CN101629004A

CN101629004A - 稀土改性纳米TiO2/聚四氟乙烯复合材料制备方法

Info

Publication number: CN101629004A
Application number: CN200910055617A
Authority: CN
Inventors: 程先华; 俞亮; 孙志永; 程海正
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2010-01-20

Abstract

本发明涉及一种稀土改性纳米TiO₂/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纳米TiO₂进行表面改性处理，再将处理后的纳米TiO₂放入球磨机中球磨，然后将球磨后的纳米TiO₂同聚四氟乙烯粉料进行机械共混，控制纳米TiO₂的重量百分比为混合粉料的3～15％，再将混合粉料放入模具中压制成型，经过高温烧结制成复合材料。其中，稀土改性剂由稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素配制而成。本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，制得的稀土改性纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料具有很好的力学性能和摩擦学性能。

Description

稀土改性纳米TiO2/聚四氟乙烯复合材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料制备方法，尤其涉及一种稀土改性纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料制备方法，采用经过稀土改性剂处理的纳米TiO₂填充聚四氟乙烯制备复合材料，以获得比较高的界面结合力，提高聚四氟乙烯树脂基体的机械性能，进而提高复合材料的实际工程应用价值。

背景技术

聚四氟乙烯是最富有潜力的减摩材料之一，具有成型工艺简单、成本低、可回收重复使用、摩擦系数极低、优良的自润滑特性以及较宽的使用温度范围等独特优点。但是，由于聚四氟乙烯分子链间吸引力较小，导致机械性能差、线膨胀系数大、导热性差、磨损量大，不适于单独作耐磨材料使用。通常在聚四氟乙烯中加入填料进行填充改性，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。

TiO₂俗称钛白，是钛系最重要的产品之一，也是一种重要的化工和环境材料。纳米TiO₂具有粒径小、比表面积大、表面活性高、磁性强、光催化与吸收性能好、热导性好等优点，并具有超亲水作用和抗菌功能。由于具有这些新奇的特性，TiO₂在塑料中的应用除增强增韧作用外，还赋予基体材料许多新的性能。将纳米TiO₂以纳米尺寸分散在聚合物基体中，可以得到纳米TiO₂塑料。为了提高纳米TiO₂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性，以降低它的表面能态，使其能比较好的应用到与聚合物的复合材料中去。采用经过稀土改性剂处理的纳米TiO₂填充聚四氟乙烯，可以得到具有一般复合材料所不具有的优异性能的全新高技术复合材料，但目前未见有相关技术公开报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种稀土改性纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料制备方法，具有工艺简单，低成本高效率的特点，能很好的改善纳米TiO₂和聚四氟乙烯基体的界面结合力，从而提高复合材料的综合性能。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，先在室温下采用稀土改性剂对纳米TiO₂进行表面改性处理，再将处理后的纳米TiO₂放入球磨机中球磨，然后将球磨后的纳米TiO₂烘干后与聚四氟乙烯按照一定比例进行机械共混，控制纳米TiO₂的重量百分比为混合粉料的3～15％，再将混合粉料放入模具中压制成型，经过高温烧结得到稀土改性纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料，再通过机械加工制成纳米TiO₂/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：

1、将纳米TiO₂浸入稀土改性剂中浸泡2～5小时，过滤后烘干，得到经过稀土表面改性处理的纳米TiO₂。所述稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.2～2.3％，乙醇93.6～99.34％，乙二胺四乙酸0.03～0.7％，氯化铵0.2～1％，硝酸0.03～0.6％，尿素0.2～1.8％。

2、将处理后的纳米TiO₂与蒸馏水混合，配成纳米TiO₂的重量百分比为1～10％的溶液，放入行星式球磨机中球磨15～65min，转速为120～550r/min；将球磨后的纳米TiO₂放入烘箱中充分烘干后，同聚四氟乙烯粉料进行机械共混，控制纳米TiO₂的重量百分比为混合粉料的3～15％。

3、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30～40MPa，时间为30～50分钟，加压和卸压过程均缓慢进行。

4、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320～330℃，然后再以30℃/小时的速度升温至390℃，保温6～7小时，得到纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料。

本发明得到的纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料，可再通过机械加工，制成纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料试样或零件。

本发明中所述的稀土化合物可以为氯化铈、氧化镧、氧化铈或氯化镧。

所述的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。

本发明采用稀土改性剂、球磨机处理纳米TiO₂，能够更好地提高复合材料的界面结合力，提高纳米TiO₂的分散性，从而更为明显地提高复合材料的摩擦学性能和力学性能，并且稀土改性剂处理工艺方法简单，成本低，对环境无污染。采用经过稀土表面处理的纳米TiO₂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，但不构成对本发明的限定。

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。纳米TiO₂：南京海泰纳米材料有限公司，平均粒径为50～80nm。

1、先对纳米TiO₂进行预处理，将纳米TiO₂在室温下浸入稀土改性剂中，浸泡3小时，过滤后烘干，得到经过稀土表面改性处理的纳米TiO₂。所述稀土改性剂的组分重量百分比为：氯化铈0.8％，乙醇96.75％，乙二胺四乙酸0.3％，氯化铵0.6％，硝酸0.35％，尿素1.2％。

2、将处理后的纳米TiO₂与蒸馏水混合，配成纳米TiO₂的重量百分比为5％的溶液，放入行星式球磨机中球磨40min，转速为150r/min；将球磨后得到的纳米TiO₂放入120℃的烘箱中充分烘干，然后将聚四氟乙烯粉料与纳米TiO₂混合，进行强力机械搅拌，混合粉料中，纳米TiO₂的重量百分比为6.5％，聚四氟乙烯的重量百分比为93.5％。

3、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40MPa，时间为30分钟，加压和卸压过程均缓慢进行。

4、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330℃左右，然后再以30℃/小时的速度升温至390℃左右，保温6小时，得到纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料。

将上述所得纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料机械加工成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0.2，比磨损率为1.05×10-14m3/N.m。

按照GB1040-79标准测得其拉伸强度为36.3MPa。

按照GB/T9341-2000标准测得其弯曲强度为56.3MPa。

实施例2

1、先对纳米TiO₂进行预处理，将纳米TiO₂在室温下浸入稀土改性剂中，浸泡2小时，过滤后烘干，得到经过稀土表面改性处理的纳米TiO₂。所述稀土改性剂的组分重量百分比为：氧化镧1％，乙醇96.9％，乙二胺四乙酸0.2％，氯化铵0.5％，硝酸0.2％，尿素1.2％。

2、将处理后的纳米TiO₂与蒸馏水混合，配成纳米TiO₂的重量百分比为8％的溶液，放入行星式球磨机中球磨50min，转速为230r/min；将球磨后得到的纳米TiO₂放入120℃的烘箱中充分烘干，然后将聚四氟乙烯粉料与纳米TiO₂混合，进行强力机械搅拌，混合粉料中，纳米TiO₂的重量百分比为10％，聚四氟乙烯的重量百分比为90％。

3、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35MPa，时间为40分钟，加压和卸压过程均缓慢进行。

4、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390℃左右，保温6小时，得到纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料。

将上述所得纳米TiO2/聚四氟乙烯复合材料机械加工成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。

按照GB1040-79标准测得其拉伸强度为33.5MPa。

按照GB/T9341-2000标准测得其弯曲强度为52.8MPa。

实施例3

1、先对纳米TiO₂进行预处理，将纳米TiO₂在室温下浸入稀土改性剂中，浸泡5小时，过滤后烘干，得到经过稀土表面改性处理的纳米TiO₂。所述稀土改性剂的组分重量百分比为：氧化铈1.2％，乙醇96％，乙二胺四乙酸0.4％，氯化铵0.6％，硝酸0.5％，尿素1.3％。

2、将处理后的纳米TiO₂与蒸馏水混合，配成纳米TiO₂的重量百分比为10％的溶液，放入行星式球磨机中球磨60min，转速为420r/min；将球磨后得到的纳米TiO₂放入120℃的烘箱中充分烘干，然后将聚四氟乙烯粉料与纳米TiO₂混合，进行强力机械搅拌，混合粉料中，纳米TiO₂的重量百分比为12％，聚四氟乙烯的重量百分比为88％。

3、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30MPa，时间为50分钟，加压和卸压过程均缓慢进行。

4、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330℃左右，然后再以30℃/小时的速度升温至390℃左右，保温7小时，制得纳米TiO₂/聚四氟乙烯耐磨复合材料。

将上述所得纳米TiO2/聚四氟乙烯复合材料机械加工成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1.12×10-14m3/N.m。

按照GB1040-79标准测得其拉伸强度为28.4MPa。

按照GB/T9341-2000标准测得其弯曲强度为49.5MPa。

Claims

1、一种稀土改性纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将纳米TiO₂浸入稀土改性剂中浸泡2～5小时，过滤后烘干；所述稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.2～2.3％，乙醇93.6～99.34％，乙二胺四乙酸0.03～0.7％，氯化铵0.2～1％，硝酸0.03～0.6％，尿素0.2～1.8％；

2)将处理后的纳米TiO₂与蒸馏水混合，配成纳米TiO₂的重量百分比为1～10％的溶液，放入行星式球磨机中球磨15～65min，转速为120～550r/min；将球磨后的纳米TiO₂放入烘箱中充分烘干后，同聚四氟乙烯粉料进行机械共混，控制纳米TiO₂的重量百分比为混合粉料的3～15％；

3)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30～40MPa，时间为30～50分钟，加压和卸压过程均缓慢进行；

4)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320～330℃，然后再以30℃/小时的速度升温至390℃，保温6～7小时，得到纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料。

2、根据权利要求1的稀土改性纳米TiO2/聚四氟乙烯复合材料制备方法，其特征在于所述的稀土化合物为氯化铈、氧化镧、氧化铈或氯化镧。

3、根据权利要求1的稀土改性纳米TiO₂/聚四氟乙烯复合材料制备方法，其特征在于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。