CN110079036B - 一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及耐压耐磨密封材料技术领域，具体涉及一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料及其制备方法，该耐压耐磨PTFE/Cu复合材料包括如下原料：PTFE、铜粉、增强纤维、碳黑、白炭黑和润滑剂。该复合材料特别适用于破碎锤设备中作密封圈，该PTFE复合材料具有优良的自润滑性、韧性、耐压性、耐磨性、耐高低温性能，防止使用过程中出现断裂现象，使用寿命长，降低破碎锤设备的维修次数和成本，还避免依赖于进口密封材料而增加使用成本。

Description

一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐压耐磨密封材料技术领域，具体涉及一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料及其制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的耐高低温、耐腐蚀、耐老化、高绝缘、不粘、自润滑等性能，但由于尺寸稳定性差、导热性能差、硬度低、易磨损、尤其在载荷下呈现较大的冷流性(蠕变)，使它在机械承载、摩擦磨损和密封润滑等领域的应用受到限制。
对于大型油压设备而言，特别是破碎锤设备，其使用密封圈(又叫耐磨环)已达到破碎锤油封的目的，然而现有的密封圈在破碎锤工作过程中因振动频率高和压力大容易使密封圈磨损或断裂导致漏液，使用寿命短，增加了设备维修次数和成本。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，特别适用于破碎锤设备中作密封圈，该PTFE复合材料具有优良的自润滑性、韧性、耐压性、耐磨性、耐高低温性能，防止使用过程中出现断裂现象，使用寿命长，降低破碎锤设备的维修次数和成本，还避免依赖于进口密封材料而增加使用成本。
本发明的另一目的在于提供一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，该制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产；该制备方法结合特定的原料及比例，可大大延长本发明PTFE复合材料的使用寿命，避免使用过程中出现断裂现象。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，包括如下重量份的原料：
Figure BDA0002041649540000021
本发明的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，以本身具有自润滑性、耐高低温的PTFE和强度高的铜粉作为主要原料，再混入增强纤维、碳黑、白炭黑和润滑剂等填料，共同作用提高PTFE复合材料的自润滑性、韧性、耐压性、耐冲击性能、耐磨性、耐液压油、防水、抗老化、耐腐蚀、耐200℃高温、耐-150℃低温；其中，铜粉与PTFE结合可改善复合材料的耐磨性、抗蠕变性、刚性等物理性能，提高其抗压强度，控制铜粉的重量份在30-40份，避免了铜粉过高既容易刚性过大而碎裂又增加原料成本。增强纤维均匀分布于复合材料中承受载荷的磨损，增强纤维本身又具有优异的耐磨损性，进一步提高复合材料的耐磨损性，其导热性好，可防止复合材料在磨损过程中因温度升高而塑性变形，提高复合材料的高温耐磨性；同时，增强纤维的模量高，可防止因复合材料在磨损过程中受到应力和切向摩擦力的反复作用使复合材料中的应力集中而产生裂纹。碳黑在复合材料中起补强、增韧和防老化作用，其与PTFE结合能改善PTFE断面的带状结构，使其连成一体，还能改善复合材料受磨损后的表面、消除犁削和黏着磨损的痕迹，是复合材料的表面保持光滑。白炭黑在复合材料中发挥轻质、高强度、耐腐蚀作用，而且白炭黑的高流动性，使复合材料的表面更加致密细洁，摩擦系数更小；白炭黑与碳黑共同作用增加复合材料的韧性，结合铜粉的刚性，三者协同作用既提高复合材料的抗拉强度防止复合材料断裂，又能保证复合材料抗压强度。
该复合材料特别适用于破碎锤设备中作密封圈，该PTFE复合材料具有优良的自润滑性、韧性、耐压性、耐磨性、耐高低温性能，防止使用过程中出现断裂现象，使用寿命长，降低破碎锤设备的维修次数和成本，还避免依赖于进口密封材料而增加使用成本。
优选的，所述PTFE的密度为2.1-2.2g/cm3，所述PTFE为目数在300-600目的聚四氟乙烯粉末。
选用上述聚四氟乙烯粉末，其纯度高，耐化学性能更高，自润滑效果好，且与其他原料的结合性能好，其粒径在23-50μm，粒径小，从主要原料上提高了光滑度，降低摩擦系数，有利于提高复合材料的耐磨性。
优选的，所述铜粉由青铜粉和紫铜粉以重量比2-2.5:1-1.5混合而成，所述铜粉的目数为300-600目。
青铜粉和紫铜粉以上述重量比复配，协同作用，在青铜粉提高复合材料耐磨性和刚性的同时利用紫铜粉偏软的特性与青铜粉流动互补，避免复合材料因刚性过大导致脆性大易碎裂；两者复配，还能提高复合材料的导热性、耐磨性和耐蚀性。选择铜粉的目数为300-600目，避免铜粉的粒径过大导致摩擦系数增加，不利于复合材料的耐磨性和抗冲击性能。
优选的，所述增强纤维为碳纤维和/或氧化铝纤维；所述增强纤维为目数在600-1000目的纤维粉末。
采用上述增强纤维提高复合材料的耐磨损性，其导热性好，可防止复合材料在磨损过程中因温度升高而塑性变形，提高复合材料的高温耐磨性；同时，增强纤维的模量高，可防止因复合材料在磨损过程中受到应力和切向摩擦力的反复作用使复合材料中的应力集中而产生裂纹。其中，碳纤维的直径细小，密度低，拉伸强度大且弹性模量是玻璃纤维的4-5倍，更有利于抗应力和切向摩擦力，氧化铝纤维光滑、柔软、耐热稳定性好、耐磨性好、导热性能好，可防止复合材料在磨损过程中因温度升高而塑性变形(软化)，提高复合材料的高温耐磨性；800-1000目的增强纤维粒径小，填充于PTFE中填补其缝隙，提高整体的致密度和表面光滑度。优选的，所述增强纤维为碳纤维和氧化铝纤维以重量比5-8:1-2混合而成，两者协同作用，提高复合材料的机械性能、导电性和耐磨性。
优选的，所述润滑剂为二硫化钨、二硫化钼和氮化硼中的至少一种。
上述润滑剂可提高自润滑性、耐腐蚀、耐高温，有助于提高PTFE与其它材料的混合均匀度，其具有良好的成膜性，与碳黑协同润滑作用明显，大大降低复合材料的摩擦系数，减少磨损。其中，二硫化钨、二硫化钼和氮化硼具有滑动性强的六方晶体层状结构，在摩擦过程中，各层之间发生相对滑动，从而降低复合材料的摩擦系数，减少磨损。更优选的，所述润滑剂为二硫化钨和氮化硼以重量比2-3:1混合而成，其在复合材料中形成硬度高、超点阵结构，承载能力高，高温稳定性好，提高了其润滑性能。
优选的，所述复合材料还包括0.1-0.5重量份的纳米二氧化硅；所述纳米二氧化硅为经过偶联剂处理的改性纳米二氧化硅。
在复合材料中加入少量的纳米二氧化硅，纳米级的粒径小，填补了复合材料的空隙，界面相容性好，有助于减少磨损，增强复合材料的耐用性，提高疲劳强度，延长疲劳寿命。上述方式处理的纳米二氧化硅与PTFE的相容性更高，成型过程更紧密地排列在一起，形成的复合材料致密性更高。其中，所述硅烷偶联剂为苯基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯或KH-560。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：上述的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、按重量份称取各原料，然后将各原料混合并搅拌均匀，再过60-100目筛，得到混合物料；
(A2)、取步骤(A1)得到的混合物料压塑处理后，再在氮气保护下烧结成型，即得耐压耐磨PTFE/Cu复合材料。
本发明耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产；该制备方法结合特定的原料及比例，可大大延长本发明PTFE复合材料的使用寿命，避免使用过程中出现断裂现象。其中，步骤(A1)中，过60-100目筛的目的是干混过程中填充原料容易受潮结成团导致原料分散不均匀而降低复合材料的性能。步骤(A2)中，在氮气保护下烧结成型，防止铜粉被空气中的成分氧化导致性能下降。
优选的，所述步骤(A1)中，搅拌的转速为1200-2000r/min，搅拌次数为2-3次，每次搅拌1-5min然后静置30-60s。
采用上述技术方案，使原料分散均匀，成型后的复合材料的性能更均衡，延长复合材料的使用寿命；每次搅拌1-5min然后静置30-60s，使低密度的原料沉降于混合物料的表面，再搅拌，便于原料分散更均匀。
优选的，所述步骤(A1)中，过筛的次数为3-5次。
过筛的次数为3-5次，更有利于消除静电，避免原料团聚而降低混合物料的均匀度，又能去除团聚的物料，使原料分散均匀，成型后的复合材料的性能更均衡，延长复合材料的使用寿命。
优选的，所述步骤(A2)中，所述压塑处理是将过筛后的原料置于模具中模压成半成品；所述烧结成型是将所述半成品在200-375℃温度下烧结10-20h。
压塑成半成品，以确定其复合材料的形状，其包括但不限于破碎锤密封圈，同时使原料间紧密结合，便于烧结成型，其操作简单；在200-375℃温度下烧结10-20h，将半成品转变为致密体，使PTFE与填充原料发生晶相结合达到材料物理性能。
本发明的有益效果在于：本发明的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，特别适用于破碎锤设备中作密封圈，该PTFE复合材料具有优良的自润滑性、韧性、耐压性、耐磨性、耐高低温性能，防止使用过程中出现断裂现象，使用寿命长，降低破碎锤设备的维修次数和成本，还避免依赖于进口密封材料而增加使用成本。
本发明的制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产；该制备方法结合特定的原料及比例，可大大延长本发明PTFE复合材料的使用寿命，避免使用过程中出现断裂现象。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，包括如下重量份的原料：
Figure BDA0002041649540000061
所述PTFE的密度为2.16g/cm3，所述PTFE为目数在500目的聚四氟乙烯粉末。
所述铜粉由青铜粉和紫铜粉以重量比2.2:1.3混合而成，所述铜粉的目数为500目。
所述增强纤维为碳纤维和氧化铝纤维以重量比6:1.5混合而成；所述增强纤维为目数在800目的纤维粉末。
所述润滑剂为二硫化钨和氮化硼以重量比2.5:1混合而成。
所述复合材料还包括0.3重量份的纳米二氧化硅；所述纳米二氧化硅为经过偶联剂处理的改性纳米二氧化硅。
所述硅烷偶联剂为苯基三甲氧基硅烷。
上述的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、按重量份称取各原料，然后将各原料混合并搅拌均匀，再过90目筛，得到混合物料；
(A2)、取步骤(A1)得到的混合物料压塑处理后，再在氮气保护下烧结成型，即得耐压耐磨PTFE/Cu复合材料。
所述步骤(A1)中，搅拌的转速为1800r/min，搅拌次数为3次，每次搅拌2min然后静置60s。
所述步骤(A1)中，过筛的次数为4次。
所述步骤(A2)中，所述压塑处理是将过筛后的原料置于模具中模压成半成品；所述烧结成型是将所述半成品在330℃温度下烧结13h。
实施例2
一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，包括如下重量份的原料：
Figure BDA0002041649540000071
所述PTFE的密度为2.2g/cm3，所述PTFE为目数在600目的聚四氟乙烯粉末。
所述铜粉由青铜粉和紫铜粉以重量比2.5:1.5混合而成，所述铜粉的目数为600目。
所述增强纤维为碳纤维和氧化铝纤维以重量比8:2混合而成；所述增强纤维为目数在1000目的纤维粉末。
所述润滑剂为二硫化钨和氮化硼以重量比3:1混合而成。
所述复合材料还包括0.5重量份的纳米二氧化硅；所述纳米二氧化硅为经过偶联剂处理的改性纳米二氧化硅。
所述硅烷偶联剂为正硅酸乙酯。
上述的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、按重量份称取各原料，然后将各原料混合并搅拌均匀，再过100目筛，得到混合物料；
(A2)、取步骤(A1)得到的混合物料压塑处理后，再在氮气保护下烧结成型，即得耐压耐磨PTFE/Cu复合材料。
所述步骤(A1)中，搅拌的转速为2000r/min，搅拌次数为3次，每次搅拌5min然后静置60s。
所述步骤(A1)中，过筛的次数为5次。
所述步骤(A2)中，所述压塑处理是将过筛后的原料置于模具中模压成半成品；所述烧结成型是将所述半成品在375℃温度下烧结20h。
实施例3
一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，包括如下重量份的原料：
Figure BDA0002041649540000081
所述PTFE的密度为2.1g/cm3，所述PTFE为目数在300目的聚四氟乙烯粉末。
所述铜粉由青铜粉和紫铜粉以重量比2:1混合而成，所述铜粉的目数为300目。
所述增强纤维为碳纤维和氧化铝纤维以重量比5:1混合而成；所述增强纤维为目数在600目的纤维粉末。
所述润滑剂为二硫化钨和氮化硼以重量比2:1混合而成。
所述复合材料还包括0.1重量份的纳米二氧化硅；所述纳米二氧化硅为经过偶联剂处理的改性纳米二氧化硅。
所述硅烷偶联剂为KH-560。
上述的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、按重量份称取各原料，然后将各原料混合并搅拌均匀，再过60目筛，得到混合物料；
(A2)、取步骤(A1)得到的混合物料压塑处理后，再在氮气保护下烧结成型，即得耐压耐磨PTFE/Cu复合材料。
所述步骤(A1)中，搅拌的转速为1200r/min，搅拌次数为2次，每次搅拌1min然后静置30s。
所述步骤(A1)中，过筛的次数为3次。
所述步骤(A2)中，所述压塑处理是将过筛后的原料置于模具中模压成半成品；所述烧结成型是将所述半成品在200℃温度下烧结10h。
实施例4
一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，包括如下重量份的原料：
Figure BDA0002041649540000091
所述PTFE的密度为2.17g/cm3，所述PTFE为目数在500目的聚四氟乙烯粉末。
所述铜粉由青铜粉和紫铜粉以重量比2.2:1.3混合而成，所述铜粉的目数为500目。
所述增强纤维为碳纤维；所述增强纤维为目数在800目的纤维粉末。
所述润滑剂为二硫化钨。
上述的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、按重量份称取各原料，然后将各原料混合并搅拌均匀，再过80目筛，得到混合物料；
(A2)、取步骤(A1)得到的混合物料压塑处理后，再在氮气保护下烧结成型，即得耐压耐磨PTFE/Cu复合材料。
所述步骤(A1)中，搅拌的转速为1600r/min，搅拌次数为3次，每次搅拌2min然后静置30s。
所述步骤(A1)中，过筛的次数为4次。
所述步骤(A2)中，所述压塑处理是将过筛后的原料置于模具中模压成半成品；所述烧结成型是将所述半成品在300℃温度下烧结15h。
对比例1
本对比例与实施例4的区别在于：所述耐压耐磨PTFE/Cu复合材料不含白炭黑。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：所述铜粉仅为青铜粉。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于：所述耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法由以下步骤制得：按重量份称取各原料，搅拌均匀后装入模具内在20-35MPa压力下压实，再在330℃温度下烧结成型。
实施例5
取实施例1-4和对比例1-3制得的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，分别测试其密度、拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率、初始摩擦系数、磨损摩擦系数和磨损率。其中，拉伸强度采用GB1040-79试验方法进行测试；冲击强度采用GB/T 1043.1-2008试验方法在25℃温度下进行测试；断裂伸长率采用GB/T 1040.2-2006试验方法进行测试；初始摩擦系数和磨损摩擦系数均采用GB3960试验方法进行测试，而磨损摩擦系数的测试对象为实施例1-4和对比例1-3制得的耐压耐磨PTFE/Cu复合材料经过荷载180N、滑动速度0.3m/s、干摩擦4h后的复合材料表面，对磨轮：45钢，42-45HRC；磨损率为单位长度内单位载荷下所磨损的体积，即磨损率＝采用上述方式磨损后的磨损体积÷累计摩擦功，单位为cm3/(N·m)。测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002041649540000111
由上表1可知，本发明的PTFE/Cu复合材料具有优良的自润滑性、韧性、耐压性、抗冲性、耐磨性、耐高低温性能，防止使用过程中出现断裂现象，使用寿命长。本实施例4与对比例1相比，说明了白炭黑在复合材料中发挥轻质、高强度作用，而且白炭黑的高流动性，使复合材料的表面更加致密细洁，摩擦系数更小，另外，冲击强度相差3.6KJ/m，说明了白炭黑还对复合材料的抗冲性有较好的促进作用。本实施例1与对比例2相比，说明了铜粉采用青铜粉和紫铜粉按特定比例复配后，性能更好，铜粉仅采用青铜粉，容易造成刚性过大，拉伸强度降低、断裂伸长率降低，容易产生断裂，不利于在破碎锤等高频率、高冲击、高压力的设备中应用。本实施例1与对比例3相比，说明了本发明的制备方法更适合配合本发明的原料制备本发明的复合材料，其在空气环境下烧结的过程容易使铜粉高温下与空气反应生成氧气铜，导致密度增大，影响了复合材料的内部结构，表面粗糙度增大，从而降低了复合材料的整体性能。另外，采用对比例1-3制得的PTFE复合材料的磨损率均比本发明的PTFE复合材料的磨损率高一个数量级，说明了本发明采用的原料、添加量及制备方法有密切的联系，能够共同提高耐磨效果。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：包括如下重量份的原料：
Figure FDA0002765561320000011
所述铜粉由青铜粉和紫铜粉以重量比2-2.5:1-1.5混合而成，所述铜粉的目数为300-600目；
所述耐压耐磨PTFE/Cu复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、按重量份称取各原料，然后将各原料混合并搅拌均匀，再过60-100目筛，得到混合物料；
(A2)、取步骤(A1)得到的混合物料压塑处理后，再在氮气保护下烧结成型，即得耐压耐磨PTFE/Cu复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述PTFE的密度为2.1-2.2g/cm3，所述PTFE为目数在300-600目的聚四氟乙烯粉末。
3.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述增强纤维为碳纤维和/或氧化铝纤维；所述增强纤维为目数在600-1000目的纤维粉末。
4.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述润滑剂为二硫化钨、二硫化钼和氮化硼中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述复合材料还包括0.1-0.5重量份的纳米二氧化硅；所述纳米二氧化硅为经过偶联剂处理的改性纳米二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述步骤(A1)中，搅拌的转速为1200-2000r/min，搅拌次数为2-3次，每次搅拌1-5min然后静置30-60s。
7.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述步骤(A1)中，过筛的次数为3-5次。
8.根据权利要求1所述的一种耐压耐磨PTFE/Cu复合材料，其特征在于：所述步骤(A2)中，所述压塑处理是将过筛后的原料置于模具中模压成半成品；所述烧结成型是将所述半成品在200-375℃温度下烧结10-20h。
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