一种超疏水聚醚醚酮材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及改性聚醚醚酮材料的制备领域,具体涉及一种超疏水聚醚醚酮材料及其制备方法。
背景技术
聚醚醚酮(poly ether ether ketone,简称PEEK),属于特种高分子材料,其主链结构中含有两个醚键和一个酮键,由其重复单元构成半结晶高聚物。自20世纪70年代末被成功开发后,其被证明具有耐高温性、较大的刚性和柔性、自润滑性、阻燃性等等优良特点。聚醚醚酮材料的玻璃化转变温度为143℃,熔点为334℃,结晶态材料的密度约为1.32g/cm3,可达到的最大结晶度约为49%,因此,聚醚醚酮具有良好的力学性能、机械性能与耐热性能,在航空航天、汽车制造、绝缘材料、医疗器械等领域具有广泛应用前景。而传统方法制备的聚醚醚酮材料,分子链中存在较多亲水的醚键,使其表面与水或水溶液的粘附力较大,在实际应用时若材料表面存在液体粘附,会影响其表面机械性能,如会对耐磨性、耐辐照的性能产生较大的影响。
目前,在传统的聚醚醚酮材料的制备方法中,鲜有对材料进行超疏水改性,且现有的超疏水改性的思路,即通过降低聚醚醚酮的分子量减少分子链中的醚键,从而使得聚合物中的醚键含量总体降低来减弱材料的亲水性。如CN201911315280.4中已公开了一种低分子量聚醚醚酮的制备方法,该方法是将溶剂二苯砜替换为己酰胺,使用1-萘酚或2-萘酚作为聚合物封端剂,制备出具有较短的分子链长度的聚醚醚酮,即具有较低分子量的聚醚醚酮,所制备的较低分子量的聚醚醚酮的重均分子量为4000-10000,与传统工艺相比分子量降低了80%~85%。这种材料的亲水性虽有所下降,但是其基团仍然以醚键为主,与水的结合力依然较大,同时,该材料尚未对整体结构进行改性,因此,材料表面不能达到疏水的效果。
因此,现有技术还有待于进步和发展。
发明内容
本发明针对上述技术存在的问题,提供一种聚醚醚酮材料及其制备方法,旨在解决现有的聚醚醚酮材料的疏水性能差的技术问题。
为实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种超疏水聚醚醚酮材料,其中,所述超疏水聚醚醚酮材料按照摩尔百分比由以下组分组成:
所述的超疏水聚醚醚酮材料,其中,所述改性SiO2颗粒由以下步骤制备而成:
将氨水和硅溶胶加入水中,混合均匀,得到第一混合溶液;
向所述第一混合溶液中加入表面活性剂,混合均匀,得到第二混合溶液;
将氟硅氧烷逐滴滴加至所述第二混合溶液中,搅拌12~20h,得到第三混合溶液;
将所述第三混合溶液在烘箱中烘干,即得到所述改性SiO2颗粒。
所述的超疏水聚醚醚酮材料,其中,所述改性SiO2颗粒的制备过程中,根据质量百分比,所用的氨水为3%~6%,硅溶胶为0.5%~1%,表面活性剂为0.5~1%,氟硅氧烷为0.5%~1.5%,水为92.5%~93.5%。
所述的超疏水聚醚醚酮材料,其中,所述表面活性剂为阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和烯基磺酸钠中的一种或多种,或为非离子表面活性剂长链脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯烷基胺和聚氧乙烯烷基酰胺中的一种或多种。
所述的超疏水聚醚醚酮材料,其中,所述硅溶胶为固含量为10%~20%的硅溶胶中的一种或多种。
所述的超疏水聚醚醚酮材料,其中,所述改性SiO2颗粒的粒径为30~40nm。
此外,本发明还提供有一种超疏水聚醚醚酮材料的制备方法,用于对前述的超疏水聚醚醚酮材料进行制备,其中,包括以下步骤:
将4,4’-二氟二苯甲酮和对苯二酚加入至二苯砜中进行混合,其后,在氮气保护下升温至140~160℃,得到中间混合溶液;
将改性SiO2颗粒加入所述中间混合溶液中,温度保持140~160℃,搅拌0.5~1h,得到中间产物;
向所述中间产物中加入碱金属碳酸盐,进行升温处理,得到反应产物;
将反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤,制备得到超疏水聚醚醚酮材料。
所述的超疏水聚醚醚酮材料的制备方法,其中,所述向所述中间产物中加入碱金属碳酸盐,进行升温处理,得到反应产物的步骤包括:
向所述中间产物中加入碱金属碳酸盐,并于1h内升温至200℃,在200℃保温1h,其后,于1h内升温至250℃,在250℃保温0.2~0.5h,其后,于1h内升温至300~350℃,保温2~3h。
有益效果:
1、本发明所制备的超疏水聚醚醚酮材料可以达到表面超疏水以及低粘附的效果;
2、本发明所制备的超疏水聚醚醚酮材料的表面耐磨性增强,经摩擦试验机摩擦后依然能够保持超疏水、低粘附的性能;
3、本发明所制备的超疏水聚醚醚酮材料的表面抗腐蚀性能有所提高,在酸、碱、高浓度盐溶液中浸泡后表面疏水性能和低粘附性能不会明显下降。
附图说明
图1为本发明一种超疏水聚醚醚酮的制备方法的流程示意图;
图2为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮在空气中的静态接触角图;
图3为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮微观表面的SEM图;
图4为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮表面摩擦200r后的静态接触角图;
图5为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮表面摩擦200r后的SEM图;
图6为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮表面采用弱酸腐蚀24h后的静态接触角图;
图7为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮表面采用弱酸腐蚀24h后的SEM图。
具体实施方式
为了便于理解本申请,下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是,本申请可以以不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本申请。在本发明中,改性SiO2颗粒由以下步骤制备而成:
(1)将氨水和硅溶胶加入水中,混合均匀,得到第一混合溶液;
(2)向所述第一混合溶液中加入表面活性剂,混合均匀,得到第二混合溶液;
(3)将氟硅氧烷逐滴滴加至所述第二混合溶液中,搅拌12~20h,得到第三混合溶液;
(4)将所述第三混合溶液在烘箱中烘干,即得到改性SiO2颗粒。其中,根据质量百分比,所用的氨水为3%~6%,硅溶胶为0.5%~1%,表面活性剂为0.5~1%,氟硅氧烷为0.5%~1.5%,水为92.5%~93.5%,本发明中,通过对SiO2颗粒进行氟硅氧烷改性,氟硅氧烷改性后的SiO2颗粒接枝上氟碳长链,氟碳长链上的CF-基团具有较强的疏水作用,优选地,改性SiO2颗粒的粒径为30~40nm。
进一步地,如图1所示,本发明中超疏水聚醚醚酮材料的制备方法,包括步骤:
S10、将4,4’-二氟二苯甲酮和对苯二酚加入至二苯砜中进行混合,其后,在氮气保护下升温至140~160℃,得到中间混合溶液;
S20、将改性SiO2颗粒加入中间混合溶液中,温度保持140~160℃,搅拌0.5~1h,得到中间产物;
S30、向中间产物中加入碱金属碳酸盐,进行升温处理,得到反应产物;
S40、将反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤,制备得到超疏水聚醚醚酮材料。
本发明中,通过在制备过程中加入改性SiO2颗粒,部分SiO2颗粒取代了4,4’-二氟二苯甲酮与对苯二酚发生缩聚反应,使聚合物两端接枝有改性SiO2颗粒,由于改性SiO2颗粒上带有CF-疏水基团,因此,将反应产物固化后即可得到表面超疏水的聚醚醚酮材料。
进一步地,本发明中所制备的超疏水聚醚醚酮材料可以达到表面超疏水以及低粘附的效果。同时,改性后的聚醚醚酮表面耐磨性增强,经摩擦试验机摩擦200r后依然能够保持超疏水、低粘附的性能;进一步地,改性后的聚醚醚酮表面抗腐蚀性能也有所提高,在酸、碱、高浓度盐溶液中浸泡后表面疏水性能和低粘附性能仍较好。
下面通过具体实施例对本发明一种超疏水聚醚醚酮材料的制备方法做进一步的解释说明:
实施例1
制备改性SiO2颗粒:
根据质量百分比,称取氨水4%、硅溶胶1%、表面活性剂0.5%、氟硅氧烷1.5%、水93%;
将氨水、硅溶胶加入水中,在50℃下,磁力搅拌30min,其后,加入表面活性剂,在50℃磁力搅拌30min,将氟硅氧烷逐滴滴加至溶液,在50℃下,磁力搅拌12h,得到配制好的溶液,最后,将配制好的溶液置于烘箱中,并于200℃烘干12h,得到改性SiO2颗粒。
超疏水聚醚醚酮的制备:
按摩尔百分比称取24%的4,4’-二氟二苯甲酮,25%的对苯二酚,50%的碱金属碳酸盐,1%的改性SiO2颗粒。
将上述原料依次加到带有搅拌装置的聚合反应器中,加热升温至150℃,同时,通入氮气,加入改性SiO2颗粒,温度保持在150℃,搅拌30min,其后,加入碱金属碳酸盐,即无水碳酸钾和无水碳酸钠的混合物,保持搅拌,并于1h升温至200℃保温1h,保温1h后,继续在1h升温至250℃保温15min,最后于1h升温至320℃保温2.5h,冷却后取出反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤步骤,除去反应过剩的原料、副产物等杂质,最终制得超疏水聚醚醚酮材料。
实施例2
制备改性SiO2颗粒:
根据质量百分比,称取氨水6%、硅溶胶0.5%、表面活性剂0.5%、氟硅氧烷0.5%、水92.5%;
将氨水、硅溶胶加入水中,在50℃下,磁力搅拌30min,其后,加入表面活性剂,在50℃磁力搅拌30min,将氟硅氧烷逐滴滴加至溶液,在50℃下,磁力搅拌12h,得到配制好的溶液,最后,将配制好的溶液置于烘箱中,并于200℃烘干12h,得到改性SiO2颗粒。
超疏水聚醚醚酮的制备:
按摩尔百分比称取24%的4,4’-二氟二苯甲酮,25%的对苯二酚,50%的碱金属碳酸盐,1%的改性SiO2颗粒。
将上述原料依次加到带有搅拌装置的聚合反应器中,加热升温至150℃,同时,通入氮气,加入改性SiO2颗粒,温度保持在150℃,搅拌30min,其后,加入碱金属碳酸盐,即无水碳酸钾和无水碳酸钠的混合物,保持搅拌,并于1h升温至200℃保温1h,保温1h后,继续在1h升温至250℃保温15min,最后于1h升温至320℃保温2.5h,冷却后取出反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤步骤,除去反应过剩的原料、副产物等杂质,最终制得超疏水聚醚醚酮材料。
实施例3
制备改性SiO2颗粒:
根据质量百分比,称取氨水3%、硅溶胶1%、表面活性剂1%、氟硅氧烷1.5%、水93.5%;
将氨水、硅溶胶加入水中,在50℃下,磁力搅拌30min,其后,加入表面活性剂,在50℃磁力搅拌30min,将氟硅氧烷逐滴滴加至溶液,在50℃下,磁力搅拌12h,得到配制好的溶液,最后,将配制好的溶液置于烘箱中,并于200℃烘干12h,得到改性SiO2颗粒。
超疏水聚醚醚酮的制备:
按摩尔百分比称取24%的4,4’-二氟二苯甲酮,25%的对苯二酚,50%的碱金属碳酸盐,1%的改性SiO2颗粒。
将上述原料依次加到带有搅拌装置的聚合反应器中,加热升温至150℃,同时,通入氮气,加入改性SiO2颗粒,温度保持在150℃,搅拌30min,其后,加入碱金属碳酸盐,即无水碳酸钾和无水碳酸钠的混合物,保持搅拌,并于1h升温至200℃保温1h,保温1h后,继续在1h升温至250℃保温15min,最后于1h升温至320℃保温2.5h,冷却后取出反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤步骤,除去反应过剩的原料、副产物等杂质,最终制得超疏水聚醚醚酮材料。
实施例4
制备改性SiO2颗粒:
根据质量百分比,称取氨水4%、硅溶胶1%、表面活性剂0.5%、氟硅氧烷1.5%、水93%;
将氨水、硅溶胶加入水中,在50℃下,磁力搅拌30min,其后,加入表面活性剂,在50℃磁力搅拌30min,将氟硅氧烷逐滴滴加至溶液,在50℃下,磁力搅拌12h,得到配制好的溶液,最后,将配制好的溶液置于烘箱中,并于200℃烘干12h,得到改性SiO2颗粒。
超疏水聚醚醚酮的制备:
按摩尔百分比称取24%的4,4’-二氟二苯甲酮,25%的对苯二酚,50%的碱金属碳酸盐,1%的改性SiO2颗粒。
将上述原料依次加到带有搅拌装置的聚合反应器中,加热升温至150℃,同时,通入氮气,加入改性SiO2颗粒,温度保持在150℃,搅拌30min,其后,加入碱金属碳酸盐,即无水碳酸钾和无水碳酸钠的混合物,保持搅拌,并于1h升温至200℃保温1h,保温1h后,继续在1h升温至250℃保温15min,最后于1h升温至320℃保温2.5h,冷却后取出反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤步骤,除去反应过剩的原料、副产物等杂质,最终制得超疏水聚醚醚酮材料。
实施例5
制备改性SiO2颗粒:
根据质量百分比,称取氨水4%、硅溶胶1%、表面活性剂0.5%、氟硅氧烷1.5%、水93%;
将氨水、硅溶胶加入水中,在50℃下,磁力搅拌30min,其后,加入表面活性剂,在50℃磁力搅拌30min,将氟硅氧烷逐滴滴加至溶液,在50℃下,磁力搅拌12h,得到配制好的溶液,最后,将配制好的溶液置于烘箱中,并于200℃烘干12h,得到改性SiO2颗粒。
超疏水聚醚醚酮的制备:
按摩尔百分比称取27%的4,4’-二氟二苯甲酮,27%的对苯二酚,44%的碱金属碳酸盐,2%的改性SiO2颗粒。
将上述原料依次加到带有搅拌装置的聚合反应器中,加热升温至150℃,同时,通入氮气,加入改性SiO2颗粒,温度保持在150℃,搅拌30min,其后,加入碱金属碳酸盐,即无水碳酸钾和无水碳酸钠的混合物,保持搅拌,并于1h升温至200℃保温1h,保温1h后,继续在1h升温至250℃保温15min,最后于1h升温至320℃保温2.5h,冷却后取出反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤步骤,除去反应过剩的原料、副产物等杂质,最终制得超疏水聚醚醚酮材料。
实施例6
制备改性SiO2颗粒:
根据质量百分比,称取氨水4%、硅溶胶1%、表面活性剂0.5%、氟硅氧烷1.5%、水93%;
将氨水、硅溶胶加入水中,在50℃下,磁力搅拌30min,其后,加入表面活性剂,在50℃磁力搅拌30min,将氟硅氧烷逐滴滴加至溶液,在50℃下,磁力搅拌12h,得到配制好的溶液,最后,将配制好的溶液置于烘箱中,并于200℃烘干12h,得到改性SiO2颗粒。
超疏水聚醚醚酮的制备:
按摩尔百分比称取24%的4,4’-二氟二苯甲酮,25%的对苯二酚,50%的碱金属碳酸盐,1%的改性SiO2颗粒。
将上述原料依次加到带有搅拌装置的聚合反应器中,加热升温至150℃,同时,通入氮气,加入改性SiO2颗粒,温度保持在150℃,搅拌30min,其后,加入碱金属碳酸盐,即无水碳酸钾和无水碳酸钠的混合物,保持搅拌,并于1h升温至200℃保温1h,保温1h后,继续在1h升温至250℃保温15min,最后于1h升温至320℃保温2.5h,冷却后取出反应产物,经过结晶析出、粉碎、筛选、萃取、洗涤、压滤步骤,除去反应过剩的原料、副产物等杂质,最终制得超疏水聚醚醚酮材料。
本发明中,对实施例1至实施例6中所制备的超疏水聚醚醚酮的超疏水性能进行分析,结果如下表所示:
WCA/°
SA/°
实施例1
152.7
3.7
实施例2
141.5
9.5
实施例3
142.8
10.0
实施例4
125.0
17.3
实施例5
150.3
22.7
实施例6
114.7
35.0
上表中列出了本申请实施例1至实施例6所制备的超疏水聚醚醚酮在空气中的静态接触角(WCA)及滑动角(SA)数据,从表中数据可看出,本申请所制备的超疏水聚醚醚酮具有较好的疏水性能。
进一步地,本申请针对实施例1至实施例6中所制备的超疏水聚醚醚酮在表面摩擦200r后的疏水性能进行分析,结果如下表所示:
从表中数据可看出,本发明所制备的超疏水聚醚醚酮在表面受到200r摩擦后,材料表面的疏水性能仍较好。
更进一步地,本发明中针对实施例1至实施例6中所制备的超疏水聚醚醚酮,在其表面分别采用弱酸、弱碱以及高浓度盐溶液进行24h腐蚀,其后,腐蚀后的超疏水聚醚醚酮的疏水性能进行分析,得到如下表所示的结果:
从表中数据可看出,本发明所制备的超疏水聚醚醚酮在收到弱酸、弱碱以及高浓度盐溶液的24h腐蚀后,仍具有较好的疏水性能。
另外,图2为本发明中实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮在空气中的静态接触角图,3为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮微观表面的SEM图,图4为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮表面摩擦200r后的空气中的静态接触角图,图5为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮表面摩擦200r后的SEM图,图6为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮采用弱酸腐蚀24h后的空气中的静态接触角图,图7为实施例1所制备的超疏水聚醚醚酮采用弱酸腐蚀24h后的SEM图。同样,从图2至图7中可看出,本发明所制备的超疏水聚醚醚酮具有较好的疏水性能,且在表面受到摩擦和腐蚀的情况下,仍具有较好的疏水性能。
因此,本发明所制备的超疏水聚醚醚酮能够克服现有的聚醚醚酮材料表面与水、水性溶液粘附力较大的问题,同时,增强了聚醚醚酮材料表面的耐磨性能与抗腐蚀性能,从而提高了聚醚醚酮材料在航空航天、医疗器械等领域的应用价值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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