CN101870815A - 一种玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料及其制备方法。本发明玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料由下述重量份数的原料制成：聚醚酰亚胺27.4～93.8份，热致液晶聚合物1～20份，玻璃纤维5～50份，抗氧剂0.05～0.6份，润滑剂0.1～2份。本发明与现有技术相比，由于热致液晶聚合物具有很强剪切变稀的流变特性，其在与聚醚酰亚胺熔融挤出过程中，能够有效降低了复合材料加工时的熔体粘度，提高熔体流动速率，进而改善材料加工性能。另外，热致液晶聚合物在聚醚酰亚胺基体中能够形成微纤结构，提高复合材料强度。本发明复合材料的生产制备工艺简单，在常规的熔融挤出机上即可实施，不必借助特殊设备，操作过程简便易行。

Description

一种玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料及其制备方法
[技术领域]
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料及其制备方法。
[背景技术]
聚醚酰亚胺树脂(简称PEI)是一种无定形热塑性树脂，具有优良的机械性能、电绝缘性能、耐辐照性能、耐高低温及耐磨性能。聚醚酰亚胺具有优良的综合平衡性能，卓有成效地应用于电子、电机和航空等工来部门，并用作传统产品和文化生活用品的金属代用材料。然而玻璃纤维增强PEI复合材料加工流动性差，对加工工艺要求高且对加工设备磨损大。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种加工流动性好，对加工设备磨损小的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺           27.4～93.8份
热致液晶聚合物       1～20份
玻璃纤维             5～50份
抗氧剂               0.05～0.6份
润滑剂          0.1～2份。
所述的聚醚酰亚胺是由4，4′-二氨基二苯醚、间苯二胺或对苯二胺与2，2′-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐缩聚制备得到。
所述的热致液晶聚合物为主链型热致性液晶聚合物，熔融范围为190～350℃。
所述的热致液晶聚合物最好是芳香族共聚酯，熔融范围220～330℃。
所述的玻璃纤维为用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或高分子接枝物处理过的玻璃纤维，玻璃纤维的单纤维直径为8～20微米。
所述的抗氧剂为3，5-二特丁基-4-羟基苯丙酸十八酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、1，2-双(3，5-二叔丁基-4-羟基-苯基丙酸)肼、1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯中的一种或多种。
所述的润滑剂为季戊四醇硬脂酸脂、聚硅氧烷中的一种或多种。
一种上述玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料的制备方法的技术方案是，包括以下步骤：
(1)按上述的配比称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、增强纤维、抗氧剂、润滑剂；
(2)将聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、抗氧剂、润滑剂混合处理15分钟；
(3)将步骤(2)中混好的原料经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒；增强纤维采用侧喂料的方式加入；双螺杆挤出机工艺条件为：双螺杆挤出机一区温度为280～300℃，二区温度为290～310℃，三区温度为300～330℃，四区温度为300～330℃，五区290～320℃，混合料在螺杆中输送时间为2～5分钟，压力为12～20MPa。
热致液晶聚合物(TLCP)具有高强度、高模量、优异热稳定性和尺寸稳定性、阻燃性、绝缘性、线膨胀系数低、耐辐射、耐化学品腐蚀等特点，在液晶态下呈现出特有的易流动性，具有很强的切力变稀的流变特性。为了降低共混物熔体粘度、改善PEI流动性及成型加工性能、克服玻璃纤维增强的PEI复合材料加工流动性差及材料对加工设备的磨损，本发明将TLCP引入到玻璃纤维增强的PEI体系并通过双螺杆熔融挤出制备得到一种高性能玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料。本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)由于热致液晶聚合物具有很强剪切变稀的流变特性，其在与聚醚酰亚胺熔融挤出过程中，能够有效降低了复合材料加工时的熔体粘度，提高熔体流动速率，进而改善材料加工性能。另外，热致液晶聚合物在聚醚酰亚胺基体中能够形成微纤结构，提高复合材料强度。
(2)本发明复合材料的生产制备工艺简单，在常规的熔融挤出机上即可实施，不必借助特殊设备，操作过程简便易行。
[具体实施方式]
以下结合实施例对本发明作详细的说明：
在实施例中，所用聚醚酰亚胺为沙特基础创新塑料公司的PEIUltem 1000、2000等，由间苯二胺与2，2′-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐缩聚制备得到。所用抗氧剂为瑞士Ciba公司的四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯(Irganox 1010)、3，5-二特丁基-4-羟基苯丙酸十八酯(Irganox 1076)、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(Irganox 168)、1，2-双(3，5-二叔丁基-4-羟基-苯基丙酸)肼(Irganox 1098)、美国氰特公司的1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮(Cyanox 1790)；所用润滑剂为美国龙沙公司的季戊四醇硬脂酸脂(PETS)或中国台湾英宝公司的聚硅氧烷；所用的热致液晶聚合物为主链型芳香族共聚酯热致性液晶聚合物，熔融范围为260～320℃，包括美国Goodfellow公司生产的Vectra A型热致液晶聚合物、日本Polyplastics公司生产的Vectra型聚合物及美国Ticona公司生产的Vectra型热致液晶聚合物；所用玻璃纤维为美国欧文斯科宁公司生产的910、FT756X，其表面采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或高分子接枝物处理过，玻璃纤维的单纤维直径是10-13μm。
实施例1的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺Ultem 1000 83.8份(重量份数，下同)、Ticona Vectra型热致液晶聚合物5份、玻璃纤维FT756X 10份、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯0.2份、三(2.4-一二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、聚硅氧烷0.5份、季戊四醇硬脂酸脂0.3份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷、季戊四醇硬脂酸脂，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区280℃，二区290℃，三区300℃，四区300℃，五区290℃，停留时间为3min，压力为16MPa。
实施例2的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺Ultem 200069.45份、Ticona Vectra型热致液晶聚合物10份、玻璃纤维FT756X 20份、1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮0.05份、聚硅氧烷0.5份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮、聚硅氧烷，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区290℃，二区300℃，三区310℃，四区320℃，五区310℃，停留时间为3min，压力为16MPa。
实施例3的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺53.8份、Polyplastics Vectra型热致液晶聚合物15份、玻璃纤维91030份、N，N’-1，6-亚已基-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰胺]0.2份、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、聚硅氧烷0.8份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、N，N’-1，6-亚已基-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰胺]、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区290℃，二区310℃，三区320℃，四区330℃，五区320℃，停留时间为3min，压力为15MPa。
实施例4的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺Ultem 2000 43.8份、Polyplastics Vectra型热致液晶聚合物15份、玻璃纤维FT756X 40份、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯0.2份、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、聚硅氧烷0.8份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、N，N’-1，6-亚已基-双四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区295℃，二区305℃，三区315℃，四区325℃，五区315℃，停留时间为3min，压力为16MPa。
实施例5，玻璃纤维聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺Ultem 2000 27.4份、Goodfellow Vectra A型热致液晶聚合物20份、玻璃纤维FT756X 50份、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯0.4份、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、聚硅氧烷1.5份，季戊四醇硬脂酸脂0.5份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷、季戊四醇硬脂酸脂，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区295℃，二区315℃，三区325℃，四区330℃，五区320℃，停留时间为3min，压力为16MPa。
实施例6的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺Ultem 100093.8份(重量份数，下同)、Ticona Vectra型热致液晶聚合物1份、玻璃纤维FT756X 5份、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯0.1份、聚硅氧烷0.1份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷、季戊四醇硬脂酸脂，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区280℃，二区290℃，三区300℃，四区300℃，五区290℃，停留时间为3min，压力为16MPa。
对比例1
聚醚酰亚胺Ultem 1000 88.8份(重量份数，下同)、玻璃纤维FT756X 10份、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯0.2份、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、聚硅氧烷0.5份、季戊四醇硬脂酸脂0.3份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷、季戊四醇硬脂酸脂，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区295℃，二区315℃，三区325℃，四区330℃，五区315℃，停留时间为3min，压力为18MPa。
对比例2
聚醚酰亚胺Ultem 2000 79.45份(重量份数，下同)、玻璃纤维FT756X 20份、1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮0.05份、聚硅氧烷0.5份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮、聚硅氧烷，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区295℃，二区310℃，三区320℃，四区330℃，五区320℃，停留时间为3min，压力为18MPa。
对比例3
聚醚酰亚胺Ultem 2000 68.8份(重量份数，下同)、玻璃纤维91030份、N，N’-1，6-亚已基-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰胺]0.2份、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、聚硅氧烷0.8份。
制备方法：称取聚醚酰亚胺、N，N’-1，6-亚已基-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰胺]、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、聚硅氧烷，并将其置于中速搅拌机中混合处理15分钟，将玻璃纤维用侧喂料的方式加入，经熔融共混，挤出造粒成复合材料。其中各区段温度为：一区295℃，二区315℃，三区325℃，四区335℃，五区325℃，停留时间为3min，压力为18MPa。
性能评价方式及实行标准
一、检测的方法、步骤、条件或标准。
将上述实施例1～5中完成造粒的粒子在140--160℃的鼓风烘箱中干燥4～6小时，再将干燥的粒子在80T注塑机上注塑制样，制样过程中保持模温在70～100℃之间。
拉伸强度按GB/T 1040标准进行检验；试样类型为I型，样条尺寸(mm)：170(长)×(20±0.2)(端部宽度)×(4±0.2)(厚度)，拉伸速度为50mm/min。弯曲强度和弯曲模量按GB/T 9341标准进行检验；试样类型为试样尺寸(mm)：(80±2)×(10±0.2)×(4±0.2)，弯曲速度为20mm/min。热变形温度按GB/T 1634.2标准进行检验，负载为1.80MPa.跨距为100mm。样品的熔体表观粘度值采用毛细流变仪在330℃以不同剪切速率测定。测试结果如表1、2所示。
表1实施例1-5及对比例1-3的原料重量份数及制成的复合材料性能
  组成(重量份)   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   对比例1   对比例2   对比例3
  PEI   83.8   69.45   53.8   43.8   27.4   88.8   79.45   68.8
  TLCP   5   10   15   15   20   0   0   0
  玻璃纤维   10   20   30   40   50   10   20   30
  抗氧剂   0.4   0.05   0.4   0.4   0.6   0.4   0.05   0.4
  润滑剂   0.8   0.5   0.8   0.8   2   0.8   0.5   0.8
  拉伸强度(MPa) 118 135 164 183 192 114 129 157
  弯曲强度(MPa) 205 233 235 246 257 197 228 229
  弯曲模量(GPa) 5.23 6.92 9.05 11.9 13.2 5.11 6.85 8.96
  组成(重量份)   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   对比例1   对比例2   对比例3
  热变形温度(℃) 210 211 212 215 217 207 209 209
表2增强PEI复合材料的熔体表观粘度
  实施例1   对比例1   实施例3   对比例3
  PEI   83.8   88.8   53.8   68.8
  TLCP   5   0   15   0
  玻璃纤维   10   10   30   30
  熔体表观粘度(Pa·s，剪切速率为12.4s-1)   3.753×103   5.149×103   7.975×103   9.687×103
  熔体表观粘   3.216×   4.534×   7.513×   8.816×
  度(Pa·s，剪切速率为25.6s-1)   103   103   103   103
  熔体表观粘度(Pa·s，剪切速率为60.5s-1)   2.401×103   3.792×103   6.407×103   7.835×103
  熔体表观粘度(Pa·s，剪切速率为131.0s-1) 1.764×103 2.867×103 5.526×103 6.704×103
从表2中可以看出：热塑性液晶聚合物的加入，能够有效降低了复合材料加工时的熔体粘度，提高熔体流动速率。另外，从表1可以看出，热塑性液晶聚合物的加入能够提高复合材料的力学性能及热学性能。
综上所述，本发明具有如下优点：由于热致液晶聚合物具有很强剪切变稀的流变特性，其在与聚醚酰亚胺熔融挤出过程中，能够有效降低了复合材料加工时的熔体粘度，提高熔体流动速率，进而改善了材料加工性能、减少对加工设备的磨损。另外，热致液晶聚合物在聚醚酰亚胺基体中能够形成微纤结构，提高复合材料的强度。

Claims (8)

1.一种玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，由下述重量份数的原料制成：
聚醚酰亚胺          27.4～93.8份
热致液晶聚合物      1～20份
玻璃纤维            5～50份
抗氧剂              0.05～0.6份
润滑剂              0.1～2份。
2.根据权利要求1所述的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述的聚醚酰亚胺是由4，4′-二氨基二苯醚、间苯二胺或对苯二胺与2，2′-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐缩聚制备得到。
3.根据权利要求1所述的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述的热致液晶聚合物为主链型热致性液晶聚合物，熔融范围为190～350℃。
4.根据权利要求3所述的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述的热致液晶聚合物为芳香族共聚酯，熔融范围220～330℃。
5.根据权利要求1所述的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述的玻璃纤维为用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或高分子接枝物处理过的玻璃纤维，玻璃纤维的单纤维直径为8～20微米。
6.根据权利要求1所述的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为3，5-二特丁基-4-羟基苯丙酸十八酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、1，2-双(3，5-二叔丁基-4-羟基-苯基丙酸)肼、1，3，5-三(4-叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)-1，3，5-三嗪-2，4，6-(1H，3H，5H)-三酮、四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述的润滑剂为季戊四醇硬脂酸脂、聚硅氧烷中的一种或多种。
8.一种权利要求1所述玻纤增强聚醚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按权利要求1所述的配比称取聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、增强纤维、抗氧剂、润滑剂；
(2)将聚醚酰亚胺、热致液晶聚合物、抗氧剂、润滑剂混合处理15分钟；
(3)将步骤(2)中混好的原料经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒；增强纤维采用侧喂料的方式加入；双螺杆挤出机工艺条件为：双螺杆挤出机一区温度为280～300℃，二区温度为290～310℃，三区温度为300～330℃，四区温度为300～330℃，五区290～320℃，混合料在螺杆中输送时间为2～5分钟，压力为12～20MPa。
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