CN105968983A - 一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法 - Google Patents

一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，包括有如下步骤：1)石墨烯的表面功能化：将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌，然后放入到微波炉中辐射，过滤后得到表面功能化的石墨烯；2)聚四氟乙烯乳液的配制：将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水混匀形成聚四氟乙烯乳液；3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备：将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于350～400℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。该方法利用微波化学法对常规的石墨烯材料进行表面功能化，表面改性的石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层具有良好的自润滑性能、低摩擦系数、热稳定性以及良好的粘附性。

Description

一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域技术，特别是提供一种高耐磨改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法。
背景技术
固体润滑涂层是一种特种润滑材料，二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等材料均具有良好的摩擦力学性能，是常用的固体润滑材料，固体润滑涂层可以满足摩擦部件在高温、高压、真空等极端苛刻工况条件下的使用要求，已经成为传统流体动力润滑所不能替代的一项新技术。聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的自润滑性能、耐热、耐化学腐蚀与介电性能，在化工、机械、航空等领域有广泛应用。但PTFE硬度较低、耐磨性差，大大限制了单相PTFE材料作为固体润滑材料的应用。对PTFE进行复合化是一种有效的方法，通过引入青铜、石墨等粉体或玻纤、碳纤等纤维，可以提高PTFE的硬度和耐磨性。随着PTFE固体润滑材料应用场合的拓展，对其耐磨、减摩性能与力学性能提出了越来越高的要求。
石墨烯是单层碳原子构成的二维六边形密排点阵结构，拥有媲美金刚石硬度的同时又极度柔软。石墨烯的片层结构使其拥有大的长径比(二维平面的长径比是指长度或者宽度与厚度的比值。其在PTFE中有望在对PTFE进行强韧化的同时，通过石墨烯微片间的滑移进一步增强复合材料的自润滑性。
中国专利CN 105331210 A公开了一种石墨烯改性聚四氟乙烯固体润滑涂层，其组成成分及各个成分的质量份数组成为：聚四氟乙烯100份；二硫化钼0.3～10份；石墨0～8份；石墨烯0.1～5份；氧化石墨烯0～6份；水80～380份。其制备方法为将这些成分简单的混匀，由于石墨烯都具有极高的表面能，非常易于团聚，如以团聚体形式存在于复合材料中，则从本征上成为类似孔隙的组织缺陷，不仅无法有效发挥纳米材料的强韧化效应，且极易成为裂纹源，因此往往反而降低材料的力学性能与耐磨性。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，本发明的目的在于提供一种高耐磨改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，该方法利用微波化学法对常规的石墨烯材料进行表面功能化，表面改性的石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层具有良好的自润滑性能、低摩擦系数、热稳定性以及良好的粘附性。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，包括有如下步骤：
1)石墨烯的表面功能化
按照石墨烯的质量(g)与功能化溶剂的质量(g)之比为1︰10～100的比例，将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌1-5分钟，然后放入到微波炉中辐射1-20分钟，过滤后得到表面功能化的石墨烯；
其中，所述功能化溶剂包括有氨水、对氨基苯磺酸、氨基磺酸、氨基比林、氨基丁酸中的至少一种；
2)聚四氟乙烯乳液的配制：
将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水按质量份数50-60︰0.1-10︰40-50比例混匀形成聚四氟乙烯乳液；
3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备
将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于350～400℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。
所述的石墨烯为化学制备、CVD制备或电弧法制备，厚度小于20nm，比表面积大于100m2/g。
所述的聚四氟乙烯为粉末，相对分子量为100万到1000万，结晶度95％以上。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体为：本发明方法利用微波化学法对常规的石墨烯材料进行表面改性，改性后的石墨烯材料接枝上氨基官能团与PTFE分子链表面电负性很强的氟原子电子云相互作用，有利于提高增强体和基体之间的结合强度，同时，由于增强体表面的供电基团电性相同，相互之间的同性排斥也有助于阻止增强体间的团聚，提高其分散性。分散性改善与界面改善的双重效应更有利于复合材料的机械性能和摩擦磨损性能的提高，其滑动摩擦系数可低至0.10；本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低成本，便于推广应用，适于大规模生产。
具体实施方式
实施例1
一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，包括有如下步骤：
1)石墨烯的表面功能化
按照石墨烯的质量(g)与功能化溶剂的质量(g)之比为1︰100的比例，将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌1分钟，然后放入到微波炉中辐射20分钟，过滤后得到表面功能化的石墨烯；
其中，所述功能化溶剂包括有氨水和对氨基苯磺酸按体积比1:2.5混合而成；所述的石墨烯为化学法制备，厚度小于20nm，比表面积大于100m2/g。
2)聚四氟乙烯乳液的配制：
将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水按质量份数6︰1︰5比例混匀形成聚四氟乙烯乳液；所述的聚四氟乙烯为粉末，相对分子量为100万，结晶度95％以上。
3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备
将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于400℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。
实施例2
一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，包括有如下步骤：
1)石墨烯的表面功能化
按照石墨烯的质量(g)与功能化溶剂的质量(g)之比为1︰10的比例，将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌5分钟，然后放入到微波炉中辐射1分钟，过滤后得到表面功能化的石墨烯；
其中，所述功能化溶剂为氨基磺酸；所述的石墨烯为CVD法制备，厚度小于20nm，比表面积大于100m2/g。
2)聚四氟乙烯乳液的配制：
将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水按质量份数50︰0.1︰40比例混匀形成聚四氟乙烯乳液；所述的聚四氟乙烯为粉末，相对分子量为1000万，结晶度95％以上。
3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备
将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于350℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。
实施例3
一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，包括有如下步骤：
1)石墨烯的表面功能化
按照石墨烯的质量(g)与功能化溶剂的质量(g)之比为1︰50的比例，将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌1-5分钟，然后放入到微波炉中辐射10分钟，过滤后得到表面功能化的石墨烯；
其中，所述功能化溶剂包括有氨基比林和氨基丁酸按体积比1:3.2混合而成；所述的石墨烯为化学法制备，厚度小于20nm，比表面积大于100m2/g。
2)聚四氟乙烯乳液的配制：
将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水按质量份数58︰5︰45比例混匀形成聚四氟乙烯乳液；所述的聚四氟乙烯为粉末，相对分子量为500万，结晶度95％以上。
3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备
将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于380℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。
实施例4
一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，包括有如下步骤：
1)石墨烯的表面功能化
按照石墨烯的质量(g)与功能化溶剂的质量(g)之比为1︰30的比例，将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌4分钟，然后放入到微波炉中辐射12分钟，过滤后得到表面功能化的石墨烯；
其中，所述功能化溶剂包括有氨水、氨基磺酸、氨基丁酸按体积比为1:2:1.5混合而成；所述的石墨烯为电弧法制备，厚度小于20nm，比表面积大于100m2/g。
2)聚四氟乙烯乳液的配制：
将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水按质量份数55︰3︰42比例混匀形成聚四氟乙烯乳液；所述的聚四氟乙烯为粉末，相对分子量为400万，结晶度95％以上。
3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备
将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于400℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。
对比例1
未加入石墨烯的聚四氟乙烯乳液喷涂涂覆高温烧结的聚四氟乙烯固体润滑涂层。
对比例2
加入未进行表面功能化的石墨烯的聚四氟乙烯乳液喷涂涂覆高温烧结的聚四氟乙烯复合固体润滑涂层
实施例和对比例所制得产品的性能测试分析：
对上述实施例及对比例制备的润滑油用固体润滑涂层材料进行力学性能测试和滑动摩擦磨损性能测试得到的参数参见表1所示：
表1列出了不同实施例和对比例的力学性能和滑动摩擦磨损比较。
其中，表一中附着力等级的测定标准为：漆膜附着力测定法GB1720-1979；铅笔硬度的测定标准为：色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度GB6739-2006；摩擦系数及体积磨损的测定标准为：滑动摩擦磨损性能试验GB3960-1983
由表1可以看出本发明所述的高耐磨改性石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层在保证聚四氟乙烯原有的良好的硬度和附着力等力学性能上具有良好的减摩耐磨性能。
本发明的重点在于：本发明方法利用微波化学法对常规的石墨烯材料进行表面改性，改性后的石墨烯材料接枝上氨基官能团与PTFE分子链表面电负性很强的氟原子电子云相互作用，有利于提高增强体和基体之间的结合强度，同时，由于增强体表面的供电基团电性相同，相互之间的同性排斥也有助于阻止增强体间的团聚，提高其分散性。分散性改善与界面改善的双重效应更有利于复合材料的机械性能和摩擦磨损性能的提高，其静摩擦系数可低至0.10；本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低成本，便于推广应用，适于大规模生产。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，其特征在于：包括有如下步骤：
1)石墨烯的表面功能化
按照石墨烯的质量(g)与功能化溶剂的质量(g)之比为1︰10～100的比例，将石墨烯加入到功能化溶剂中，在室温下混合搅拌1-5分钟，然后放入到微波炉中辐射1-20分钟，过滤后得到表面功能化的石墨烯；
其中，所述功能化溶剂包括有氨水、对氨基苯磺酸、氨基磺酸、氨基比林、氨基丁酸中的至少一种；
2)聚四氟乙烯乳液的配制：
将聚四氟乙烯、表面功能化的石墨烯和去离子水按质量份数50-60︰0.1-10︰40-50比例混匀形成聚四氟乙烯乳液；
3)石墨烯聚四氟乙烯固体润滑涂层的制备
将聚四氟乙烯乳液均匀涂覆于金属产品的表面上，然后将涂覆有聚四氟乙烯乳液的金属产品放置于350～400℃环境中高温烧结形成膜状涂层，膜状涂层冷却后得到改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层。
2.根据权利要求1所述一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述的石墨烯为化学制备、CVD制备或电弧法制备，厚度小于20nm，比表面积大于100m2/g。
3.根据权利要求1所述一种改性石墨烯聚四氟乙烯复合固体润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述的聚四氟乙烯为粉末，相对分子量为100万到1000万，结晶度95％以上。
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