CN100365055C - 稀土改性碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稀土改性碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，先在室温下采用稀土改性剂对碳纳米管进行表面改性处理，再将处理后的碳纳米管放入球磨机中球磨，然后将处理后的碳纳米管同聚四氟乙烯粉料进行机械共混，控制碳纳米管的质量百分比为混合粉料的5～15%，然后将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，经过高温烧结，制成复合材料。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。本发明方法工艺简单，成本低，对环境无污染，制得的复合材料具有很好的力学性能和摩擦学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种稀土改性碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，将经过稀土改性剂处理的碳纳米管填充聚四氟乙烯制备复合材料，以提高碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的界面的结合力，进而提高复合材料的实际工程应用价值。
背景技术
聚四氟乙烯是最有潜力的减摩材料，虽具有自润滑特性好，摩擦系数低，耐腐蚀、耐低温等优异特性，但因其机械性能差，线膨胀系数大，导热性又差，磨损量大，而不适于单独作耐磨材料使用。通常采用在聚四氟乙烯中加入纤维、颗粒、晶须等填料对其进行改性，制备成聚四氟乙烯复合材料，以求在保持其低摩擦系数的同时，获得优良的耐磨性及高强度、高刚度和尺寸稳定性。
碳纳米管是最典型的一维纳米材料，以其独特的结构具有众多的优异性能。碳纳米管具有超强的力学性能和极高的纵横比，其抗拉强度是钢的100倍，密度仅为钢的1/6～1/7。因此，碳纳米管被认为是复合材料增强相的理想材料。但是，碳纳米管径向的纳米级尺寸和高的表面能导致其在聚合物中容易团聚，分散性较差，不仅降低了碳纳米管的有效长径比，而且容易造成管与管之间的滑移，使得碳纳米管的增强效果变差。此外，碳纳米管表面特征与石墨相似，在绝大部分溶剂中不容，湿润性能差，很难与聚合物基体形成有效粘结。为了提高碳纳米管的分散性并增加其与聚合物界面的结合力，需要对其表面进行改姓，主要目的是降低它的表面能态，提高它与有机相的相容性，使其能比较好的应用到与聚合物的复合材料中去。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种稀土改性碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，所得到的复合材料产品具有工艺简单，力学性能好，尺寸稳定，耐磨，摩擦系数小等优点。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，先采用稀土改性剂对碳纳米管进行表面改性处理，再将处理后的碳纳米管放入球磨机中球磨，然后将处理后的碳纳米管烘干后与聚四氟乙烯按照一定比例进行机械共混，控制碳纳米管的质量百分比为混合粉料的5～15％，然后将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，经过高温烧结，制成复合材料，再通过机械加工，制成碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料试样或零件。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。
本发明的复合材料制备方法具体如下：
首先将碳纳米管浸入稀土改性剂中，浸泡处理2～4小时，过滤去除液体，然后在烘箱中烘干，得到经过稀土表面改性处理的碳纳米管。其中采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.1～1.5％，乙醇95.5～99.7％，乙二胺四乙酸(EDTA)0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％。
将处理得到的碳纳米管与蒸馏水混合，配成碳纳米管的重量百分比为2～10％的溶液，放入行星式球磨机中球磨15～60min，转速为100～500r/min。将得到的碳纳米管放入100℃的烘箱中充分烘干。
将经过稀土表面改性处理的碳纳米管同聚四氟乙烯进行机械共混，控制碳纳米管的重量百分比为混合粉料的5～15％，然后将混合粉料放入不锈钢模具中，在压力机上压制成型，压力控制在40～50MPa，时间为30～50分钟，加压和卸压过程一定要缓慢进行。将上述压制成型的坯料轻轻取出，放入马福炉中，进行烧结：先缓慢升温至320℃左右，然后再以30℃/小时的速度升温至380℃左右，保温5～6小时，得到碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料，再通过机械加工成碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料试样或零件。
本发明的稀土化合物可以为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
本发明适用于各种的碳纳米管增强聚四氟乙烯复合材料，其中碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管等，聚四氟乙烯包括以悬浮法聚合并经细粉碎而成的各种牌号的聚四氟乙烯树脂，如SM021等。
本发明可以解决碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料界面结合力差的问题，提高碳纳米管的分散性及复合材料的力学性能和摩擦学性能，工艺方法简单，成本低，对环境无污染。采用经过稀土表面处理的碳纳米管填充聚四氟乙烯制成的复合材料和普通的同类复合材料相比，具有更好的力学性能和摩擦学性能。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：
所用的原材料包括：聚四氟乙烯树脂，上海氯碱化工股份有限公司生产的SM021-F型；碳纳米管：深圳市纳米港有限公司生产的多壁碳纳米管。
采用的稀土改性剂的组分重量百分比如下：
稀土化合物0.3％，乙醇99.5％，乙二胺四乙酸0.05％，氯化铵0.1％，硝酸0.02％，尿素0.03％。
原材料各组分重量百分比如下：
聚四氟乙烯：95％
碳纳米管：5％
先对碳纳米管进行预处理，将碳纳米管在室温下浸入上述稀土改性剂中，浸泡2小时，过滤后烘干。将处理得到的碳纳米管与蒸馏水混合，配成碳纳米管的重量百分比为4％的溶液，放入行星式球磨机中球磨30min，转速为100r/min。将得到的碳纳米管放入100℃的烘箱中充分烘干。
将聚四氟乙烯与碳纳米管按照上述比例混合，进行强力机械搅拌，然后将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，压力控制在40MPa左右，时间为50分钟，加压和卸压过程缓慢进行，将上述压制成型的坯料轻轻取出，放入马福炉中，进行烧结：先缓慢升温至320℃左右，然后再以30℃/小时的速度升温至380℃左右，保温5小时，制得碳纳米管/聚四氟乙烯耐磨复合材料。将上述材料机械加工成20mm×10mm×10mm的复合材料试样，在M-2000摩擦磨损试验机上测得：
摩擦系数为0.21，比磨损率为1.1×10-14m3/N.m。
实施例2：
所用的原材料为：聚四氟乙烯：上海氯碱化工股份有限公司生产的SM021-F型；碳纳米管：深圳市纳米港有限公司生产的多壁碳纳米管。
稀土改性剂的各组分重量百分比如下：
稀土化合物1％，乙醇％％，乙二胺四乙酸0.5％，氯化铵1％，硝酸0.5％，尿素1％。
原材料各组分重量百分比如下：
聚四氟乙烯：90％
碳纳米管：10％
先对碳纳米管进行预处理，将碳纳米管在室温下浸入上述稀土改性剂中，浸泡2小时，过滤后烘干。将处理得到的碳纳米管与蒸馏水混合，配成碳纳米管的重量百分比为10％的溶液，放入行星式球磨机中球磨15min，转速为500r/min。将得到的碳纳米管放入100℃的烘箱中充分烘干。
其次将聚四氟乙烯与碳纳米管按照上述比例混合，进行强力机械搅拌，然后将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，压力控制在50MPa左右，时间为30分钟，加压和卸压过程缓慢进行，将上述压制成型的坯料轻轻取出，放入马福炉中，进行烧结：先缓慢升温至320℃左右，然后再以30℃/小时的速度升温至380℃左右，保温6小时，制得碳纳米管/聚四氟乙烯耐磨复合材料。
按照上述方法制得的复合材料按照ASTM D638-89标准测得其拉伸强度为32.8MPa。
实施例3
所用的原材料包括：聚四氟乙烯：上海氯碱化工股份有限公司生产的SM021-F型；碳纳米管：深圳市纳米港有限公司生产的多壁碳纳米管。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物1.5％，乙醇96.5％，乙二胺四乙酸0.2％，氯化铵1％，硝酸0.3％，尿素0.5％。
原材料各组分重量百分比如下：
聚四氟乙烯：85％
碳纳米管：15％
先对碳纳米管进行预处理，将碳纳米管在室温下浸入上述稀土改性剂中，浸泡2小时，过滤后烘干。将处理得到的碳纳米管与蒸馏水混合，配成碳纳米管的重量百分比为2％的溶液，放入行星式球磨机中球磨60min，转速为400r/min。将得到的碳纳米管放入100℃的烘箱中充分烘干。
其次将聚四氟乙烯与碳纳米管按照上述比例混合，然后进行强力机械搅拌，然后将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，压力控制在45MPa左右，时间为40分钟，加压和卸压过程缓慢进行，将上述压制成型的坯料轻轻取出，放入马福炉中，进行烧结：先缓慢升温至320℃左右，然后再以30℃/小时的速度升温至380℃左右，保温5小时，制得碳纳米管/聚四氟乙烯耐磨复合材料。
测试复合材料弯曲强度为52.0MPa。
Claims (2)
1.一种稀土改性碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于先将碳纳米管浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干；将处理得到的碳纳米管与蒸馏水混合，配成碳纳米管的重量百分比为2～10％的溶液，放入行星式球磨机中球磨15～60min，转速为100～500r/min，将得到的碳纳米管放入100℃的烘箱中充分烘干；然后将处理后的碳纳米管同聚四氟乙烯进行机械共混，控制碳纳米管的重量百分比为混合粉料的5～15％，然后将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，压力控制在40～50MPa，时间为30～50分钟，加压和卸压过程缓慢进行，将上述压制成型的坯料取出，放入马福炉中进行烧结，先缓慢升温至320℃，然后再以30℃/小时的速度升温至380℃，保温5～6小时，得到碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料；其中，所述稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.1～1.5％，乙醇95.5～99.7％，乙二胺四乙酸0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％；其中，所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
2.根据权利要求1的稀土改性碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，所述的聚四氟乙烯为采用悬浮法聚合并经细粉碎而成的聚四氟乙烯粉料。
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