CN100347235C - 一种含金属硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料 - Google Patents
一种含金属硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料。过渡金属二硫化物纳米管为二硫化钨纳米管和二硫化钼纳米管。按质量比过渡金属二硫化物纳米管在复合材料中的含量在3%～15%。本发明的含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料具有高的耐磨性能和较低的摩擦系数。含有质量比10%～15%的过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损率是纯聚四氟乙烯材料的1/160～1/210，是一般传统的过渡金属二硫化物硫化钨或硫化钼微粒填充的聚四氟乙烯复合材料的23%～28%。这种具有高耐磨性能和较低摩擦系数的聚四氟乙烯复合材料在机械、化工、航天等领域具有广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物复合材料的改性，尤其是一种含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料。
背景技术
聚四氟乙烯具有高的化学稳定性和耐腐蚀性能，在机械、化工等领域具有非常广泛的应用。但是纯的聚四氟乙烯材料存在机械强度和弹性小，以及线膨胀系数随温度升高而增加的缺点。特别是在有负荷和高速运转条件下，其尺寸不稳定，容易产生永久变形。虽然聚四氟乙烯材料本身具有一定的自润滑性能，但是纯聚四氟乙烯材料的耐磨性能较差。这些缺点限制了聚四氟乙烯材料作为摩擦材料的实际应用。
为了提高聚四氟乙烯材料的耐磨性能，以往的技术主要在聚四氟乙烯中填充其他材料制备聚四氟乙烯复合材料。如填充玻璃纤维、碳纤维、石墨、二硫化钼、二硫化钨等，这些填充材料可以在一定程度上降低聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数和改善耐磨性能，但这些性能的改善并不是非常理想。
过渡金属二硫化物(WS2和MoS2)纳米管是在继1991年发现碳纳米管后被发现的一种新的具有纳米管结构的材料。这种具有与碳纳米管类似管状结构的WS2和MoS2纳米管具有优异的摩擦学性能和良好的力学性能，使其成为制备耐磨减摩复合材料的一种新的填充材料。
1992年以色列科学家Tenne等用固-气和气相反应合成了WS2和MoS2纳米管[1，2]，但是合成的量不多，合成的过程也比较复杂。最近提出了几种新的方法合成WS2和MoS2纳米管，这些合成方法可以提高WS2和MoS2纳米管的合成量，简化合成过程。Rao等直接用硫代钼酸铵和硫代钨酸铵在氢气氛下高温热分解合成了WS2和MoS2纳米管[3]；陈军等用球磨处理的硫代钼酸铵和硫代钨酸铵作为前驱体，用噻吩气体为催化剂，在氢气氛中较低温度下(360-450℃)热分解可以批量合成WS2和MoS2纳米管[4，5]。
但是迄今为止，利用WS2和MoS2纳米管作为填充材料制备聚四氟乙烯耐磨复合材料的文献和专利还未见报道。
相关参考文献
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[5]J.Chen，S.L.Li，F.Gao，et al.，Sci.Chin.Ser.B-Chem.，2003，46(2)：191.
发明内容
本发明的目的是提供一种含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料。
含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料：聚四氟乙烯复合材料中含有过渡金属二硫化物纳米管，所说的过渡金属二硫化物纳米管为二硫化钨纳米管和二硫化钼纳米管，纳米管的直径在20～50nm之间，按质量比过渡金属二硫化物纳米管在复合材料中的含量在3％～15％。
本发明的含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料具有高的耐磨性能和较低的摩擦系数。含有质量比10％～15％的过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损率是纯聚四氟乙烯材料的1/160～1/200，是一般传统的过渡金属二硫化物硫化钨或硫化钼微粒填充的聚四氟乙烯复合材料的23％～28％。这种具有高耐磨性能和较低摩擦系数的聚四氟乙烯复合材料在机械、化工、航天等领域具有广泛的应用。
具体实施方式
用WS2和MoS2纳米管作为填充增强材料制备聚四氟乙烯耐磨复合材料，WS2和MoS2纳米管的直径在20～50nm之间。按质量比，WS2和MoS2纳米管在复合材料中的质量分数在3％～15％。用超声波和机械搅拌使聚四氟乙烯微粒(平均粒径25微米)和WS2纳米管(或MoS2纳米管)在无水乙醇和丙酮的混合液体(体积比1∶1)中充分混合均匀，然后加热使乙醇和丙酮挥发。将均匀混合的聚四氟乙烯和WS2纳米管(或MoS2纳米管)的混合物在模具中冷压成型，压力50MPa，然后用聚四氟乙烯烧结炉在375℃烧结得到含有WS2纳米管(或MoS2纳米管)的聚四氟乙烯复合材料。
实施例1：
用超声波和机械搅拌使质量比90％的聚四氟乙烯和10％的MoS2纳米管在无水乙醇和丙酮的混合液体(体积比1∶1)中充分混合均匀，然后加热使乙醇和丙酮挥发。将该均匀的混合物在模具中冷压成型，压力50MPa，然后用聚四氟乙烯烧结炉在375℃烧结成复合材料的试样。作为对比按同样方法制备了相同比例的含有一般MoS2微粒的聚四氟乙烯复合材料试样。试样的尺寸为：6mm×7mm×30mm，试样表面用800#砂纸精细打磨。与直径40mm的不锈钢环对磨，不锈钢环表面也用800#砂纸精细抛光处理。在相同摩擦测试条件下(环转速200转/分，载荷200N，室温，干摩)，含有质量比10％MoS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损量是纯聚四氟乙烯材料的1/160，是含有质量比10％一般MoS2微粒聚四氟乙烯复合材料的磨损量的28％；含有MoS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料、含有一般MoS2的聚四氟乙烯复合材料和纯聚四氟乙烯材料的摩擦系数分别是0.176，0.187和0.203。三者相比较，含有MoS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损能最小、摩擦系数也最低。
实施例2：
按质量比85％的聚四氟乙烯和15％的WS2纳米管充分混合，冷压成型，然后烧结成复合材料试样。作为对比按同样方法制备了相同比例的含有一般WS2微粒的聚四氟乙烯复合材料。试样的制备和处理与实施例1相同。试样与不锈钢环对磨，在相同摩擦测试条件下(测试条件与实施例1相同)，含有质量比15％WS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损量是纯聚四氟乙烯材料的1/210，是含有质量比15％的一般WS2聚四氟乙烯复合材料的磨损量的23％；含有WS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料、含有一般WS2的聚四氟乙烯复合材料和纯聚四氟乙烯材料的摩擦系数分别是0.174，0.182和0.204。三者相比较，含有WS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料的耐磨性能最好、摩擦系数也较小。
实施例3：
按质量比95％的聚四氟乙烯和5％的MoS2纳米管充分混合，冷压成型，然后烧结成复合材料试样。作为对比按同样方法制备了相同比例的含有一般MoS2微粒的聚四氟乙烯复合材料。试样的制备和处理与实施例1相同。试样与不锈钢环对磨，在相同摩擦测试条件下(测试条件与实施例1相同)，含有质量比5％MoS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损量是纯聚四氟乙烯材料的1/113，是含有质量比5％一般MoS2微粒聚四氟乙烯复合材料的磨损量的34％；含有MoS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料、含有一般MoS2的聚四氟乙烯复合材料和纯聚四氟乙烯材料的摩擦系数分别是0.182，0.193和0.204。三者相比较，含有MoS2纳米管的聚四氟乙烯复合材料的磨损能最小、摩擦系数也最低。
Claims (1)
1.一种含有过渡金属二硫化物纳米管的聚四氟乙烯耐磨复合材料，其特征在于，聚四氟乙烯复合材料中含有过渡金属二硫化物纳米管，所说的过渡金属二硫化物纳米管为二硫化钨纳米管或二硫化钼纳米管，纳米管的直径在20～50nm之间，按质量比过渡金属二硫化物纳米管在复合材料中的含量在3％～15％。
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