新型防腐耐磨增强树脂复合材料的制备与性能研究

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1、新型防腐耐磨增强树脂基复合材料的制备与性能研究1许小海何芳陶春影（卡本复合材料（天津）有限公司天津武清300172）摘要：随着我国工业的快速发展，石油管道，输水管道和污水管道需求显著增加，对于管道的性能如耐腐蚀和耐磨损性能要求越来越高。本项目采用耐高温和耐腐蚀耐摩擦磨损性能优异的聚醚醚酮纤维和碳纤维混编，采用三维编织技术与热压技术结合，制备了不同纤维含量的C3D/PEEK复合材料。研究了工艺条件、碳纤维体积含量对复合材料力学性能的影响，同时探讨了C3D/PEEK复合材料的摩擦磨损性能，并对该复合材料在不同条件

2、下的磨损机理进行了深入探讨，将该材料用于修补和制备塑料管道内壁。关键词：碳纤维，聚醚醚酮，三维编织，复合材料，管道，内壁1、许小海，男，1986年8月生人，2012年6月毕业于天津大学材料科学与工程学院获得工学硕士学位，现工作与卡本复合材料天津有限公司，研发部经理，研究方向纤维增强树脂基复合材料，天津市武清区京滨工业园恒元道1号，301700，13820253779@139.com0、引言原油和天然气开采活动的强劲增长势头将推动管道需求，因为管道可广泛应用于钻井和油气输送。同时，建筑行业预计将会反弹，这对管道

3、市场而言也是利好消息。房屋建造以及厨房浴室的改造项目将大力促进排水管、废气管以及通气管的需求，而非住宅建筑的增加也将刺激管道的需求。未来，塑料管道将取代部分钢管和混凝土管。比如在饮用水、通风管、下水道排水系统中，消费者出于降低维护成本和更换成本考虑，会更偏向于塑料管道。预计至2018年，其需求增长将最为强劲。随着管道输送介质的多样化，对管道内壁性能的要求也越来越高，如耐用性、耐腐蚀性和耐摩擦磨损性等，所以提出一种新的管道内壁材料和修复材料是非常有必要的。聚醚醚酮（PEEK）树脂是一种综合性能优异的高性能热塑性

4、树脂材料，PEEK具有相当好的热稳定性和耐热性能，玻璃化转变温度（Tg）为144℃，溶解温度（Tm）为335℃，其变形温度为135~160℃，玻璃纤维增强后，可在高达260℃温度下长期使用，可在高达[1]300℃温度下使用，在400℃时很长时间才可能分解。PEEK具有稳定的化学性能，抗腐蚀能力优异，在强酸、强碱和绝大部分的有机溶剂都有不发生反应，同时还具有阻燃、抗辐[2]射等特性。碳纤维是一种具有很高比强度和模量的高温纤维，为化学纤维的高端品种。一般用聚丙烯腈和粘胶纤维等为原料，先在200~300℃的空气中进

5、行预氧化，继而在惰性气体保护下用1000℃左右的高温完成碳化，最后加热到1500~3000℃得到碳纤维。碳纤维呈纤维状，包括连续碳（石墨）纤维、碳晶须及碳纳米管等，是一种新型的无机非金属材料。碳纤维是一种质轻、具有比重小、比强度高、比模量大、热膨胀系数小的新型增强纤维或功能纤维。由于PEEK是一种热塑性树脂所以具有这些优异性能的管道内壁材料在未来在下水道和排水系统、天然气输送系统中的应用将越来越大。并且可以修复现有缺陷的管道。1、实验步骤1.1实验材料本实验所采用的三维混编纤维如下图1-1所示。abcdef图

6、1-1PEEK及C/PEEK纤维三维织物实物照片（a）纯PEEK；（b）18%C/PEEK；（c）36%C/PEEK；（d）54%C/PEEK；（e）60%C/PEEK；（f）66%C/PEEK1）三维编织PEEK纤维（图1-1a所示）：宽12mm，厚3.8mm。2）三维编织C/PEEK纤维：宽12mm，厚4mm，碳纤维体积含量分别为18%、36%、54%、60%和66%。以上PEEK及C/PEEK（如图1-1所示）所以编织结构物均为三维五向编织，编织角θ=25°，由天津工业大学编织；PEEK纤维由英国ZYE

7、X公司免费提供；3碳纤维为1K碳纤维，约66tex，密度1.76g/cm，由北京卡本工程技术研究所有限公司提供。3）纯PEEK板材：厚度2mm，由英国Victrex公司提供。本实验碳纤维表面处理均为在三维混编纤维后，所以是把混编纤维一起表面处理，由于PEEK耐腐蚀，热稳定性好，所以碳纤维表面氧化处理不会影响PEEK的性能。具体方法是首先用电子天平配制5wt%(NH4)2HPO4溶液作为氧化液，将混编纤维放入氧化液中煮沸1h，然后用去离子水反复冲洗混编纤维，放入电热恒温鼓风干燥箱中在120℃下干燥3h，以保证混

8、编纤维干燥充分。1.2C3D/PEEK复合材料成型工艺本实验所用的C3D/PEEK复合材料均采用三维混编热压工艺进行制备，当碳纤维含量低于[3]54%时，工艺流程主要参考李浩的工艺流程。当碳纤维含量达到60%时，需要对制备工艺的具体参数进行改变，具体的高碳纤维体积含量C3D/PEEK复合材料的工艺如图1-2所示。4001.0350Vacuum0.8300)Co(2500.62000.4150Temp