CN103333442A - TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其技术方案是：复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的4-5%、6-8%以及4-5%；将上述基体和填料离子通过冷压烧结法制备得到改性增强型聚四氟乙烯复合材料。本发明通过改性增强型聚四氟乙烯复合材料，具有机械强度高、耐磨性好、导热性好、线膨胀系数较小以及抗静电性能优良的优点，在很大程度上改善聚四氟乙烯材料的力学性能及热稳定性，进一步拓宽其应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，具体涉及一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法。
背景技术
在高分子结构中，氟塑料是一种含有氟原子（F）或氟原子基团的高聚物。 通过类似塑料的成型加工方法，制成型材、单元产品或零件，这些都通称为氟塑料或氟塑料制品。而一般氟塑料聚合物是单体通过共聚或均聚反应合成制得的，这些单体有：含氟单体如四氟乙烯、氟乙烯、六氟丙烯、偏氟乙烯等。它们存在的形式可以是溶液、粒料、粉料等等。通过各种成型工艺制得型材或单元产品，将型材通过二次加工方法得到零部件，这些氟塑料制品以其优异的绝缘性、耐温稳定性、耐腐蚀性、自润滑等性能，被广泛应用于航天航空、电子电气、化工、建筑、机械等领域内。目前世界上有20多家从事氟塑料生产的公司，这些公司主要分布在美国、日本和西欧等国家和地区，其中以杜邦、大金工业、Dyneon、旭硝子、ICI、Ausimont等公司的生产规模为比较大。关于氟塑料的研制、加工和应用等方面，经过40年的发展，中国氟塑料加工行业已经取得了很大的进步，同时，拥有了相当数量的技术专家队伍以及良好的销售网络。随着经济的发展，近些年来，在国内不断引进了国外先进生产设备技术以及所需的新材料，其需求也在不断地扩大，从而氟塑料的加工和生产得到了飞速发展。2001-2003年3年间，中国聚四氟乙烯（ PTFE）树脂的年产量已经从11032 t增长到17914 t，平均每年的增长速度都超过了20%，中国已经成为PTFE制品大国。 氟塑料的成型加工方法有很多，主要有吹塑、注塑、模压、挤压（柱塞挤出、糊膏挤压）、传递模塑、浸渍、喷涂、化学镀等。而聚四氟乙烯( PTFE) 虽然其成型困难，但综合性能非常好，而且占整个氟塑料产量的比重相当大，大约在70%左右，应用于化工、机械、电气电子、汽车等诸多领域。聚四氟乙烯（PTFE）分子结构，决定了PTFE表现出优异的性能，表现主要有： PTFE是具有高度非极性的材料，具有优异的电绝缘性能，极佳的化学稳定性， 摩擦系数小，吸水率非常低，热稳定性优异。宽泛的使用温度，耐老化性能和抗辐射性能优秀。但任何材料都不是完美的，PTFE材料也不例外，PTFE的结构特点决定了它产生了如下一些缺点：较差的受载荷力，机械性能较低。PTFE的机械强度比较小，并且硬度也较低，弹性低，断裂伸长率比较大，耐磨性差，承载能力低，耐蠕变性较差，从而限制了PTFE的应用。
发明内容
本发明提供一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，以解决现有的聚四氟乙烯材料机械性能低、耐磨性差、线膨胀系数较大的缺陷。
本发明是通过以下技术方案实现的：复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的4-5%、6-8%以及4-5%，所述的聚四氟乙烯为150-180目的聚四氟乙烯粉末，所述的纳米二氧化钛粒径为15-30nm，所述的芳纶纤维长度为2-2.5mm、单丝直径8-10μm，所述的玻璃纤维为120-140目的玻璃纤维粉末；所述的纳米二氧化钛需要按照以下方法进行改性：称取1-1.5g硅烷偶联剂混合在80-120g水中；纳米二氧化钛和三乙醇胺按照质量比1：0.5-1混合研磨；称取研磨料15-20g分散到上述含有硅烷偶联剂的水体中，调节PH至8.5-8.8，搅拌3-4小时，然后抽滤、烘干得到改性纳米二氧化钛备用；所述的芳纶纤维需要进行以下预处理：将芳纶纤维在丙酮中浸泡8-10小时，然后分别在水和乙醇中煮沸2-3小时，烘干备用；所述的玻璃纤维需要按照以下方法进行改性：称量1-1.2g 硅烷偶联剂溶解在40-50 ml丙酮中，然后称量3-5g 玻璃纤维置于上述溶液中，在25-30℃温度下搅拌0.5-1小时；然后再70-75℃干燥2-3小时，在110-112℃活化1-1.5小时后备用；复合材料的具体制备步骤如下：
（1）、将改性或预处理后的纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维在高速搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯粉末球磨15-20分钟得到混料；
（2）、将混料以6-8MPa/min的速度加压至70-80MPa并恒压30-40分钟冷压成型，再进行烧结固化成型，在180℃以下时升温速率控制为60-70℃/h，200℃以上为50-60℃/h，最后在365-375℃保温4-5小时，然后以50-55℃/h的降温速率降温至200℃，200℃以下降温速率为65-70℃/h，最终降温至室温，将样品打磨加工，即得到聚四氟乙烯复合材料制品。
上述方案可进一步改进为：
所述的填充离子还包括碳化硅，其占聚四氟乙烯粉末质量的3-4%；所述的碳化硅选用平均粒度为15-20μm的α-SiC颗粒，其在步骤（1）中与其他几种填料离子混合。
所述的α-SiC颗粒混合前需要进行以下预处理：（1）、盐酸酸洗：将SiC颗粒加入到质量分数15-18%的盐酸中，并在28-30℃下浸泡4-5小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；（2）、高温氧化：将步骤（1）烘干得到的SiC颗粒950-980℃下氧化5小时，冷却后备用；（3）、硝酸盐敏化：将步骤（2）冷却得到的SiC颗粒在质量分数20-22%的硝酸镁溶液中浸泡3小时，然后在3小时内用质量分数10-20%的氨水滴定溶液PH至为9.2为止，过滤并在420℃下烘干备用。
所述的纳米二氧化钛改性的硅烷偶联剂是KH-560，所述的玻璃纤维改性的硅烷偶联剂是KH-550。
本发明的原理是：
（1）通过在聚四氟乙烯中加入硬颗粒SiC，不仅可以改善PTFE的尺寸热稳定性、机械性能以及耐磨性，而且还可以提高PTFE材料的耐热性和抗蠕变性能，并能够降低热膨胀系数。
（2）由于纤维高强度和刚度以及良好的导热性，利用这些优点，将芳纶纤维和玻璃纤维复合到PTFE基体中，提高聚合物PTFE的摩擦性能和机械性能。研究表明，由于基体与其它材料接触发生摩擦而产生磨损时，纤维能起到很好的承载作用，会在对偶件表面形成均匀连续的转移膜，从而复合材料的耐磨性得到了显著提高。
（3）纳米二氧化钛（TiO2）具有特有的纳米尺寸效应、大的比表面积、与聚合物有着较强的界面相互作用，其能够与芳纶纤维、玻璃纤维相结合填充PTFE，起到协同作用，TiO2能够提高复合材料的承载能力，弥补纤维组分填充不到的贫瘠纤维区，从而提高复合材料的耐磨性能。
本发明通过改性增强型聚四氟乙烯复合材料，具有机械强度高、耐磨性好、导热性好、线膨胀系数较小的优点，在很大程度上改善聚四氟乙烯材料的力学性能及热稳定性，进一步拓宽其应用领域。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的4%、8%以及5%，聚四氟乙烯为150目的聚四氟乙烯粉末，纳米二氧化钛粒径为15nm，芳纶纤维长度为2mm、单丝直径8μm，玻璃纤维为120目的玻璃纤维粉末；纳米二氧化钛需要按照以下方法进行改性：称取1g硅烷偶联剂KH560混合在80g水中；纳米二氧化钛和三乙醇胺按照质量比1：0.5混合研磨；称取研磨料15g分散到上述含有硅烷偶联剂的水体中，调节PH至8.5，搅拌3小时，然后抽滤、烘干得到改性纳米二氧化钛备用；芳纶纤维需要进行以下预处理：将芳纶纤维在丙酮中浸泡8小时，然后分别在水和乙醇中煮沸2小时，烘干备用；所述的玻璃纤维需要按照以下方法进行改性：称量1g 硅烷偶联剂KH-550溶解在40 ml丙酮中，然后称量3g 玻璃纤维置于上述溶液中，在25℃温度下搅拌1小时；然后再70℃干燥3小时，在110℃活化1.5小时后备用；复合材料的具体制备步骤如下：
（1）、将改性或预处理后的纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维在高速搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯粉末球磨15分钟得到混料；
（2）、将混料以6MPa/min的速度加压至70MPa并恒压30分钟冷压成型，再进行烧结固化成型，在180℃以下时升温速率控制为60℃/h，200℃以上为50℃/h，最后在365℃保温4小时，然后以50℃/h的降温速率降温至200℃，200℃以下降温速率为65℃/h，最终降温至室温，将样品打磨加工，即得到聚四氟乙烯复合材料制品。
实施例2
一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的5%、8%以及4%，聚四氟乙烯为180目的聚四氟乙烯粉末，纳米二氧化钛的粒径为30nm，芳纶纤维长度为2.5mm、单丝直径10μm，玻璃纤维为140目的玻璃纤维粉末；纳米二氧化钛需要按照以下方法进行改性：称取1.5g硅烷偶联剂混合在120g水中；纳米二氧化钛和三乙醇胺按照质量比1：1混合研磨；称取研磨料20g分散到上述含有硅烷偶联剂的水体中，调节PH至8.8，搅拌4小时，然后抽滤、烘干得到改性纳米二氧化钛备用；芳纶纤维需要进行以下预处理：将芳纶纤维在丙酮中浸泡10小时，然后分别在水和乙醇中煮沸3小时，烘干备用；玻璃纤维需要按照以下方法进行改性：称量1.2g 硅烷偶联剂KH-550溶解在50 ml丙酮中，然后称量5g 玻璃纤维置于上述溶液中，在30℃温度下搅拌0.5小时；然后再75℃干燥2小时，在112℃活化1小时后备用；复合材料的具体制备步骤如下：
（1）、将改性或预处理后的纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维在高速搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯粉末球磨20分钟得到混料；
（2）、将混料以8MPa/min的速度加压至80MPa并恒压40分钟冷压成型，再进行烧结固化成型，在180℃以下时升温速率控制为70℃/h，200℃以上为60℃/h，最后在375℃保温5小时，然后以55℃/h的降温速率降温至200℃，200℃以下降温速率为70℃/h，最终降温至室温，将样品打磨加工，即得到聚四氟乙烯复合材料制品。
实施例3
一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的5%、8%以及5%，聚四氟乙烯为150目的聚四氟乙烯粉末，纳米二氧化钛的粒径为20nm，芳纶纤维长度为2mm、单丝直径8μm，玻璃纤维为120目的玻璃纤维粉末；填充离子还包括碳化硅，其占聚四氟乙烯粉末质量的4%；碳化硅选用平均粒度为15μm的α-SiC颗粒；纳米二氧化钛需要按照以下方法进行改性：称取1g硅烷偶联剂混合在120g水中；纳米二氧化钛和三乙醇胺按照质量比1：0.5混合研磨；称取研磨料20g分散到上述含有硅烷偶联剂的水体中，调节PH至8.8，搅拌3小时，然后抽滤、烘干得到改性纳米二氧化钛备用；芳纶纤维需要进行以下预处理：将芳纶纤维在丙酮中浸泡8小时，然后分别在水和乙醇中煮沸2小时，烘干备用；玻璃纤维需要按照以下方法进行改性：称量1g 硅烷偶联剂KH-550溶解在40 ml丙酮中，然后称量3g 玻璃纤维置于上述溶液中，在25℃温度下搅拌1小时；然后再70℃干燥3小时，在110℃活化1.5小时后备用；α-SiC颗粒混合前需要进行以下预处理：（1）、盐酸酸洗：将SiC颗粒加入到质量分数18%的盐酸中，并在30℃下浸泡4小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6为止，烘干后备用；（2）、高温氧化：将步骤（1）烘干得到的SiC颗粒980℃下氧化5小时，冷却后备用；（3）、硝酸盐敏化：将步骤（2）冷却得到的SiC颗粒在质量分数22%的硝酸镁溶液中浸泡3小时，然后在3小时内用质量分数20%的氨水滴定溶液PH至为9.2为止，过滤并在420℃下烘干备用。复合材料的具体制备步骤如下：
（1）、将改性或预处理后的纳米二氧化钛、芳纶纤维、玻璃纤维以及α-SiC颗粒在高速搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯粉末球磨15分钟得到混料；
（2）、将混料以6MPa/min的速度加压至80MPa并恒压30分钟冷压成型，再进行烧结固化成型，在180℃以下时升温速率控制为60℃/h，200℃以上为50℃/h，最后在365℃保温4小时，然后以50℃/h的降温速率降温至200℃，200℃以下降温速率为65℃/h，最终降温至室温，将样品打磨加工，即得到聚四氟乙烯复合材料制品。
实施例4
一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的4%、8%以及4%，聚四氟乙烯为180目的聚四氟乙烯粉末，纳米二氧化钛粒径为30nm，芳纶纤维长度为2.5mm、单丝直径10μm，玻璃纤维为140目的玻璃纤维粉末；填充离子还包括碳化硅，其占聚四氟乙烯粉末质量的3%；碳化硅选用平均粒度为20μm的α-SiC颗粒；纳米二氧化钛需要按照以下方法进行改性：称取1.5g硅烷偶联剂混合在80g水中；纳米二氧化钛和三乙醇胺按照质量比1：1混合研磨；称取研磨料15g分散到上述含有硅烷偶联剂的水体中，调节PH至8.5，搅拌3小时，然后抽滤、烘干得到改性纳米二氧化钛备用；芳纶纤维需要进行以下预处理：将芳纶纤维在丙酮中浸泡10小时，然后分别在水和乙醇中煮沸3小时，烘干备用；玻璃纤维需要按照以下方法进行改性：称量1.2g 硅烷偶联剂KH-550溶解在50 ml丙酮中，然后称量5g 玻璃纤维置于上述溶液中，在30℃温度下搅拌0.5小时；然后再75℃干燥2小时，在112℃活化1小时后备用；α-SiC颗粒混合前需要进行以下预处理：（1）、盐酸酸洗：将SiC颗粒加入到质量分数15%的盐酸中，并在28℃下浸泡4小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为7为止，烘干后备用；（2）、高温氧化：将步骤（1）烘干得到的SiC颗粒950℃下氧化5小时，冷却后备用；（3）、硝酸盐敏化：将步骤（2）冷却得到的SiC颗粒在质量分数20%的硝酸镁溶液中浸泡3小时，然后在3小时内用质量分数10%的氨水滴定溶液PH至为9.2为止，过滤并在420℃下烘干备用。复合材料的具体制备步骤如下：
（1）、将改性或预处理后的纳米二氧化钛、芳纶纤维、玻璃纤维以及α-SiC颗粒在高速搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯粉末球磨20分钟得到混料；
（2）、将混料以8MPa/min的速度加压至70MPa并恒压40分钟冷压成型，，再进行烧结固化成型，在180℃以下时升温速率控制为70℃/h，200℃以上为60℃/h，最后在375℃保温5小时，然后以55℃/h的降温速率降温至200℃，200℃以下降温速率为70℃/h，最终降温至室温，将样品打磨加工，即得到聚四氟乙烯复合材料制品。
为了提高填料离子在聚合物PTFE基体中的分散性，以及与PTFE的亲和力， 实施例1-4的填料离子（纳米二氧化钛以及玻璃纤维）采用偶联剂进行表面改性，提高填料离子与聚合物基体的连接紧密度。
试验证明，实施例1-4制备的复合材料摩擦系数为0.18-0.24，磨损率为0.10-0.12×10-6cm3/N·m，而纯PTFE的摩擦系数约为0.18，磨损率约为9×10-6cm3/N·m，相比较可知，本材料的摩擦系数与纯PTFE相近，但是耐磨性明显提高，磨损量大大降低。复合材料的导热系数为0.60-0.75 W/m*K，与纯PTFE的导热系数0.25-0.3W/m*K相比，提高了一倍多；同时本复合材料的平均机械性能指标为：拉伸强度34.2Mpa，冲击强度25.4kj/cm2，硬度63.4HRL，分别比纯PTFE提高了8%、53%和50%，通过以上对比，本复合材料的机械性能大幅度提高，尤其是实施例3和4制备的复合材料各项机械性能尤佳（拉伸强度37.8Mpa，冲击强度28.9kj/cm2，硬度68.3HRL）。本发明制备的复合材料机械性能高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和抗磨耐磨性，并且制备比较容易、成本低而且增强相（填料离子）在基体内弥散分布且具有各向同性，适用于各种复杂应力状态。
Claims (4)
1.一种TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，复合材料基体为聚四氟乙烯，填充离子包括纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维，其中纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维的质量分别占聚四氟乙烯粉末质量的4-5%、6-8%以及4-5%，所述的聚四氟乙烯为150-180目的聚四氟乙烯粉末，所述的纳米二氧化钛粒径为15-30nm，所述的芳纶纤维长度为2-2.5mm、单丝直径8-10μm，所述的玻璃纤维为120-140目的玻璃纤维粉末；所述的纳米二氧化钛需要按照以下方法进行改性：称取1-1.5g硅烷偶联剂混合在80-120g水中；纳米二氧化钛和三乙醇胺按照质量比1：0.5-1混合研磨；称取研磨料15-20g分散到上述含有硅烷偶联剂的水体中，调节PH至8.5-8.8，搅拌3-4小时，然后抽滤、烘干得到改性纳米二氧化钛备用；所述的芳纶纤维需要进行以下预处理：将芳纶纤维在丙酮中浸泡8-10小时，然后分别在水和乙醇中煮沸2-3小时，烘干备用；所述的玻璃纤维需要按照以下方法进行改性：称量1-1.2g 硅烷偶联剂溶解在40-50 ml丙酮中，然后称量3-5g 玻璃纤维置于上述溶液中，在25-30℃温度下搅拌0.5-1小时；然后再70-75℃干燥2-3小时，在110-112℃活化1-1.5小时后备用；复合材料的具体制备步骤如下：
（1）、将改性或预处理后的纳米二氧化钛、芳纶纤维以及玻璃纤维在高速搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯粉末球磨15-20分钟得到混料；
（2）、将混料以6-8MPa/min的速度加压至70-80MPa并恒压30-40分钟冷压成型，再进行烧结固化成型，在180℃以下时升温速率控制为60-70℃/h，200℃以上为50-60℃/h，最后在365-375℃保温4-5小时，然后以50-55℃/h的降温速率降温至200℃，200℃以下降温速率为65-70℃/h，最终降温至室温，将样品打磨加工，即得到聚四氟乙烯复合材料制品。
2.根据权利要求1所述的TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的填充离子还包括碳化硅，其占聚四氟乙烯粉末质量的3-4%；所述的碳化硅选用平均粒度为15-20μm的α-SiC颗粒，其在步骤（1）中与其他几种填料离子混合。
3.根据权利要求2所述的TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的α-SiC颗粒混合前需要进行以下预处理：（1）、盐酸酸洗：将SiC颗粒加入到质量分数15-18%的盐酸中，并在28-30℃下浸泡4-5小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；（2）、高温氧化：将步骤（1）烘干得到的SiC颗粒950-980℃下氧化5小时，冷却后备用；（3）、硝酸盐敏化：将步骤（2）冷却得到的SiC颗粒在质量分数20-22%的硝酸镁溶液中浸泡3小时，然后在3小时内用质量分数10-20%的氨水滴定溶液PH至为9.2为止，过滤并在420℃下烘干备用。
4.根据权利要求1-3任一所述的TiO2-SiC-纤维填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米二氧化钛改性的硅烷偶联剂是KH-560，所述的玻璃纤维改性的硅烷偶联剂是KH-550。
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