CN106009433A - 一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨防火的纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法，其特征在于，不仅使用钢纤维、碳纤维来提高聚四氟乙烯的抗拉伸强度、摩擦性能，同时利用改进过的熔融法将细的填料如 SiO2、Al粉等在高温下烧结到聚四氟乙烯表面，改善了聚四氟乙烯的表面烧结状态，使胶接强度得到明显提高。此外，配合添加炭黑、棕刚玉等原料，使复合材料具有更优异的耐高温、高耐磨、防火的特性。

Description

一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维、钢纤维表面改性和聚四氟乙烯改性材料领域，尤其涉及一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯(PTFE)耐高温和低温 、耐化学腐蚀、不吸水、摩擦系数低、介电性能优异 ，有“塑料王“之称.但是因为表面能低(表面张力为(31 ～ 34)×10 -3 N/m)、结晶度高和分子链结构对称呈现非极性， 致使其难于被粘结，制约其在阀门密封材料领域的应用。为此，科学工作者采取多种手段尝试解决 PTFE 的表面粘结问题，其中关于改变PTFE 的表面结构或性质的研究较多.主要有:1)化学处理法 ，如用钠-萘络合物或硅酸处理， 使 PTFE表面润湿角减小，表面张力提高，使其由难粘转变为可粘.2)低温等离子体技术处理， 将空气、惰性气体及可反应气体离解，与 PTFE 表面发生作用，形成极性基团。3)辐射接枝法， 采用Co 60的能源将苯乙烯、甲基丙烯酸酯等可反应单体与 PTFE 表面发生化学接枝聚合，在 PTFE 表面形成一层易于粘合的接枝聚合物。4)高温熔融法，在高温下使 PTFE 中嵌入表面能高、易粘合物质。这种方法由于易粘物质介入 PTFE 分子中， 可以达到比其他几种方法更高的粘结强度。
但PTFE还存在抗蠕变性差 、易冷流 、 回弹性差、承载能力低、线膨胀系数大、在高温 (260 ℃)下易软化等明显缺点。为了克服这些缺点，国内外研究者一般采用碳纤维、玻璃纤维、锡青铜粉、石墨、二氧化硫等作为密封材料来填充聚四氟乙烯，其中碳纤维是应用比较广泛且效果良好的填充材料，可以改善PTFE复合材料的物理系能、力学性能、耐磨性能等，可广泛应用于液压油缸、气缸密封元件、阀门密封元件、流体传动机械等行业。同样的，钢纤维由于其密度大，力学性能优异而被广泛应用于各个领域。
但是钢纤维和碳纤维表面惰性大，直接影响了复合材料的力学性能，限制了钢纤维和碳纤维高性能的发挥。因此需要对碳纤维和钢纤维表面进行改性处理，以提高其对基体的粘结性，改善界面性能。
棕刚玉具有纯度高、结晶好、流动性强、线膨胀系数低的特点，并且耐高温、强度高、导热系数小，在应用过程中具有不起爆、不粉化、不开裂的特点，可作为耐火材料的最佳填充料，扩宽复合材料的应用领域。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种改性聚四氟乙烯材料的配方，依照该配方制作的聚四氟乙烯材料粘性、耐磨性和密封性良好，并且具有耐磨防火。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现 ：
1. 一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得：
棕刚玉18-20，聚四氟乙烯80-90，碳纤维10-15，钢纤维5-10，氟橡胶胶粉5-10，莫来石3-5，氧化石墨烯1-3，SiO2 5-10，硅烷偶联剂KH550 15-20，炭黑5-10，95%乙醇30-40，乙酸适量，聚异氰酸酯JQ-1 5-10，二甲基甲酰胺（DMF）15-20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10-15，二环己基碳二亚胺 (DCC) 15-20，水 90-100份；
所述的碳纤维中值长度为75－150μm，钢纤维中值长度为50-150μm，氟橡胶胶粉粒度为80-200目。
2.所述的一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料的制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：
a. 将碳纤维加入20-25份95%的乙醇溶剂中，超声分散均匀，加入乙酸调节pH为4-5，加入8-12份硅烷偶联剂KH550，搅拌8-15h，之后用去离子水洗涤，真空干燥；
b. 在剩余的95%乙醇溶剂中，通过辉光放电等离子技术，将氧化石墨烯氧化成过氧化石墨烯；
c. 将步骤b得到的过氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺 (DMF) 中，超声 2 ～ 3h，搅拌，依次加入 4- 二甲氨基吡啶 (DMAP)、二环己基碳二亚胺 (DCC) 和步骤a所得的碳纤维，常温反应 18-36h，之后用去离子水洗涤，真空干燥，得到过氧化石墨烯接枝后的碳纤维；
d. 将胶粉加入到聚异氰酸酯JQ-1中，机械搅拌均匀后，加入干燥的钢纤维、棕刚玉、莫来石和炭黑，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；
e. 将步骤c所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维、步骤d所得混合物与70-75份的聚四氟乙烯一起于高速混合机中混合均匀，冷压成型后，空气气氛中360-390℃烧结成型，得到直径150-250 mm、厚度 3～ 4mm 的板状试样；
f. 将步骤e所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-100℃的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200℃的温度下烧结10-30分钟，取出即可；
所述浸涂液的配制方法为： SiO2经研磨机研磨后，与剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶联剂KH550一起分散在水中，超声分散均匀即得。
本发明的有益效果是：接枝氧化石墨烯后的碳纤维表面粗糙度显著增加，进而提高其表面浸润性和粘结性，改善碳纤维复合材料的界面粘接质量。用聚异氰酸酯JQ-1 处理的钢纤维与胶粉和聚异氰酸酯JQ-1粘接在一起，增加了钢纤维于基体的粘结性，有利于复合材料力学性能的提高。进一步地，通过高温熔融法将SiO2填充到PTFE表面，可明显提碳纤维PTFE复合材料的胶接强度，且操作步骤简单，易于施用。并且，配合添加配合添加炭黑、棕刚玉等原料，使复合材料具有更优异的耐高温、高耐磨、防火的特性。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例
一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得：
棕刚玉18，聚四氟乙烯80，碳纤维10，钢纤维5，氟橡胶胶粉5，莫来石3，氧化石墨烯1，SiO2 5，硅烷偶联剂KH550 15，炭黑5，95%乙醇30，乙酸适量，聚异氰酸酯JQ-1 5，二甲基甲酰胺（DMF）15，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10，二环己基碳二亚胺 (DCC) 15，水100份；
所述的碳纤维中值长度为75－150μm，钢纤维中值长度为50-150μm，氟橡胶胶粉粒度为80-200目。
所述的一种保温的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料的制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：
a. 将碳纤维加入25份95%的乙醇溶剂中，超声分散均匀，加入乙酸调节pH为4-5，加入10份硅烷偶联剂KH550，搅拌8-15h，之后用去离子水洗涤，真空干燥；
b. 在剩余的95%乙醇溶剂中，通过辉光放电等离子技术，将氧化石墨烯氧化成过氧化石墨烯；
c. 将步骤b得到的过氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺 (DMF) 中，超声 2 ～ 3h，搅拌，依次加入 4- 二甲氨基吡啶 (DMAP)、二环己基碳二亚胺 (DCC) 和步骤a所得的碳纤维，常温反应 18-36h，之后用去离子水洗涤，真空干燥，得到过氧化石墨烯接枝后的碳纤维；
d. 将胶粉加入到聚异氰酸酯JQ-1中，机械搅拌均匀后，加入干燥的钢纤维、棕刚玉、莫来石和炭黑，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；
e. 将步骤c所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维、步骤d所得混合物与70份的聚四氟乙烯一起于高速混合机中混合均匀，冷压成型后，空气气氛中360-390℃烧结成型，得到直径150-250 mm、厚度 3～ 4mm 的板状试样；
f. 将步骤e所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-100℃的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200℃的温度下烧结10-30分钟，取出即可；
所述浸涂液的配制方法为： SiO2经研磨机研磨后，与剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶联剂KH550一起分散在水中，超声分散均匀即得。
经测试 ：
拉伸强度 19MPa ；
断裂伸长率 200% ；
冲击强度 27KJ/m ；
弯曲强度 30MPa 。

Claims (2)

1.一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得：
棕刚玉18-20，聚四氟乙烯80-90，碳纤维10-15，钢纤维5-10，氟橡胶胶粉5-10，莫来石3-5，氧化石墨烯1-3，SiO2 5-10，硅烷偶联剂KH550 15-20，炭黑5-10，95%乙醇30-40，乙酸适量，聚异氰酸酯JQ-1 5-10，二甲基甲酰胺（DMF）15-20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10-15，二环己基碳二亚胺 (DCC) 15-20，水 90-100份；
所述的碳纤维中值长度为75－150μm，钢纤维中值长度为50-150μm，氟橡胶胶粉粒度为80-200目。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料的制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：
a. 将碳纤维加入20-25份95%的乙醇溶剂中，超声分散均匀，加入乙酸调节pH为4-5，加入8-12份硅烷偶联剂KH550，搅拌8-15h，之后用去离子水洗涤，真空干燥；
b. 在剩余的95%乙醇溶剂中，通过辉光放电等离子技术，将氧化石墨烯氧化成过氧化石墨烯；
c. 将步骤b得到的过氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺 (DMF) 中，超声 2 ～ 3h，搅拌，依次加入 4- 二甲氨基吡啶 (DMAP)、二环己基碳二亚胺 (DCC) 和步骤a所得的碳纤维，常温反应 18-36h，之后用去离子水洗涤，真空干燥，得到过氧化石墨烯接枝后的碳纤维；
d. 将胶粉加入到聚异氰酸酯JQ-1中，机械搅拌均匀后，加入干燥的钢纤维、棕刚玉、莫来石和炭黑，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；
e. 将步骤c所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维、步骤d所得混合物与70-75份的聚四氟乙烯一起于高速混合机中混合均匀，冷压成型后，空气气氛中360-390℃烧结成型，得到直径150-250 mm、厚度 3～ 4mm 的板状试样；
f. 将步骤e所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-100℃的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200℃的温度下烧结10-30分钟，取出即可；
所述浸涂液的配制方法为： SiO2经研磨机研磨后，与剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶联剂KH550一起分散在水中，超声分散均匀即得。
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