CN104987633B - 一种埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料的制备方法 - Google Patents

一种埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料的制备方法，涉及聚四氟乙烯微纳复合材料的制备技术领域。先通过机械高速共混制备聚四氟乙烯与无机粉末的均匀混合料；再将所制得的混合粉料冷压成型，脱膜取得片状样品；最后将样品置于马弗炉中，以150～200℃/小时的升温速率升温至370～380℃，保温2小时，然后随炉冷却至室温，得到聚四氟乙烯微纳复合材料。本发明通过无机微纳粒子的填充改善PTFE的结晶行为，通过调控无机微纳粒子与PTFE的界面粘结力而实现保持PTFE优异的力学性能的同时，赋予PTFE优异的耐磨性能以及抗蠕变性能。

Description

一种埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种聚四氟乙烯微纳复合材料的制备技术领域。
背景技术
聚四氟乙烯（PTFE）不仅具有优异的物理化学性质，还是一种具有极低摩擦系数和自润滑的材料，使其在化学、电子、生物工程、食品行业及其他一些相关领域应用广泛。然而，PTFE同时具有耐摩擦性较差，线膨胀系数较大等限制了其在许多高要求场合下的应用。因此，目前国内外许多研究集中在PTFE力学、耐磨及抗蠕变性能改善研究。其中，聚四氟乙烯的填充改性是一种广泛应用的改性方法，通过填料的填充改变PTFE的结晶行为、通过调节填料与基体之间界面粘接性能，获得高性能的聚四氟乙烯复合材料。
目前常用的聚四氟乙烯的填料主要为碳酸钙，滑石粉，稀土，二硫化钼，石墨，玻璃纤维，碳纤维，铜粉，铅粉等。碳纤(CF)填充PTFE在一定条件下,与纯PTFE相比,CF能降低摩擦系数,并大幅度减小磨损量,但发现形成的转移膜不太连续而CF填充PTFE复合材料大大提高了复合材料的承载能力,提高了复合材料的耐磨性,但增大了复合材料的摩擦系数。但有文献表明，随着CF的增加，拉伸强度、断裂伸长率会下降。碳纳米管(CNT)填充PTFE极大提高了复合材料的耐磨性，同时降低了其摩擦系数，但是CNT价格昂贵。二硫化钼的填充会提高PTFE的耐磨性，但抗蠕变性能不能得到有效提升。玻璃纤维的填充会大幅度提高PTFE的耐磨性能与抗蠕变性能，但断裂伸长率及拉伸强度会大幅度下降。铜粉，铅粉的加入会造成重金属污染等。因此，寻找一种既能保持PTFE优异的力学性质，又能赋予PTFE优异的耐磨性能及抗蠕变性能的填充改性方法具有非常迫切的需求。超细滑石粉具有独特的片层状微观结构，比表面积大，良好的分散性及润滑性，对高分子材料的填充改性可望在力学、摩擦学以及蠕变等性能起到提升作用。前人将滑石粉添加到塑料中，发现它可改善塑料的化学和尺寸稳定性，耐热性，硬度和坚实性， 抗冲击强度，导热系数，电绝缘性，抗拉强度，抗蠕变能力等性能。
埃洛石（HNTs）不仅具有天然的纳米中空管状结构，还具有一定的长径比，与碳纳米管具有相似的形态结构。但其结构比碳纳米管更稳定，具有更好的生物相容性。且HNTs是天然形成的，价格便宜。当加入HNTs 之后，在材料表面形成润滑膜从而减小了材料所受的摩擦力，因此可以显著提高复合材料的耐磨性，降低摩擦系数。HNTs的填充，可以有效提高聚合物的力学性能与耐磨性。
发明内容
本发明针对上述缺陷提供一种埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料的制备方法。
本发明包括以下步骤：
（1）通过机械高速共混制备聚四氟乙烯与无机粉末的均匀混合料；
（2）将所制得的混合粉料在30～50 MPa压力下冷压成型，并保压2～5分钟, 脱膜，取得片状样品；
（3）将所得样品置于马弗炉中，以150～200℃/小时的升温速率升温至370～380℃，保温2小时，然后随炉冷却至室温，得到埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料。
本发明通过无机微纳粒子的填充改善PTFE的结晶行为，通过调控无机微纳粒子与PTFE的界面粘结力而实现保持PTFE优异的力学性能的同时，赋予PTFE优异的耐磨性能以及抗蠕变性能，通过冷压烧结法制备埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料。
本发明的关键技术及有益效果：
1、超细无机粉体与埃洛石对PTFE起到异相成核的作用，增加了PTFE的结晶度，使体系的力学性能得到显著改善；
2、超细无机粉体与埃洛石的微纳米效应对PTFE起到增强与增韧作用；
3、利用超细无机粉体良好的润滑作用，以及可以吸收摩擦时产生的能量，从而达到较好的减摩作用；
4、超细无机粉体作为PTFE异相结晶成核点起到类似于物理交联的作用，有效提高PTFE的抗蠕变性能。
5、采用该方法制得的复合材料力学性能、耐摩擦性能和抗蠕变性能优异。
进一步地，本发明所述步骤1）中，聚四氟乙烯占混合粉料总质量的65～99%，埃洛石占混合粉料总质量的0.1～10%，超细无机粉末占混合粉料总质量的0.1～30%。该混合比条件下制成的复合材料既具有优异的力学性能，又具有优异耐磨性能及抗蠕变性能。
所述聚四氟乙烯粒径为20～100μm。所述埃洛石为过200目筛的埃洛石。200目HNTs的加入可以降低成本，并在体系中起到异相成核和物理交联的作用，提高复合材料的综合性能。
所述超细无机粉末的粒径为1～40μm。1～40μm超细无机粉末的加入可以降低成本，并在体系中起到异相成核和物理交联的作用，提高体系的性能。
所述超细无机粉末为碳酸钙，滑石粉，二硫化钼，石墨，玻璃纤维，碳纤维的至少一种。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
以下结合实施例，对本发明的技术方案作进一步说明，但这些实施例的目的并不在于限制本发明的保护范围。在这些实施例中，除另有说明外，所有百分含量均以重量计。
实施例1：
将粒径25μm的聚四氟乙烯和玻纤以质量比为70：30的比例混合，通过机械共混制备玻纤/聚四氟乙烯的均匀混合料。
将所制得的粉料在35MPa压力下冷压成型，并保压2分钟。将所得片状样品脱模取出，置于马弗炉中，以200℃/小时的升温速率升温至370~380℃，保温2小时，再将烧结产物随炉冷却至室温，得到玻纤改性聚四氟乙烯复合材料。
该玻纤改性聚四氟乙烯复合材料按GB/T 1040-92检测，其断裂伸长率=268.68%，拉伸强度=15.75MPa。GB/T 3960-1983检测，其磨损量=0.2mg，摩擦系数=0.18。在40~100℃时，线膨胀系数比纯PTFE降低近2个数量级。
实施例2：
将粒径25μm的聚四氟乙烯和粒径4μm的滑石粉以95：5的质量比混合，通过机械共混制备滑石粉/聚四氟乙烯的均匀混合料。
将所制得的粉料在35MPa压力下冷压成型，并保压2分钟。将所得片状样品脱模取出，置于马弗炉中，以200℃/小时的升温速率升温至370~380℃，保温2小时，再将烧结产物随炉冷却至室温，得到滑石粉改性聚四氟乙烯复合材料。
该滑石粉填充聚四氟乙烯复合材料按GB/T 1040-92检测，其断裂伸长率=632.53%，拉伸强度=28.05MPa。GB/T 3960-1983检测，其磨损量=3.5mg，摩擦系数=0.2。在40~300℃时，线膨胀系数比纯PTFE降低近1个数量级。
实施例3：
将粒径25μm的聚四氟乙烯和玻纤、过200目筛的埃洛石以质量比为70：28：2的比例混合，通过机械共混制备埃洛石/玻纤/聚四氟乙烯的均匀混合料。
将所制得的粉料在40MPa压力下冷压成型，并保压2分钟。将所得片状样品脱模取出，置于马弗炉中，以200℃/小时的升温速率升温至370~380℃，保温2小时，再将烧结产物随炉冷却至室温，得到埃洛石/玻纤/聚四氟乙烯微纳复合材料。
该埃洛石/玻纤/聚四氟乙烯微纳复合材料按GB/T 1040-92检测，其断裂伸长率=376.28%，拉伸强度=16.11MPa。GB/T 3960-1983检测，其磨损量=0.2mg，摩擦系数=0.18。在60~220℃时，线膨胀系数比纯PTFE降低近1个数量级。
实施例4：
将粒径25μm的聚四氟乙烯和粒径10μm的碳酸钙以质量比为95：5的比例混合，通过机械共混制备碳酸钙/聚四氟乙烯的均匀混合料。
将所制得的粉料在40MPa压力下冷压成型，并保压2分钟。将所得片状样品脱模取出，置于马弗炉中，以200℃/小时的升温速率升温至370~380℃，保温2小时，再将烧结产物随炉冷却至室温，得到碳酸钙改性聚四氟乙烯复合材料。
该碳酸钙改性聚四氟乙烯复合材料按GB/T 1040-92检测，其断裂伸长率=638.80%，拉伸强度=23.03MPa。GB/T 3960-1983检测，其磨损量=20.1mg，摩擦系数=0.20。在60~240℃时，线膨胀系数比纯PTFE降低近1个数量级。
实施例5：
将粒径25μm的聚四氟乙烯和粒径10μm的碳酸钙、过200目筛的埃洛石、粒径2μm的二硫化钼以质量比为93：5：1：1的比例混合，通过机械共混制备聚四氟乙烯微纳复合材料的均匀混合料。
将所制得的粉料在40MPa压力下冷压成型，并保压2分钟。将所得片状样品脱模取出，置于马弗炉中，以200℃/小时的升温速率升温至370~380℃，保温2小时，再将烧结产物随炉冷却至室温，得到聚四氟乙烯微纳复合材料。
该聚四氟乙烯微纳复合材料按GB/T 1040-92检测，其断裂伸长率=724.65%，拉伸强度=25.62MPa。GB/T 3960-1983检测，其磨损量=11.1mg，摩擦系数=0.19。在26~200℃时，线膨胀系数比纯PTFE降低近1个数量级。
实施例6：
将粒径25μm的聚四氟乙烯和玻纤、过200目筛的埃洛石、粒径30μm的二硫化钼以质量比为87：8：1：4的比例混合，通过机械共混制备聚四氟乙烯微纳复合材料的均匀混合料。
将所制得的粉料在35MPa压力下冷压成型，并保压2分钟。将所得片状样品脱模取出，置于马弗炉中，以200℃/小时的升温速率升温至370~380℃，保温2小时，再将烧结产物随炉冷却至室温，得到聚四氟乙烯微纳复合材料。
该聚四氟乙烯微纳复合材料按GB/T 1040-92检测，其断裂伸长率=420.06%，拉伸强度=25.31MPa。GB/T 3960-1983检测，其磨损量=8.2mg，摩擦系数=0.20。在31~200℃时，线膨胀系数比纯PTFE降低近1个数量级。
下表为以上各例制成的聚四氟乙烯微纳复合材料的力学和摩擦学性能汇总表。
从上表可见：
1、在玻纤填充量较大时，埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能改善明显。
2、在碳酸钙和滑石粉填充量较少时，埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯复合材料的力学和摩擦学性能改善明显。
下表为单独PTFE和以上各例制成的聚四氟乙烯微纳复合材料的线膨胀系数汇总表。
从上表可见：在加入玻纤，碳酸钙和滑石粉时，埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯复合材料的抗蠕变性能改善明显得到提高。

Claims (4)

1.一种埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）将聚四氟乙烯、埃洛石和超细无机粉末混合均匀，形成混合粉料；所述超细无机粉末的粒径为1～40μm；
2）将混合粉料置于模具内，在30～50 MPa的压力下冷压成型，并保压2～5分钟，脱膜，取得片状样品；
3）将样品置于马弗炉中，以150～200℃/小时的升温速率，将温度升至370～380℃，保温锻烧2小时，然后随炉冷却至室温，取得埃洛石/超细无机粉末/聚四氟乙烯微纳复合材料；
其特征在于所述步骤1）中，聚四氟乙烯占混合粉料总质量的65～99%，埃洛石占混合粉料总质量的0.1～10%，超细无机粉末占混合粉料总质量的0.1～30%。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于所述聚四氟乙烯粒径为20～100μm。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于所述埃洛石为过200目筛的埃洛石。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于所述超细无机粉末为碳酸钙，滑石粉，二硫化钼，石墨，玻璃纤维，碳纤维中的至少一种。
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