CN104893191A - 一种聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法，按照重量份数配比称取聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅、玻璃纤维、LCP、偶联剂、石墨、二硫化钼、GF、阻燃剂、UHMWPA、POM为、PC和纳米二氧化钛，混合后挤出即可；产品拉伸强度27-32MPa，断裂伸长率300-320%；邵氏硬度60-80，磨耗量0.001-0.005mg；相对密度2.6-2.8，磨痕宽度3.4-3.5mm/h。

Description

一种聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法

技术领域

本申请属于聚四氟乙烯制备领域，尤其涉及一种聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法。

背景技术

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料。聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万（聚合度在10^4数量级，而聚乙烯仅在10^3）。一般结晶度为90～95%，熔融温度为327～342℃。聚四氟乙烯分子中CF2单元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较氢稍大，所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度低于19℃时，形成13/6螺旋；在19℃发生相变，分子稍微解开，形成15/7螺旋。聚四氟乙烯具有极高的耐化学腐蚀性能，例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于绝大多数的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g/100g）。聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐候性。聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水存在下搅拌进行的，用以分散反应热，并便于控制温度。聚合一般在40～80℃，3～26千克力/厘米2压力下进行，可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂，也可以用氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热171.38kJ。分散聚合须添加全氟型的表面活性剂，例如全氟辛酸或其盐类。

聚四氟乙烯被称“塑料王”，氟树脂之父罗伊·普朗克特1936 年在美国杜邦公司开始研究氟利昂的代用品，他们收集了部分四氟乙烯储存于钢瓶中，准备第二天进行下一步的实验，可是当第二天打开钢瓶减压阀后，却没有气体溢出，他们以为是漏气，可是将钢瓶称量时，发现钢瓶并没有减重。他们锯开了钢瓶，发现了大量的白色粉末，这是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有一系列优良的使用性能：耐高温—长期使用温度200~260度，耐低温—在-100度时仍柔软；耐腐蚀—能耐王水和一切有机溶剂；耐气候—塑料中最佳的老化寿命；高润滑—具有塑料中最小的摩擦系数（0.04）；不粘性—具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害—具有生理惰性；优异的电气性能，是理想的C级绝缘材料，报纸厚的一层就能阻挡1500V的高压；比冰还要光滑。聚四氟乙烯材料，广泛应用在国防军工、原子能、石油、无线电、电力机械、化学工业等重要部门。产品：聚四氟四乙烯棒材、管料、板材、车削板材。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。结构式为：CF3(CF2CF2)nCF3。20世纪30年代末期发现，40年代投入工业生产。性质 聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上。虽然在全氟碳化合物中碳-碳键和碳-氟键的断裂需要分别吸收能量346.94和484.88kJ/mol，但聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量171.38kJ。所以在高温裂解时，聚四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯。聚四氟乙烯在260、370和420℃时的失重速率（%）每小时分别为1×10-4.4×10-3和9×10-2。可见，聚四氟乙烯可在 260℃长期使用。由于高温裂解时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等，所以要特别注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。粉状树脂常采用粉末冶金法成型，使用烧结方法。烧结温度360-375度，不可超过410度。乳液树脂通常用冷挤出再烧结的工艺加工，可在物品表面形成防腐层。如需要求制品透明性，韧性好，应采取快速冷却。也可采取挤压成型，可以挤出管、棒、型材。聚四氟乙烯在原子能、国防、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、金属表面处理、制药、医疗、纺织、食品、冶金冶炼等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料，绝缘材料，防粘涂层等，，使之成为不可取代的产品。聚四氟乙烯具有杰出的优良综合性能，耐高温，耐腐蚀、不粘、自润滑、优良的介电性能、很低的摩擦系数。用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、带、板、薄膜等，一般应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。在PTFE中加入任何可以承受PTFE烧结温度的填充剂，机械性能可获得大大的改善，同时保持PTFE其它优良性能。填充的品种有玻璃纤维、金属、金属化氧化物、石墨、二硫化钼、碳纤纤、聚酰亚胺、EKONOL…等，耐磨耗、极限PV值可提高1000倍。

中文商品名“特氟隆”（teflon)、“特氟龙”、“特富隆”、“泰氟龙”等。它是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，其结构简式为 -[-CF2-CF2-]n- ，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，除熔融碱金属、三氟化氯、五氟化氯和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化，广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的场合。有密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化能力、耐温优异（能在+250℃至-180℃的温度下长期工作）。聚四氟乙烯本身对人没有毒性。聚四氟乙烯受载时容易出现蠕变现象，是典型的具有冷流性的塑料。PTFE的蠕变随压缩应力、温度和结晶度的不同而异，温度越高则蠕变越大。PTFE的结晶度在55%一80%之间，蠕变量不超过2%;当结晶度在55%以下和80%以上时，蠕变量迅速增大。聚四氟乙烯力学性能方面优异的特性是摩擦因数小，在0. 01一0. 10之间，在现有塑料材料，乃至所有工程材料中最小。PTFE的摩擦因数随滑动速率的增大而增大，当线速度达到0. 5一1. 0m/s以上时趋于稳定;而且静摩擦因数小于动摩擦因数，将这种特性用于轴承制造，可减小其起动阻力，使之从起动到运转都十分平稳。PTFE的摩擦因数随随载荷增加而减小，当载荷达到0. 8 MPa以上时趋于恒定。在高速、高载荷下，PTFE的摩擦因数低于0. 01。从超低温到PTFE熔点，其摩擦因数几乎不变，只有在表面温度高于熔点时，摩擦因数为才急剧增大。聚四氟乙烯管材选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂经柱塞挤压加工制成。在已知塑料中聚四氟乙烯具有最好的耐化学腐蚀性能及介电性能。聚四氟乙烯编织盘根是一种良好的动密封材料，是由膨体聚四氯乙烯带条编织而成，具有低摩擦系数、耐磨、耐化学腐蚀、密封性良好、不水解、不变硬等优良性能。用于各种介质中工作的衬垫密封件和润滑材料，以及在各种频率下使用的电绝缘件、电容器介质、导线绝缘、电器仪表绝缘等。聚四氟乙烯 薄膜适用于作电容器介质、 特种电缆的绝缘层、导线绝缘、电器仪表绝缘及密封衬垫，还可做不粘带、密封带、脱模、密封圈等。 此外，生活中用的不粘锅的内衬也使用聚四氟乙烯制作的，就是利用了聚四氟乙烯耐高温，不粘的特点。

它的产生解决了化工、石油、制药等领域的许多问题。聚四氟乙烯密封件、垫圈、垫片. 聚四氟乙烯密封件、垫片、密封垫圈是选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂模塑加工制成。聚四氟乙烯与其他塑料相比具有耐化学腐蚀的特点，它已被广泛地应用作为密封材料和填充材料。分散液可用作各种材料的绝缘浸渍液和金属、玻璃、陶器表面的防腐涂层等。各种聚四氟圈、聚四氟垫片、聚四氟盘根等广泛用于各类防腐管道法兰密封。此外，也可以用于抽丝，聚四氟乙烯纤维——氟纶（国外商品名为特氟纶）。而随着人性化理念的普及，及新型和谐社会的构成，设计一种磨耗量低、拉伸强度高和断裂伸长率高的聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法是非常必要的。

发明内容

解决的技术问题：

本申请针对上述技术问题，提供一种聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法，解决现有聚四氟乙烯磨耗量高、拉伸强度低和断裂伸长率低等技术问题。

技术方案：

一种聚四氟乙烯耐磨材料，所述聚四氟乙烯耐磨材料的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；三氧化二铝3-7份；青铜粉20-40份；二氧化硅1.5-5.5份；玻璃纤维10-30份；LCP15-35份；偶联剂4-16份；石墨4-6份；二硫化钼5-25份；GF为10-20份；阻燃剂0.1-2份；UHMWPA为5-25份；POM为40-60份；PC15-25份；纳米二氧化钛为2-8份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述聚四氟乙烯耐磨材料的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；三氧化二铝4-6份；青铜粉25-35份；二氧化硅2.5-4.5份；玻璃纤维15-25份；LCP20-30份；偶联剂6-12份；石墨4.5-5.5份；二硫化钼10-20份；GF为14-16份；阻燃剂0.5-1.5份；UHMWPA为10-20份；POM为45-55份；PC18-22份；纳米二氧化钛为3-7份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述聚四氟乙烯耐磨材料的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；三氧化二铝5份；青铜粉30份；二氧化硅3.5份；玻璃纤维20份；LCP25份；偶联剂10份；石墨5份；二硫化钼15份；GF为15份；阻燃剂1份；UHMWPA为15份；POM为50份；PC20份；纳米二氧化钛为5份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述偶联剂采用偶联剂KH-550或钛酸酯偶联剂。

作为本发明的一种优选技术方案：所述阻燃剂采用聚磷酸铵或三氧化二锑。

作为本发明的一种优选技术方案：所述聚四氟乙烯耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：按照重量份数配比称取聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅、玻璃纤维、LCP、偶联剂、石墨、二硫化钼、GF、阻燃剂、UHMWPA、POM为、PC和纳米二氧化钛；

第二步：将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至50-70℃，搅拌20-40min，搅拌速度100-200r/min；

第三步：加入剩余原料，升温至70-90℃，搅拌30-50min，搅拌速度200-400r/min；

第四步：将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速50-60r/min；

第五步：型坯预压，压力45-65MPa，保压30-50s，烧结成型：370-390℃，保温1h。

 有益效果：

本发明所述一种聚四氟乙烯耐磨材料及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、产品拉伸强度27-32MPa，断裂伸长率300-320%；2、邵氏硬度60-80，磨耗量0.001-0.005mg；3、相对密度2.6-2.8，磨痕宽度3.4-3.5mm/h；4、自润性好，收缩低，可以广泛生产并不断代替现有材料。

具体实施方式

实施例1:

按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；三氧化二铝3份；青铜粉20份；二氧化硅1.5份；玻璃纤维10份；LCP15份；偶联剂4份；石墨4份；二硫化钼5份；GF为10份；阻燃剂0.1份；UHMWPA为5份；POM为40份；PC15份；纳米二氧化钛为2份。

将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至50℃，搅拌20min，搅拌速度100r/min，加入剩余原料，升温至70℃，搅拌30min，搅拌速度200r/min。

将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速50r/min，型坯预压，压力45MPa，保压30s，烧结成型：370℃，保温1h。

产品拉伸强度27MPa，断裂伸长率300%；邵氏硬度60，磨耗量0.005mg；相对密度2.6，磨痕宽度3.5mm/h。

 实施例2:

按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；三氧化二铝7份；青铜粉40份；二氧化硅5.5份；玻璃纤维30份；LCP35份；偶联剂16份；石墨6份；二硫化钼25份；GF为20份；阻燃剂2份；UHMWPA为25份；POM为60份；PC25份；纳米二氧化钛为8份。

将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至70℃，搅拌40min，搅拌速度200r/min，加入剩余原料，升温至90℃，搅拌50min，搅拌速度400r/min。

将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速60r/min，型坯预压，压力65MPa，保压50s，烧结成型：390℃，保温1h。

产品拉伸强度28MPa，断裂伸长率305%；邵氏硬度65，磨耗量0.004mg；相对密度2.6，磨痕宽度3.5mm/h。

 实施例3:

按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；三氧化二铝4份；青铜粉25份；二氧化硅2.5份；玻璃纤维15份；LCP20份；偶联剂6份；石墨4.5份；二硫化钼10份；GF为14份；阻燃剂0.5份；UHMWPA为10份；POM为45份；PC18份；纳米二氧化钛为3份。

将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至50℃，搅拌20min，搅拌速度100r/min，加入剩余原料，升温至70℃，搅拌30min，搅拌速度200r/min。

将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速50r/min，型坯预压，压力50MPa，保压35s，烧结成型：375℃，保温1h。

产品拉伸强度30MPa，断裂伸长率310%；邵氏硬度70，磨耗量0.003mg；相对密度2.7，磨痕宽度3.5mm/h。

 实施例4:

按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；三氧化二铝6份；青铜粉35份；二氧化硅4.5份；玻璃纤维25份；LCP30份；偶联剂12份；石墨5.5份；二硫化钼20份；GF为16份；阻燃剂1.5份；UHMWPA为20份；POM为55份；PC22份；纳米二氧化钛为7份。

将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至70℃，搅拌40min，搅拌速度200r/min，加入剩余原料，升温至90℃，搅拌50min，搅拌速度400r/min。

将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速60r/min，型坯预压，压力65MPa，保压45s，烧结成型：385℃，保温1h。

产品拉伸强度31MPa，断裂伸长率315%；邵氏硬度75，磨耗量0.002mg；相对密度2.7，磨痕宽度3.4mm/h。

 实施例5:

按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；三氧化二铝5份；青铜粉30份；二氧化硅3.5份；玻璃纤维20份；LCP25份；偶联剂10份；石墨5份；二硫化钼15份；GF为15份；阻燃剂1份；UHMWPA为15份；POM为50份；PC20份；纳米二氧化钛为5份。

将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至60℃，搅拌30min，搅拌速度150r/min，加入剩余原料，升温至80℃，搅拌40min，搅拌速度300r/min。

将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速55r/min，型坯预压，压力55MPa，保压40s，烧结成型：380℃，保温1h。

产品拉伸强度32MPa，断裂伸长率320%；邵氏硬度80，磨耗量0.001mg；相对密度2.8，磨痕宽度3.4mm/h。

 以上实施例中的组合物所有组分均可以商业购买。

上述实施例只是用于对本发明的内容进行阐述，而不是限制，因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种聚四氟乙烯耐磨材料，其特征在于所述聚四氟乙烯耐磨材料的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；三氧化二铝3-7份；青铜粉20-40份；二氧化硅1.5-5.5份；玻璃纤维10-30份；LCP15-35份；偶联剂4-16份；石墨4-6份；二硫化钼5-25份；GF为10-20份；阻燃剂0.1-2份；UHMWPA为5-25份；POM为40-60份；PC15-25份；纳米二氧化钛为2-8份。

2.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯耐磨材料，其特征在于所述聚四氟乙烯耐磨材料原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；三氧化二铝4-6份；青铜粉25-35份；二氧化硅2.5-4.5份；玻璃纤维15-25份；LCP20-30份；偶联剂6-12份；石墨4.5-5.5份；二硫化钼10-20份；GF为14-16份；阻燃剂0.5-1.5份；UHMWPA为10-20份；POM为45-55份；PC18-22份；纳米二氧化钛为3-7份。

3.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯耐磨材料，其特征在于所述聚四氟乙烯耐磨材料的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；三氧化二铝5份；青铜粉30份；二氧化硅3.5份；玻璃纤维20份；LCP25份；偶联剂10份；石墨5份；二硫化钼15份；GF为15份；阻燃剂1份；UHMWPA为15份；POM为50份；PC20份；纳米二氧化钛为5份。

4.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯耐磨材料，其特征在于：所述偶联剂采用偶联剂KH-550或钛酸酯偶联剂。

5.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯耐磨材料，其特征在于：所述阻燃剂采用聚磷酸铵或三氧化二锑。

6.一种权利要求1所述聚四氟乙烯耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：按照重量份数配比称取聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅、玻璃纤维、LCP、偶联剂、石墨、二硫化钼、GF、阻燃剂、UHMWPA、POM为、PC和纳米二氧化钛；

第二步：将聚四氟乙烯、三氧化二铝、青铜粉、二氧化硅和玻璃纤维投入反应釜中加热至50-70℃，搅拌20-40min，搅拌速度100-200r/min；

第三步：加入剩余原料，升温至70-90℃，搅拌30-50min，搅拌速度200-400r/min；

第四步：将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度，170℃、180℃、185℃、190℃、195℃和200℃，螺杆转速50-60r/min；

第五步：型坯预压，压力45-65MPa，保压30-50s，烧结成型：370-390℃，保温1h。