合材料的方法，主要過程為將粉狀聚合物放入高速混合機(jī)中，加入納米微粒、短碳纖維和硅酮低聚物，先用低速混合2～4分鐘，然后再高速混合6～8分鐘，得預(yù)混物，將該預(yù)混物在雙螺桿擠出機(jī)中塑化、共混、擠出，同時(shí)在雙螺桿擠出機(jī)的纖維加入口將連續(xù)碳纖維引入，雙螺桿擠出機(jī)料筒溫度為280～380℃，螺桿轉(zhuǎn)速180～200轉(zhuǎn)/分鐘，擠出物經(jīng)切粒得到長3～5毫米、直徑2～3毫米的顆粒狀復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述低速混合的轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。
7.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述高速混合的轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分。
全文摘要
本發(fā)明屬于高模量低膨脹熱塑性復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明采用高分子聚合物為基體材料，用連續(xù)碳纖維做增強(qiáng)材料，短碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)和低翹曲材料，納米粒子作為晶體調(diào)整材料，硅酮低聚物為加工助劑，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)塑化、混合、擠出、造粒制備一種高分子復(fù)合材料，這種復(fù)合材料具有高模量、低膨脹的特征。
文檔編號C08K7/00GK1482175SQ0314281
公開日2004年3月17日 申請日期2003年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
發(fā)明者莊國慶, 張延 , 楊宇明, 李濱耀 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所