聚醚醚酮复合材料的工艺研究

聚醚醚酮复合材料的工艺研究

聚醚醚酮是一种超高性能的半结晶聚合物，具有良好的强度性能、抗化学性、耐高低温、耐辐射、防水性能、抗旱性和洁净性。用玻璃纤维(GF)增强PEEK制备高性能复合材料,特别是用长玻璃纤维增强聚醚醚酮制造高性能绝缘注塑件,其具有更高的热变形温度和更小的收缩率,同时抗冲击性能和抗压缩性能也更优良。良好的力学强度使其在某些零部件足以替代金属使用,因此,在航空、航天等高科技领域中具有重要的应用前景。由于PEEK为半结晶型塑料,熔融流动性不甚理想,玻璃纤维在熔体中的流动取向又使制品的力学行为呈现各向异性,而基体材料的熔融流动性、加工工艺和模具温度又影响玻璃纤维的取向结构和复合材料的成型结构,从而最终影响制品性能的主要因素。如能从加工工艺各方面综合合理控制,分析出工艺与力学性能之间的变化规律,那么就可以制定出其最佳的成型工艺,最大限度的发挥PEEK材料的优良性能。邓杰采用模压的方法研究了玻纤增强PEEK复合材料的成型工艺,制定了较好的成型工艺,但是玻纤增强PEEK材料熔融流动性不好,加工温度高,采用模压方法生产次品较多,效率低,大批量生产应采用注塑成型的方法。陶国源对PEEK注塑成型的设备及加工要求作了详细的介绍。但是采用注塑成型的方法,研究玻纤增强PEEK材料的各加工工艺因素对其力学性能的影响,并制定出最佳的加工工艺的研究在国内未见报道。本研究采用含30%长玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料为研究对象,通过注塑成型的方法研究了加工工艺参数即冷却速率、成型压力、成型温度及模具温度对复合材料的拉伸性能及剪切性能的影响。期望制定出最佳的加工工艺,使材料的性能达到最好,为建立注塑工艺参数与制品性能之间的关系,实现计算机辅助设计与制造提供实验基础,为加工生产PEEK复合材料制品提供理论指导及生产实践标准。1实验1.1拉伸性能和剪切强度试验实验原材料为30%长玻璃纤维增强PEEK复合材料,灰色粒料,ICI公司生产。塑料注塑成型在CJ120M3注塑成型机上进行。拉伸性能和剪切强度在CSS-44200型电子万能试验机上测试,拉伸性能测试按按照GB3354—1982执行,剪切强度性能测试按照GB3352—1982执行,试验结果为三个数据的平均值。拉伸及剪切试样断面,喷金后在JSM-6360LV型扫描电子显微镜下观察断口形貌。1.2perk材料的塑料薄膜1.2.1干燥处理因PEEK复合材料有少量的吸湿率,故注塑前一定要对其进行干燥处理,一般处理方式为100~120℃,6~8h,干燥时料的铺层≤25㎜。已干燥的注塑料应尽快投入使用或密封保存,防止重新吸湿,尽量避免重复干燥。1.2.2局部清洗料筒PEEK复合材料应放在完全干净的料筒中,以确保在成型时没有任何污染。如无法确定料筒完全干净,则要用聚砜或玻璃纤维增强的PC在各自正常的操作温度下彻底清洗料筒。料筒材料入口处需用水冷却以降低清洗材料在螺杆入口处材料部分熔化而造成螺杆打滑情况出现。先设定料筒后段温度比建议的温度低100℃以进一步降低螺杆打滑的机率,当PEEK复合材料开始进入料筒入料口时,料筒温度要马上重新设定到合适的温度。1.2.3初始注塑成型将复合材料经过注塑前干燥,料筒清洗后,调整好工艺参数,即可开始注塑成型。PEEK复合材料成型过程中,成型工艺参数对其性能影响很大,在实验过程中通过分析工艺参数对其力学性能的影响,来优化工艺参数。2结果与讨论2.1速冷却时peem复合材料力学性能的分析调整PEEK复合材料材料成型后的冷却速率,并测试其力学性能,以确定两者关系。本研究采用三种冷却速率:一是慢速冷却,二是中速冷却,三是快速冷却,其性能结果见表1。由表1发现:采用中速冷却时,较之采用慢速冷却和快速冷却时PEEK复合材料抗拉强度和剪切强度值最大,产生此现象的原因是中速冷却时,PEEK复合材料表层在很短的时间内冷却结晶,而内层还保持在玻璃化温度以上,这有利于复合材料由表及里缓慢结晶,晶体生长完整,结构较为稳定。而好的结晶性又使PEEK分子链排列规整,有利于PEEK复合材料的抗拉强度和剪切性能的提高。而采用慢速冷却,PEEK的结晶为一等温均相成核,这样容易形成不均匀的大晶体,使得PEEK复合材料脆性很大,受力过程中力学性能下降。而采用快速冷却,制品的表面快速冷却来不及结晶而成非晶结构,内层中由于温度的影响较小而形成微晶区域,这样表层与里层就形成晶相不连续,在受力过程中容易产生内应力,形成银纹,从而降低了材料的力学性能。2.2peek复合材料注射压、保压、背压不同成型压力成型后的抗拉强度和剪切强度试验结果见表2。由表2可知:当注射压为135MPa、保压为100MPa、背压为0.80MPa时,其力学性能最佳;当注射压为120MPa、保压为100MPa、背压为0.5MPa时,力学性能次之;而注射压为80MPa、保压为70MPa、背压为0.5MPa时,产生很多次品,成型效果不佳。当采取大的注射压及背压时,模具中材料填充充实,结构紧密,成型效果好,PEEK复合材料力学性能好,但是注射压力过大,则能耗大,机台磨损大,在连续批生产中不宜采用。过低的保压容易造成PEEK复合材料制品体积松散,质地不够紧密,从而影响其力学性能。过低的背压和过低的注射压力使复合材料的制品表面不光滑,在制品边角处容易出现缺损现象,不宜生产结构复杂的机构件,产生大量的次品。故应采取适当的压力,从表2中可知:当射压为120MPa、保压为100MPa、背压为0.5MPa时,其力学性能好,生产能耗小,次品少。2.3成型温度对材料力学性能的影响PEEK为特种热塑性工程塑料,其玻璃化温度约140℃,熔点约340℃。其力学性能强烈依赖于结晶状况,而加工温度又是影响其结晶状况的主要因素,故加工过程中料筒的三段温度控制尤为重要。保持其他工艺条件不变,调整机台料筒三段的温度范围后注塑成型,然后测其力学性能,其结果见表3。由表3可以看出,在PEEK复合材料成型过程中,随着成型温度的提高,其抗拉强度和剪切强度都是先升再降。这主要是温度过低,PEEK熔融效果不好,流动性差,在成型过程中容易松散的结果,直观表现就是制品表面非常粗糙;而温度过高,熔体冷却时晶核的生成主要为均相成核,结晶速率慢,在制品中容易生成大的球晶,造成制品脆性增大,降低了力学性能,再者温度过高,PEEK容易分解,注塑成型出来的制品发黑。故在425℃左右,熔体流动性好,注塑成型效果好,制品表面光滑,熔体冷却时晶核的生成主要为异相成核,结晶速率快,晶体小而均匀,有利于提高其力学性能。再者,在注塑生产过程中,所得到的温度比实际理论PEEK的熔融温度要高,这主要是一方面机台料筒在生产过程中是暴露在空气中的,这需要消耗一部分能量,使得所读出来的温度并不完全是PEEK料筒中很准确的熔融温度;再者由于长玻纤的加入加大摩擦,在生产过程中温度稍微有所提高,有利于制品的成型。由表3中可以看出料筒三段温度选择在后段(进料段)温度375℃,中段温度425℃,前段(喷嘴)温度425℃时力学性能性能最佳。2.4模具温度对复合材料力学性能的影响由成型温度对复合材料的力学性能的影响可知,PEEK及其复合材料的力学性能强烈依赖其结晶状况。故模具的温度在PEEK及其复合材料的注塑成型中也是重要因素,因为模具的温度也直接影响PEEK的结晶状况。料筒三段温度为375℃,425℃,425℃,射压为120MPa,保压100MPa,背压0.5MPa,成型后采用中速冷却的工艺,改变模具的温度,观察模具温度变化对复合材料力学性能的影响,其结果见图1。由图1和图2可知,随着模具温度的提高,复合材料的抗拉强度和剪切强度也随之增大。模具由室温20℃升至120℃时,复合材料的力学性能增大明显,而模具由120℃升至200℃时,其力学性能增幅不大。这主要由于PEEK结晶受温度的影响,PEEK在模具中较长时间处于玻璃化转变温度以上,有利于晶核的生长和晶体的长大,故模具在140℃以上时,PEEK的晶体生长好,结晶较为完整,结构较为稳定,尺寸稳定性好,同时,模具温度的保持也能使PEEK的结晶增强,从而使其分子链排列规整,分子间作用力加强,有利于提高其力学性能。再者,模具温度过高,远大于玻璃化转变温度,则不利于PEEK晶核生长,出模后冷却需用夹具定型,不利于大批量生产。故由图1和图2结果可知,模具温度选择180℃最佳。2.5形貌扫描电镜照片模具温度为180℃,成型后的复合材料的断面形貌扫描电镜照片如图3所示。由图3可以看出,PEEK复合材料断面规整,PEEK与玻纤结构紧密,有利于提高PEEK复合材料其力学性能。3具温度对复合材料力学性能及外观的影响通过对注塑成型中的加工工艺参数和30%长玻纤增强PEEK复合材料的力学性能的研究,可知冷却速率