CN110105695B - 一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料及制备方法，其特征是所述的复合材料由以下重量份的原料制成：聚四氟乙烯100，稀土氧化物0.1～1，氟化石墨烯0.5～2，多壁碳纳米管0.5～1。其制备方法是：氟化石墨烯，多壁碳纳米管，稀土氧化物于丙酮中超声分散后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨；然后在真空干燥箱中烘干，得到混合粉末；在20‑50MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24h后在烧结炉中自由烧结，365℃下保温数小时，随炉降温，制得复合材料。本发明所述复合材料具有稳定的摩擦系数和超低的磨损率，制备方法简单，操作方便，成本低，易于工业化宏量制备，该复合材料容易加工成薄片在旋转型超声电机中使用，能够提高超声电机的速度稳定性和使用寿命。

Description

一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于聚合物复合材料领域，尤其是一种超声电机转子用聚合物复合材料，具体地说是一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料及制备方法。
背景技术
随着超声电机技术的不断发展及应用范围的扩大，对转子摩擦材料性能的要求越来越高，传统的聚四氟乙烯基复合材料由于机械强度低、硬度小、使用寿命短等缺点，虽然电机运行时间的增长以及转子材料磨损，电机预压力逐渐下降，造成电机输出性能不稳定，所以寻求一种超耐磨转子摩擦材料对于提高超声电机的使用寿命及稳定性至关重要。
目前旋转型超声电机使用的摩擦材料主要存在两大问题：最突出的问题是干摩擦条件下磨损比较严重，使用寿命短，无法满足连续长寿命工作，在真空和高低温等苛刻工况下使用寿命将更短，无法满足航空航天等复杂环境的使用需求；其次是随着电机运行过程中的磨损，产生的磨屑以及预压力的下降导致电机输出稳定性下降。目前，国内还没有摩擦材料能完全解决以上两个问题。因此，寻求长寿命高稳定的摩擦材料是超声电机亟需解决的难题。
本发明选用聚四氟乙烯作为聚合物基体，因其是一种绝缘性能好、表面自由能较低、抗黏着、耐高温、耐腐蚀的一种高分子材料，但是纯的聚四氟乙烯在高频微振动条件下磨损率较大，很难满足超声电机复杂工况的使用要求。所以对聚四氟乙烯进行改性是提高其机械性能和摩擦学性能最有效的方法。本发明利用先进的纳米改性技术，在碳纳米管增强的基础上，利用稀土氧化物和氟化石墨烯协同改性聚四氟乙烯，能够大大提高聚四氟乙烯纳米复合材料的耐磨性，从而能够提高超声电机的使用寿命和运行稳定性。
其次，根据纳米改性剂添加比例的不同，对其制备方法进行了优化，以期能够制备适用于超声电机使用的高性能摩擦材料。
发明内容
本发明的目的是针对现在所使用的超声电机摩擦材料存在的问题，发明一种更适用于超声电机使用的高耐磨聚四氟乙烯复合材料，同时发明一种相应的制备方法。
本发明的技术方案之一是：
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料,其特征是它由以下重量份的原料制成：聚四氟乙烯100，氟化石墨烯0.5～2，多壁碳纳米管0.5～1，稀土氧化物0.1～1。
所述的聚四氟乙烯为微米级模压粉，平均粒径为20μm模压粉，性能稳定，非常适合无机颗粒填充和模压。
所述的氟化石墨烯为片状结构粉末，其表面尺寸1-5μm，厚度为0.8-1.2nm，所述的氟化石墨烯的表面活性官能团与聚四氟乙烯分子存在着强烈的分子间作用力，能够提高界面结合力，从而大大提高聚四氟乙烯的耐磨性；氟化石墨烯在丙酮中分散性良好，避免了团聚现象，提高了其在聚四氟乙烯中的分散性。
所述的稀土氧化物为氧化镧、氧化钐、氧化铈以及其它稀土氧化物，该氧化物为纳米级粉末，能够在丙酮中与氟化石墨烯、聚四氟乙烯和多壁碳纳米管良好分散，起到协同改性作用。
所述的多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50 μm，所述的多壁碳纳米管具有良好的力学性能，是提高聚合物强度的理想增强材料。
本发明的技术方案之二是：
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是它包括如下步骤：
1）将氟化石墨烯，多壁碳纳米管，稀土氧化物置于丙酮中超声分散30±10min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4±0.5小时；
2）在真空干燥箱中50±10℃下烘干，粉碎以及过200目筛处理得到混合粉末；
3）在20-50MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24±2h后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为：900±10℃，365±5℃下保温1-4小时，随炉降温，制得高耐磨聚四氟乙烯复合材料；
4）将步骤3制成的高耐磨聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
所述的切片厚度为0.25mm。所述的表面处理是通过机械研磨使表面粗糙度小于0.1μm。
本发明的有益效果：
(1)、本发明选用综合性能非常良好的聚四氟乙烯作为基体，通过加入氟化石墨烯，所述的氟化石墨烯的表面活性官能团与聚四氟乙烯分子存在着强烈的分子间作用力，氟化石墨烯和聚四氟乙烯具有相同的氟和碳原子，其相容性较好，能够提高界面结合力，从而大大提高聚四氟乙烯的耐磨性，并且其机械强度、表面硬度、耐温性都有很大的提高；使用该摩擦材料的超声电机的使用寿命将超过20000小时，最高达到50000小时，是现有材料的2倍至5倍。
(2)、本发明选用廉价且改性效果明显的稀土氧化物改性，通过对比几种稀土氧化物改性效果发现，氧化镧减磨效果最好，因氧化镧容易吸收空气中的二氧化碳和水发生化学反应，有助于降低聚四氟乙烯的摩擦磨损；此外，本发明选用性能非常优异的碳纳米管和氟化石墨烯对聚酰亚胺进行协同改性，能够大大提高其机械性能并降低聚四氟乙烯的磨损率，有助于延长超声电机的使用寿命，从而为超声电机在航空航天领域超长服役时间提供材料保障。
(3)、本发明的复合材料具有较高的机械性能、稳定的摩擦系数和极低的磨损率，能够大大提高超声电机的承载能力、运行稳定性和使用寿命。
(4)、本发明制备工艺可靠，设备简单，成本低廉，适合于工业化生产和利用。
(5)、本发明所述复合材料具有稳定的摩擦系数和超低的磨损率，制备方法简单，操作方便，成本低，易于工业化宏量制备，该复合材料容易加工成薄片在旋转型超声电机中使用，能够提高超声电机的速度稳定性和使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例所制得材料使用寿命测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示。
本发明实施例1至6的高耐磨聚四氟乙烯纳米复合材料主要用于旋转型超声电机中的摩擦材料，以下实施例中选用的聚四氟乙烯平均粒径为20μm，购自上海合成树脂研究所；氧化镧（50 nm），氧化钐（40 nm）和氧化铈（100 nm）稀土氧化物购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氟化石墨烯为高纯度试剂级氟化石墨烯片状粉末，纯度大于99%，表面尺寸为1-5μm，厚度为0.8-1.2nm，购自南京吉仓纳米科技有限公司；多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50μm，购自中国科学院成都有机化学有限公司。
实施例1。
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料，各组分的质量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯0.5g、多壁碳纳米管0.5g、氧化镧0.1 g。
具体制备步骤：
1）氟化石墨烯，多壁碳纳米管，氧化镧于丙酮中超声分散30min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4小时；
2）在真空干燥箱中50℃下烘干，粉碎以及过200目筛处理得到混合粉末；
3）在20MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24±2h 后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为900±10℃，365±5℃下保温1h，随炉降温，制得高耐磨聚四氟乙烯复合材料。
4）将步骤3制成的高耐磨聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的复合材料与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨时的厚度磨损率为7.5 nm /h，如果超声电机转子摩擦材料的使用寿命按磨损0.15mm计算，使用该摩擦材料时超声电机的使用寿命将超过20000 小时，比传统的摩擦材料使用寿命（大约10000小时）高一倍。
实施例2。
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料，各组分的质量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯1 g、多壁碳纳米管0.5g、氧化镧0.5g。
具体制备步骤：
1）氟化石墨烯，多壁碳纳米管，氧化镧于丙酮中超声分散30±10min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4±0.5小时；
2）在真空干燥箱中50±10℃下烘干，粉碎以及过200目筛处理得到混合粉末；
3）在30MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24±2h后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为900±10℃，365±5℃下保温2h，随炉降温，制得高耐磨聚四氟乙烯复合材料。
4）将步骤3制成的高耐磨聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的复合材料与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨的厚度磨损率为6.2 nm /h，如果超声电机转子摩擦材料的使用寿命按磨损0.15mm计算的话，使用该摩擦材料时超声电机的使用寿命将超过24000 小时。
实施例3。
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料，各组分的质量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯1.5g、多壁碳纳米管1g、氧化镧1g。
具体制备步骤：
1）氟化石墨烯，多壁碳纳米管，氧化镧于丙酮中超声分散30±10min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4±0.5小时；
2）在真空干燥箱中50±10℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3）在40MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24±2h后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为900±10℃，365±5℃下保温3h，随炉降温，制得高耐磨聚四氟乙烯复合材料。
4）将步骤3制成的高耐磨聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的复合材料与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨的厚度磨损率为5.5 nm /h，如果超声电机转子摩擦材料的使用寿命按磨损0.15mm计算的话，使用该摩擦材料时超声电机的使用寿命将超过27000 小时。
实施例4。
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料，各组分的质量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯2g、多壁碳纳米管1g、氧化镧1g。
具体制备步骤：
1）氟化石墨烯，多壁碳纳米管，氧化镧于丙酮中超声分散30±10min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4±0.5小时；
2）在真空干燥箱中50±10℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3）在50MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24h后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为900±10℃，在365±5℃下保温4h，随炉降温，制得高耐磨聚四氟乙烯复合材料。
4）将步骤3制成的高耐磨聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的复合材料与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨的厚度磨损率为3 nm /h，如果超声电机转子摩擦材料的使用寿命按磨损0.15mm计算的话，使用该摩擦材料时超声电机的使用寿命将超过50000小时。
实施例5。
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料，各组分的质量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯2g、多壁碳纳米管1g、氧化铈1g。
具体制备步骤：
1）氟化石墨烯，多壁碳纳米管，氧化镧于丙酮中超声分散30min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4小时；
2）在真空干燥箱中50℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3）在50MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24h后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为900±10℃，在365℃下保温4h，随炉降温，制得复合材料。
4）将步骤3制成的聚四氟乙烯纳米复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的复合材料与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨的厚度磨损率为4 nm /h，如果超声电机转子摩擦材料的使用寿命按磨损0.15mm计算的话，使用该摩擦材料时超声电机的使用寿命将超过37500 小时。
实施例6。
一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料，各组分的质量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯2g、多壁碳纳米管1g、氧化钐1g。
具体制备步骤：
1）氟化石墨烯，多壁碳纳米管，氧化镧于丙酮中超声分散30min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4小时；
2）在真空干燥箱中50℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3）在50MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24h后在烧结炉中自由烧结，365℃下保温4h，随炉降温，制得复合材料。
4）将步骤3制成的聚四氟乙烯纳米复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的复合材料与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨的厚度磨损率为4.5 nm /h，如果超声电机转子摩擦材料的使用寿命按磨损0.15mm计算的话，使用该摩擦材料时超声电机的使用寿命将超过33000 小时。
从附图1中实施例1-4可以看出，随着氟化石墨烯、多壁碳纳米管和氧化镧添加比例的增加，摩擦材料使用寿命增加，从实施例4-6对比发现，氧化镧的改性效果最好，氧化铈的次之，氧化钐的最差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，如更换实施例1至9中的稀土氧化物，适当增加球磨时间、增加或减少超声分散时间、调整压制成型压力等，这些改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种高耐磨聚四氟乙烯复合材料,其特征是它由以下重量份的原料制成：聚四氟乙烯100，氟化石墨烯0.5～2，多壁碳纳米管0.5～1，稀土氧化物0.1～1；所述的稀土氧化物为氧化镧、氧化钐或氧化铈之一。
2.根据权利要求1所述的高耐磨聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的聚四氟乙烯为平均粒径为20μm的模压粉。
3.根据权利要求1所述的高耐磨聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的氟化石墨烯为片状结构粉末，其表面尺寸1-5μm，厚度为0.8-1.2nm。
4.根据权利要求1所述的高耐磨聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的稀土氧化物为纳米级粉末。
5.根据权利要求1所述的高耐磨聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50 μm。
6.一种权利要求1所述的高耐磨聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是它包括如下步骤：
1）将氟化石墨烯，多壁碳纳米管，稀土氧化物置于丙酮中超声分散30±10min后，加入聚四氟乙烯粉末，并用球磨机球磨4±0.5小时；所述的稀土氧化物为氧化镧、氧化钐或氧化铈之一
2）在真空干燥箱中50±10℃下烘干，粉碎以及过200目筛处理得到混合粉末；
3）在20-50MPa压力下将混合粉末压制成型；成型生胚静置24±2h后在烧结炉中自由烧结，烧结温度为：900±10℃，365±5℃下保温1-4小时，随炉降温，制得高耐磨聚四氟乙烯复合材料；
4）将步骤3制成的高耐磨聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述的切片厚度为0.25mm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述的表面处理是通过机械研磨使表面粗糙度小于0.1μm。
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