CN104558983B - 有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法 - Google Patents

有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车发动机密封领域，旨在提供一种有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法。该方法包括有机膨润土改性和PTFE油封制备两个步骤，制得的油封材料中各组分的质量百分比：聚四氟乙烯85‑95％；有机膨润土5‑15％；有机膨润土是以阳离子表面活性剂单链烷基季铵盐R‑N(CH3)3+改性后得到的有机膨润土，其R基团的碳数不小于10，有机膨润土层间距d(001)不小于2nm。本发明优点：具有好的亲油性，与PTFE极性相近，因此在PTFE中分散均匀，制备的复合材料性能稳定；膨润土容易被剥离成纳米片状结构，对PTFE有纳米增强作用。磨耗量低，摩擦系数小，力学性能好，不开裂，不磨损对偶件，能在油封领域起到很好的应用。

Description

有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法
技术领域
本发明属于汽车发动机密封领域，具体涉及一种有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，用户对发动机可靠性、密封性要求越来越高，并随着发动机转度不断提高，其所使用的油封尤其是旋转轴油封承受的工况也愈来愈苛刻。四氟乙烯油封(PTFE油封)是一种技术含量较高的产品，在国外20世纪80年代就开始研制，而在我国还刚处于起步阶段，但已逐渐应用在国内中高档轿车上。
聚四氟乙烯油封虽然具有好的性能，但仅以纯PTFE来制备是不合适的，因为纯PTFE易磨损，蠕变大，如果直接采用它来制造油封，则加工出来的油封唇口与轴的随动性差，难以满足高速、大功率、重负荷柴油机的使用要求，因此在实际中需要对PTFE进行填充改性。目前常用的填充剂主要为玻璃纤维、MoS2、石墨粉等，但是，这种填充剂改性获得的PTFE油封材料存在以下的缺陷：填充剂与PTFE极性相差较大，填充剂在PTFE中分布不均匀，制备的复合材料性能不稳定；填充剂添加比例大，油封力学性能不好，脆性大，韧性差，容易开裂；油封摩擦系数大，对对偶件磨损大，容易造成泄漏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法。本发明是以有机膨润土作为填充材料对PTFE进行改性，以增强PTFE耐磨性能和抗蠕变性能，开发高性能PTFE油封。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
本发明提供了一种有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、有机膨润土改性：
(1)将粒径≤44μm的市售钠基膨润土加入水中制成质量百分比为10％的悬浮液，室温下搅拌活化30分钟，使矿粉在水中充分分散；
(2)加热悬浮液至80℃后，加入表面活性剂单链烷基季铵盐R-N(CH3)3 +，表面活性剂与膨润土的质量比为5～10∶100；反应90分钟后，冷却至室温；
(3)过滤除水，对过滤所得的固体使用去离子水洗涤3次，以除去剩余的表面活性剂；
(4)洗涤后的固体在105℃条件下烘干，磨碎，即得到改性后的有机膨润土；
步骤二、PTFE油封制备：
(1)按照质量百分比关系为聚四氟乙烯85-95％、有机膨润土5-15％的要求，称取油封材料组分放入搅拌机；在10℃以下环境温度中，先按≤30转/分钟的速度搅拌5分钟，后按≥200转/分钟的速度搅拌10分钟，使原料混合均匀，同时避免聚四氟乙烯结团；
(2)将混料加入到模压机中室温模压，压力25～30MPa，保压时间3～5分钟；
(3)将模压后的混料放入高温炉中烧结，烧结过程控制：室温到330℃升温5h，330℃保温0.5h，330℃到370℃升温1h，370℃保温3h，370℃到220℃降温4h，220℃自然冷却到室温；
(4)根据需要的造型，使用车床对烧结后的复合材料进行加工，制成符合要求的油封材料。
本发明中，改性后的有机膨润土，其R基团的碳数不小于10，有机膨润土层间距d(001)不小于2nm。
本发明中，制备获得的油封材料中各组分的质量百分比如下：聚四氟乙烯85-95％；有机膨润土5-15％；油封材料的油封磨耗量≤6mg，摩擦系数≤0.18，拉伸强度≥15MPa，断裂伸长率≥150％。
本发明的实现原理：
有机膨润土是一种无机矿物/有机铵复合物，以膨润土为原料，利用膨润土中蒙脱石的层片状结构及其能在水或有机溶剂中溶胀分散成胶体级粘粒特性，通过离子交换技术插入有机覆盖剂而制成的。目前，研究与应用最多的是以单链烷基季胺盐R-N(CH3)3 +为代表的阳离子表面活性剂改性得到的有机膨润土，而根据季胺盐阳离子烷基链(R-)的长短，有机膨润土还可分为长碳链有机膨润土(表面活性剂R-基通常为含有10-、12-、14-、16-、18-碳的烷基链)和短碳链有机膨润土(R-基通常为甲基、乙基、苯基、苄基等)这两类。长碳链有机膨润土由于烷基链较长，膨润土层片状之间被撑开的间隙也较大，因此在实际应用过程中，这类膨润土容易被剥离成纳米厚度的片状膨润土结构，能对其基底材料起到纳米增强作用。
本发明提供的有机膨润土改性聚四氟乙烯油封，可用于汽车发动机油封领域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明有机膨润土采用R基团碳数不小于10的季铵盐(R-N(CH3)3 +)改性，具有好的亲油性，与PTFE极性相近，因此在PTFE中分散均匀，制备的复合材料性能稳定；
(2)本发明有机膨润土层与层之间d(001)间隙较大(≥2nm)，在PTFE复合材料烧结过程中，随着长碳链有机组份的烧蚀和PTFE的熔融渗透，膨润土容易被剥离成纳米片状结构，对PTFE有纳米增强作用。
(3)本发明有机膨润土改性PTFE油封磨耗量低，摩擦系数小，力学性能好，不开裂，不磨损对偶件，能在油封领域起到很好的应用。
具体实施方式
实施例1
有机膨润土改性PTFE油封材料中各组分的的质量百分比如下：
聚四氟乙烯95％；
有机膨润土5％；
其中，有机膨润土为以C-10单链烷基季铵盐(C10H21-N(CH3)3 +)阳离子表面活性剂改性得到的有机膨润土。
有机膨润土改性PTFE油封材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)有机膨润土改性：
a、将市售钠基膨润土(粒径44μm)制成质量百分数为10％的悬浮液，搅拌活化30分钟，使矿粉在水中充分分散；b、加热悬浮液至80℃，加入C10H21-N(CH3)3 +表面活性剂(与膨润土质量比为5:100)，反应90分钟后，冷却至室温；c、过滤除水，固体使用去离子水洗涤3次，除去剩余的表面活性剂；d、105℃烘干固体，磨碎，即为有机膨润土，膨润土层间距d(001)＝2.51nm。
(2)有机膨润土改性PTFE油封制备：
a.按照配方要求，称取一定量PTFE和有机膨润土放入高速搅拌机中，于10℃以下环境温度中先低速搅拌(30转/分钟)5分钟，后高速搅拌(200转/分钟)10分钟，使原料混合均匀，同时避免PTFE结团；b、将混合后的粉体加入到模压机中，室温模压，压力25MPa，保压时间3分钟；c、将模压后混合材料放入高温炉中烧结，烧结工艺为：室温到330℃升温5h，330℃保温0.5h，330℃到370℃升温1h，370℃保温3h，370℃到220℃降温4h，220℃自然冷却到室温；d、使用精密车床对PTFE复合材料进行加工，制备成合适要求的油封材料，其性能为：
磨耗量6mg(GB/T 3960-1983)，摩擦系数0.17(GB/T 3960-1983)，拉伸强度25MPa(HGT 2902-1997)，断裂伸长率250％(HGT 2902-1997)。
实施例2
有机膨润土改性PTFE油封材料中各组分的的质量百分比如下：
聚四氟乙烯90％；
有机膨润土10％；
其中，有机膨润土为以C-12单链烷基季铵盐(C12H25-N(CH3)3 +)阳离子表面活性剂改性得到的一类有机膨润土。
有机膨润土改性PTFE油封材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)有机膨润土改性：
a、将市售钠基膨润土(粒径20μm)制成质量百分数为10％的悬浮液，搅拌活化30分钟，使矿粉在水中充分分散；b、加热悬浮液至80℃，加入C12H25-N(CH3)3 +表面活性剂(与膨润土质量比为8:100)，反应90分钟后，冷却至室温；c、过滤除水，固体使用去离子水洗涤3次，除去剩余的表面活性剂；d、105℃烘干固体，磨碎，即为有机膨润土，膨润土层间距d(001)＝2.67nm。
(2)有机膨润土改性PTFE油封制备：
a.按照配方要求，称取一定量PTFE和有机膨润土放入高速搅拌机中，于10℃以下环境温度中先低速搅拌(30转/分钟)5分钟，后高速搅拌(300转/分钟)10分钟，使原料混合均匀，同时避免PTFE结团；b、将混合后的粉体加入到模压机中，室温模压，压力30MPa，保压时间5分钟；c、将模压好后混合材料放入高温炉中烧结，烧结工艺为：室温到330℃升温5h，330℃保温0.5h，330℃到370℃升温1h，370℃保温3h，370℃到220℃降温4h，220℃自然冷却到室温；d、使用精密车床对PTFE复合材料进行加工，制备成合适要求的油封材料，其性能为：
磨耗量5.1mg(GB/T 3960-1983)，摩擦系数0.18(GB/T 3960-1983)，拉伸强度17MPa(HGT 2902-1997)，断裂伸长率185％(HGT 2902-1997)。
实施例3
有机膨润土改性PTFE油封材料中各组分的的质量百分比如下：
聚四氟乙烯85％；
有机膨润土15％；
其中，有机膨润土为以C-16单链烷基季铵盐(C18H37-N(CH3)3 +)为代表的阳离子表面活性剂改性得到的一类有机膨润土。
有机膨润土改性PTFE油封材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)有机膨润土改性：
a、将市售钠基膨润土(粒径15μm)制成质量百分数为10％的悬浮液，搅拌活化30分钟，使矿粉在水中充分分散；b、加热悬浮液至80℃，加入C18H37-N(CH3)3 +表面活性剂(与膨润土质量比为10:100)，反应90分钟后，冷却至室温；c、过滤除水，固体使用去离子水洗涤3次，除去剩余的表面活性剂；d、105℃烘干固体，磨碎，即为有机膨润土，膨润土层间距d(001)＝2.88nm。
(2)有机膨润土改性PTFE油封制备：
a.按照配方要求，称取一定量PTFE和有机膨润土放入高速搅拌机中，于10℃以下环境温度中先低速搅拌(30转/分钟)5分钟，后高速搅拌(300转/分钟)10分钟，使原料混合均匀，同时避免PTFE结团；b、将混合后的粉体加入到模压机中，室温模压，压力28MPa，保压时间4分钟；c、将模压好后混合材料放入高温炉中烧结，烧结工艺为：室温到330℃升温5h，330℃保温0.5h，330℃到370℃升温1h，370℃保温3h，370℃到220℃降温4h，220℃自然冷却到室温；d、使用精密车床对PTFE复合材料进行加工，制备成合适要求的油封材料，其性能为：
磨耗量4.2mg(GB/T 3960-1983)，摩擦系数0.18(GB/T 3960-1983)，拉伸强度15MPa(HGT 2902-1997)，断裂伸长率150％(HGT 2902-1997)。
本发明中的有机膨润土改性PTFE油封材料耐磨性好、摩擦系数低、力学性能高。下面通过对比数据予以验证：
对比实施例1
制备过程同于实施例1，膨润土未做改性。
经检测，油封材料的性能数据如下：
层间距d(001)＝1.23nm，PTFE油封材料性能为：磨耗量12.0mg(GB/T 3960-1983)，摩擦系数0.19(GB/T 3960-1983)，拉伸强度20MPa(HGT 2902-1997)，断裂伸长率195％(HGT 2902-1997)。
对比实施例2
制备过程同于实施例2，膨润土改性剂为C8H11-N(CH3)3 +表面活性剂。
经检测，油封材料的性能数据如下：
层间距d(001)＝1.81nm,PTFE油封材料性能为：磨耗量8.1mg(GB/T 3960-1983)，摩擦系数0.21(GB/T 3960-1983)，拉伸强度14MPa(HGT 2902-1997)，断裂伸长率138％(HGT 2902-1997)。
最后，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种有机膨润土改性聚四氟乙烯油封材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、有机膨润土改性：
(1)将粒径≤44μm的市售钠基膨润土加入水中制成质量百分比为10％的悬浮液，室温下搅拌活化30分钟，使矿粉在水中充分分散；
(2)加热悬浮液至80℃后，加入表面活性剂单链烷基季铵盐R-N(CH3)3 +，表面活性剂与膨润土的质量比为5～10∶100；反应90分钟后，冷却至室温；
(3)过滤除水，对过滤所得的固体使用去离子水洗涤3次，以除去剩余的表面活性剂；
(4)洗涤后的固体在105℃条件下烘干，磨碎，即得到改性后的有机膨润土；改性后的有机膨润土，其R基团的碳数不小于10，有机膨润土层间距d(001)不小于2nm；
步骤二、PTFE油封制备：
(1)按照质量百分比关系为聚四氟乙烯85-95％、有机膨润土5-15％的要求，称取油封材料组分放入搅拌机；在10℃以下环境温度中，先按≤30转/分钟的速度搅拌5分钟，后按≥200转/分钟的速度搅拌10分钟，使原料混合均匀，同时避免聚四氟乙烯结团；
(2)将混料加入到模压机中室温模压，压力25～30MPa，保压时间3～5分钟；
(3)将模压后的混料放入高温炉中烧结，烧结过程控制：室温到330℃升温5h，330℃保温0.5h，330℃到370℃升温1h，370℃保温3h，370℃到220℃降温4h，220℃自然冷却到室温；
(4)根据需要的造型，使用车床对烧结后的复合材料进行加工，制成符合要求的油封材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备获得的油封材料中各组分的质量百分比如下：聚四氟乙烯85-95％；有机膨润土5-15％；油封材料的油封磨耗量≤6mg，摩擦系数≤0.18，拉伸强度≥15MPa，断裂伸长率≥150％。
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