CN109705504B - 一种改性聚四氟乙烯粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，包括：(1)用聚多巴胺对硬质填料粉末进行包覆改性，得到聚多巴胺改性硬质填料粉末；(2)将聚多巴胺改性硬质填料粉末加入去离子水中，再加入黏性生物物质，得到离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液；(3)将离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性硬质填料粉末；(4)将离子化聚多巴胺改性硬质填料加入聚四氟乙烯乳液中，得到破乳液；(5)将破乳液过滤并干燥后得到改性聚四氟乙烯粉末。本发明具有工艺简单，产品性能好的优点。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种改性聚四氟乙烯粉末的制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯(PTFE)是一种特殊的工程塑料，具有优异的自润滑性能、化学稳定性、良好的耐热性和较低的摩擦系数，但是其硬度低、耐磨性差等缺点限制了其应用。目前，通常采用添加硬质填料的方式来改善PTFE的硬度和摩擦磨损性能。但是，由于PTFE与其他材料的界面相容性差，填料在PTFE中难以分散均匀，从而使得PTFE的力学性能急剧下降，反而影响了PTFE的使用。
如专利CN102604282A采用偶联剂对纳米粒子进行表面改性，将改性后的纳米粒子与PTFE粉末进行物理混合，得到PTFE复合粉体。专利CN1487022A则采用稀土改性剂对玻璃纤维进行表面处理，然后将改性玻璃纤维与PTFE粉料进行机械共混。以上方法虽能改善填料在PTFE中的分散性，但是由于PTFE树脂的特殊性，填料与PTFE之间的界面结合力仍然很弱。同时，以上方法均采用物理混合的方式进行，其混合效果一般，力学性能提高并不理想，并且此方法并不适用于分散PTFE树脂，物理混合易造成分散PTFE树脂纤维化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种工艺简单，产品性能好的改性聚四氟乙烯粉末的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，包括如下步骤：
(1)用聚多巴胺对硬质填料粉末进行包覆改性，得到聚多巴胺改性硬质填料粉末，所述聚多巴胺与硬质填料粉末的质量比为1:2.5～100；
(2)将步骤(1)得到的聚多巴胺改性硬质填料粉末加入去离子水中，再加入黏性生物物质，搅拌下用无机酸调节pH值至2～6，继续搅拌5～50分钟，得到离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液，所述黏性生物物质与步骤(1)中的硬质填料粉末的质量比为1:50～1000；
(3)将步骤(2)中制备得到的离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性硬质填料粉末；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性硬质填料粉末加入聚四氟乙烯乳液中，在100～1200rpm转速下搅拌10～60分钟，得到破乳液，所述聚四氟乙烯与步骤(1)中的硬质填料粉末的质量比为2～20:1；
(5)将步骤(4)得到的破乳液过滤并干燥后得到改性聚四氟乙烯粉末。
本发明所述的硬质填料粉末为常见的金属、金属氧化物或无机物填料粉末中的一种或几种，具体实例非限制性地包括：铜粉、铁粉、镁粉、氧化铝粉末、氧化铁粉末、氧化锌粉末、二氧化硅粉末、二氧化钛粉末、炭黑粉末、石墨粉末、玻璃纤维粉末、碳纤维粉末等。本发明的硬质填料粉末均可市售取得，如可采用本领域常规的平均粒径为10纳米～500微米的硬质填料粉末。所述的硬质填料粉末优选为氧化铝粉末、二氧化硅粉末和碳纤维粉末中的一种。
本发明所述的黏性生物物质为多巴或多巴类衍生物，所述的黏性生物物质优选为二羟基苯丙氨酸、二羟基苯丙酸、含羞草氨酸和硝基多巴胺中的一种。
所述的无机酸优选为盐酸、硫酸和硝酸中的一种。
所述步骤(2)中搅拌的时间优选为10～40分钟。
所述步骤(4)中搅拌的转速优选为400～800rpm，搅拌的时间优选为15～40分钟。
本发明所述的聚多巴胺包覆改性可采用本领域常规的多巴胺氧化自聚包覆改性，改性溶液可采用多巴胺缓冲溶液。多巴胺缓冲溶液可采用三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液。
聚多巴胺包覆层作为功能层，能够在酸性环境中吸附氢离子，使得改性后的硬质填料表现为正电性，与负电性的PTFE粒子形成相反的电位性质，从而在搅拌混合过程中通过相互地吸附作用达到破乳的效果，可以使填料在PTFE乳液中分散均匀，并达到良好破乳的效果，破乳过程无需加入破乳剂，并且还保证了填料在PTFE树脂中的分散性，从而保证PTFE具有良好的力学性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.产品性能好，通过聚多巴胺、黏性生物分子和酸液对填料进行表面改性，聚多巴胺包覆层作为功能层，能够在酸性环境中吸附氢离子，使得改性后的硬质填料表现为正电性，与负电性的PTFE粒子形成相反的电位性质，从而在搅拌混合过程中通过相互地吸附作用达到破乳的效果，可以使填料在PTFE乳液中分散均匀，并达到良好破乳的效果，破乳过程无需加入破乳剂，从而在保证PTFE摩擦磨损性能的同时，具有良好的力学性能，摩擦磨损在8.5mg以下，拉伸强度在21.39MPa以上。
2.工艺简单，绿色环保，破乳过程无需加入破乳剂，显著简化了工艺，离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液过滤得到的母液可以循环使用，进一步减少了三废排放。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
(1)将填料氧化铝粉末进行聚多巴胺包覆改性，得到聚多巴胺改性氧化铝粉末；
(2)将步骤(1)中的聚多巴胺改性氧化铝粉末加入去离子水中，然后加入黏性生物物质二羟基苯丙酸，搅拌下用盐酸调节PH值至5，继续搅拌10分钟得到离子化聚多巴胺改性氧化铝的水分散液；
(3)将步骤(2)中制备的离子化聚多巴胺改性氧化铝的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性氧化铝粉末，过滤得到的母液可以循环使用；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性氧化铝粉末加入PTFE乳液中，在100rpm转速下搅拌40分钟得到破乳液；
(5)对步骤(4)的破乳液进行过滤并干燥得到改性聚四氟乙烯粉末产品。各物料的质量份数见表1。
实施例2
(1)将填料二氧化硅粉末进行聚多巴胺包覆改性，得到聚多巴胺改性二氧化硅粉末；
(2)将步骤(1)中的聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入去离子水中，然后加入黏性生物物质二羟基苯丙氨酸，搅拌下后用硫酸调节PH值至4，继续搅拌15分钟得到离子化聚多巴胺改性二氧化硅的水分散液；
(3)将步骤(2)中制备的离子化聚多巴胺改性二氧化硅的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性二氧化硅粉末，过滤得到的母液可以循环使用；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入PTFE乳液中，在400rpm转速下搅拌30分钟得到破乳液；
(5)对步骤(4)的破乳液进行过滤并干燥得到改性聚四氟乙烯粉末产品。各物料的质量份数见表1。
实施例3
(1)将填料碳纤维粉末进行聚多巴胺包覆改性，得到聚多巴胺改性碳纤维粉末；
(2)将步骤(1)中的聚多巴胺改性碳纤维粉末加入去离子水中，然后加入黏性生物物质硝基多巴胺，搅拌下用硝酸调节PH值至3，继续搅拌20分钟得到离子化聚多巴胺改性碳纤维的水分散液；
(3)将步骤(2)中制备的离子化聚多巴胺改性碳纤维的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性碳纤维粉末，过滤得到的母液可以循环使用；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性碳纤维粉末加入PTFE乳液中，在600rpm转速下搅拌25分钟得到破乳液；
(5)对步骤(4)的破乳液进行过滤并干燥得到改性聚四氟乙烯粉末产品。各物料的质量份数见按表1。
实施例4
(1)将填料二氧化硅粉末进行聚多巴胺包覆改性，得到聚多巴胺改性二氧化硅粉末；
(2)将步骤(1)中的聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入去离子水中，然后加入黏性生物物质二羟基苯丙氨酸，搅拌下用硫酸调节PH值至4，继续搅拌30分钟得到离子化聚多巴胺改性二氧化硅的水分散液；
(3)将步骤(2)中制备的离子化聚多巴胺改性二氧化硅的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性二氧化硅粉末，过滤得到的母液可以循环使用；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入PTFE乳液中，在800rpm转速下搅拌20分钟得到破乳液；
(5)对步骤(4)的破乳液进行过滤并干燥得到改性聚四氟乙烯粉末产品。各物料的质量份数见按表1。
实施例5
(1)将填料二氧化硅粉末进行聚多巴胺包覆改性，得到聚多巴胺改性二氧化硅粉末；
(2)将步骤(1)中的聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入去离子水中，然后加入黏性生物物质二羟基苯丙氨酸，搅拌下用硫酸调节PH值至2，继续搅拌40分钟得到离子化聚多巴胺改性二氧化硅的水分散液；
(3)将步骤(2)中制备的离子化聚多巴胺改性二氧化硅的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性二氧化硅粉末，过滤得到的母液可以循环使用；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入PTFE乳液中，在1200rpm转速下搅拌15分钟得到破乳液；
(5)对步骤(4)的破乳液进行过滤并干燥得到改性聚四氟乙烯粉末产品。各物料的质量份数见按表1。
对比例
(1)将填料二氧化硅粉末进行聚多巴胺包覆改性，得到聚多巴胺改性二氧化硅粉末；
(2)将步骤(1)得到的聚多巴胺改性二氧化硅粉末加入PTFE乳液中，在600rpm转速下搅拌，混合乳液无法破乳，最终无法得到复合粉末产品。各物料的质量份数见按表1。
性能测试：
将实施例1～5得到的产品采用模压成型技术制备得到复合材料，并进行测试，测试结果见表2。其中：
复合材料的拉伸性能按照GB/T 1040.1-2006进行，摩擦磨损性能按照GB/T3960-1983进行。
表1.实施例1～5和对比例各物料质量份数
表2.复合材料测试结果
| 拉伸强度/MPa | 摩擦磨损/mg | |
| 实施例1 | 31.89 | 8.5 |
| 实施例2 | 26.39 | 4.7 |
| 实施例3 | 27.52 | 5.2 |
| 实施例4 | 21.39 | 1.7 |
| 实施例5 | 23.10 | 3.6 |
Claims (6)
1.一种改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用聚多巴胺对硬质填料粉末进行包覆改性，得到聚多巴胺改性硬质填料粉末，所述聚多巴胺与硬质填料粉末的质量比为1:2.5～100；
(2)将步骤(1)得到的聚多巴胺改性硬质填料粉末加入去离子水中，再加入黏性生物物质，搅拌下用无机酸调节pH值至2～6，继续搅拌5～50分钟，得到离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液，所述黏性生物物质与步骤(1)中的硬质填料粉末的质量比为1:50～1000；
(3)将步骤(2)中制备得到的离子化聚多巴胺改性硬质填料的水分散液过滤、干燥得到离子化聚多巴胺改性硬质填料粉末；
(4)将步骤(3)得到的离子化聚多巴胺改性硬质填料粉末加入聚四氟乙烯乳液中，在100～1200rpm转速下搅拌10～60分钟，得到破乳液，所述聚四氟乙烯与步骤(1)中的硬质填料粉末的质量比为2～20:1；
(5)将步骤(4)得到的破乳液过滤并干燥后得到改性聚四氟乙烯粉末。
2.根据权利要求1所述的改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，其特征在于，所述的硬质填料粉末为氧化铝粉末、二氧化硅粉末和碳纤维粉末中的一种。
3.根据权利要求1所述的改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，其特征在于，所述的黏性生物物质为二羟基苯丙氨酸、二羟基苯丙酸、含羞草氨酸和硝基多巴胺中的一种。
4.根据权利要求1所述的改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，其特征在于，所述的无机酸为盐酸、硫酸和硝酸中的一种。
5.根据权利要求1所述的改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中搅拌的时间为10～40分钟。
6.根据权利要求1所述的改性聚四氟乙烯粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中搅拌的转速为400～800rpm，搅拌的时间为15～40分钟。
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